全 文 ：云南农业大学学报 Journal of Yunnan Agricultural University，2011，26 (3) :395 － 399 http:/ /xb. ynau. edu. cn
ISSN 1004 － 390X;CODEN YNDXAX E-mail:xb@ ynau. edu. cn
收稿日期:2009 － 12 － 02 修回日期:2011 － 01 － 10 网络出版时间:2011 － 05 － 13 10:25
* 基金项目:国家科技支撑计划项目 (2007BAD58B02 － 05) ;云南省发改委 2008 年度产业重大关键技术开发项目
［(2008)1657 － 20］。
作者简介:马振纲 (1982 －) ，男，山西怀仁人，在读硕士研究生，主要从事机电一体化研究。
E-mail:mzhg214@ 163. com
＊＊通讯作者 Corresponding author:黄云战 (1953 －) ，男，云南广南人，硕士生导师，主要从事机械设计制造研究。
E-mail:ystyh@ 163. com
网络出版地址:http: / /www. cnki. net /kcms /detail /53. 1044. S. 20110513. 1025. 201103. 395_182. html
DOI:10. 3969 / j. issn. 1004 － 390X (n). 2011. 03. 020
普洱茶发酵清洁化车间的设计及环境湿度的控制*
马振纲1，黄云战1＊＊，周红杰2，赵永洁3，孙婷婷2，熊同强1，龚加顺4，袁文侠2
(1. 云南农业大学 工程技术学院，云南 昆明 650201;2. 云南农业大学 龙润普洱茶学院，云南 昆明 650201;
3. 昆明铁道机电职业技术学院，云南 昆明 650208 ;4. 云南农业大学 食品科学与技术学院，云南 昆明 650201)
摘要:传统的普洱茶发酵是采用人工在车间内自然渥堆发酵，这种发酵方式不能保证普洱茶发酵过程中湿度
的均匀性，对普洱茶生产厂房和发酵车间进行设计和研究，将微生物技术、机械加工技术和电气控制技术融
为一体，使普洱茶的生产规范化，并具有科学性。普洱茶发酵清洁化车间结合了传统发酵的技术，采用现代
化的检测控制技术及设备，由湿度传感器、PLC 主控设备、计算机处理系统、加湿设备和监控系统等构成。
本文通过构建普洱茶发酵清洁化车间，对车间内的环境湿度进行控制，使普洱茶在发酵过程中的环境稳定，
并在这种环境下进行了生产试验，得到试验的相关数据并进行处理，从试验数据中找出普洱茶发酵湿度对普
洱茶品质形成影响的一些规律，为普洱茶发酵的规模化生产提供相应的科学参数。
关键词:普洱茶发酵;清洁化车间;环境湿度;设计;控制
中图分类号:T S272. 8 文献标识码:A 文章编号:1004 － 390X (2011)03 － 0395 － 05
Design of Clear Pu-erh Tea Fermenting Workshop and
the Environment Humidity Control
MA Zhen-gang1，HUANG Yun-zhan1，ZHOU Hong-jie2，ZHAO Yong-jie3，
SUN Ting-ting2，XIONG Tong-qiang1，GONG Jia-shun4，YUAN Wen-xia2
(1． College of Engineering and Technology，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;
2． Longrun Pu-erh Tea Academy，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China;
3． Kunming Railroad Mechanical and Electrical Professional Technology Institute，Kunming 650201，China;
4． College of Food and Science Technology，Yunnan Agricultural University，Kunming 650201，China)
Abstract:The traditional Pu-erh tea fermentation technology is nature pile-fermentation in the work-
shop using the man-power，which cant ensure the uniform humidity in the Pu-erh tea fermentation．
Depending on the research on the workshop and fermentation，the technology promotes the Pu-erh tea
production standardization，which unifies the microorganism，machine-finishing and electric control
technology． The Pu-erh tea clear fermentation workshop is composed by modern measurement and con-
trol technology unifying the tradition fermentation technology，such as，the equipment humidity sensor，
PLC master control equipments，computer processing system，humidifiers and monitoring system． By
constructing the Pu-erh tea clear fermentation workshop and controlling workshop environment humidi-
ty，a series of production experiments were carried out in the stable environment． It was revealed the
corresponding relationship between the fermentation humidity and Pu-erh tea quality，which provided
the scientific parameter for scale production of Pu-erh tea fermentation．
Key words:Pu-erh tea fermentation;clean workshop;environment humidity;design;control
国内外对普洱茶的开发研究起步较晚，其自
动化、规范化、产业化程度低。目前，普洱茶发
酵生产基本上均采用传统的渥堆方式，依靠环境
微生物自然感染进行。
在传统小作坊式的自然发酵过程中存在着卫
生条件差、品质不稳定、工人劳动强度大、生产
率低等诸多问题，严重影响普洱茶产业的健康、
持续、稳定发展。可见，普洱茶发酵清洁化车间
的构建对云南普洱茶清洁化、产业化及自动化生
产具有重要的意义。
加湿是普洱茶固态发酵过程中的一个重要环
节。据研究［1 － 2］，加湿量是产生发酵温度高低和
发酵速度快慢的重要指标，是普洱茶品质形成关
键环节。目前多数工厂批量发酵普洱茶均采用人
工自然加湿，带来了加湿的不均匀性，使得渥堆
各位置温升速度不同。有的地方由于加湿过量，
致使发酵温度过高而导致烧心、霉变等。有的地
方加湿不足，发酵温度过低，影响有益菌的生长
繁殖，质量难以保证［3 － 4］。因此，实现精确定量
加湿科学化、标准化、规范化对高品质普洱茶的
形成具有重要意义。
1 普洱茶发酵车间设计
普洱茶发酵车间系统的设计流程框图
此设计的最终目的是要给出一个经济合理的
设计方案，要使车间结构在多种约束条件下达到
空间合理或材料体积最小［3］。
结构优化设计可定义为:对于已知的给定的
参数，求出满足全部约束
条件并使目标函数取最小值的设计变量的解。
这个定义可用数学方式表达
如下:
求 X = (x1，x2，…xn)
T (1)
极小化 f (x)
约束条件
gj (X)≤0，j = 1，2，…，m
hk (X) = 0，k =m + 1，m + 2，…，{ p
式中:X称为设计变量;f (x)为目标函数;
gj (X) ，hk (X)所表示的方程成为约束条件。
2 发酵车间有效空间尺寸的理论分析
根据标准化车间的发酵量及雾化加湿设备布局
来确定车间的空间尺寸，首先 10 t茶叶按平铺厚度
为 1 m计算则需要的占地面积 60 m2，除去分割出
去的控制间 30 m2，由此可以得出标准化车间的所
需的面积为 90 m2，为了保证车间发酵的清洁化，
茶叶发酵所需的 60 m2面积全部采用厚度 3 cm的木
板架在离地 30 cm的高度，10 t 茶叶全部在木板上
发酵，这样可以保证茶叶发酵的清洁化，把茶叶架
693 云南农业大学学报 第 26 卷
在高度 30 cm 的木地板上，下面设有排水沟，可以
使多余的水分能够及时排出，雾化喷口的高度设置
为 2 m，为了保证顶部不会聚集雾化的水分，顶部
设计为的 V 形，水分就能够分散到墙体的两边及
时排出，V形顶部距喷雾口 1 m，则车间的总高度
为 3 m，由此得出车间的有效空间体积为
V1 = L × d × h = 15 × 4 × 2 = 120 m
3
V2 =
L
2 4 ×
d
2( )[ ]/ tan30
= L2 4 ×
4
2( )[ ]/ tan30 = 103 m3
V = V1 + V2 = 120 + 103 = 223 m
3 (2)
式中:L 为车间长度 (m) ;d 为车间宽度
(m) ;h为车间墙体高度 (m) ;V1 为车间出去顶
部的长方形体积 (m3) ;V2 为车间 V 型顶部体积
(m3)。
车间墙体 1. 5 m以下需贴有瓷砖，达到卫生
标准;车间墙外 1. 2 m 以下需贴美观的墙砖，
1. 2 m以上需用玻璃封闭;地面四周装有排水沟，
以便排水需要。车间地面铺有地板砖;在地板转
上铺设横梁支架，搭建 3 cm厚的木板以使普洱茶
发酵离地，离地高度约在 30 cm;墙壁装有风机，
根据车间的空间大小 223 m3 选取闭式轴流风机，
风量 1 000 m3 /h (本文后面介绍了风机的计算选
取) ，在长方体的车间里，两面宽边墙体上各装
有一个风机，其位置一个位于宽边墙壁底部，一
个位于对面墙壁的顶部，底部风机是进风，顶部
风机是排风，这样的风送系统能够达到良好的通
风效果;车间顶部采用不锈钢 V 形顶结构且装有
紫外灯起到杀菌的作用;
3 喷雾加湿机的功能及与车间的喷雾关系分析
3. 1 喷雾加湿机机理特点
喷雾加湿机利用压电陶瓷所固有超声波振荡
特点，通过一定的振荡电路手段与压电陶瓷固有振
荡频率产生共振，就能直接将与压电陶瓷接触的液
体雾化成 10 ～30 μm的微小颗粒［4］。其原理是，电
路超声波振荡，传输到压电陶瓷振子表面，压电陶
瓷振子会产生轴向机械共振变化，这种机械共振变
化再传输到与其接触的液体，使液体表面产生隆
起，并在隆起的周围发生空化作用，由这种空化作
用产生的冲击波将以振子的振动频率不断反复，使
液体表面产生有限振幅的表面张力波［5］。这种张力
波的波头飞散，使液体雾化，同时产生大量的负离
子。加湿机采用功率为 2. 7 kW，额定加湿量为
3 kg /h，有效加湿体积 200 m2。
3. 2 喷头设置与雾化关系
根据喷雾均匀性原理，喷头设置在车间中心
轴线上为喷雾均匀性最佳，根据车间的长度和高
度设置最佳的喷头数量、高度及角度。
3. 2. 1 喷头高度的分析
决定喷头高度的因素有多个，如喷头雾量分布
曲线、雾化程度、雾滴直径大小、雾锥角和喷幅
等。在诸多中影响喷头高度因素中，喷头最佳高度
的主要依据是由喷头的喷口喷出雾化水滴落于地面
的高度［6］。本次分析重点在于研究雾化区的大小。
经试验研究，喷头最佳高度公式可总结为以下
H = H1 + H2 + H3 (3)
式中:H为喷头高度 (m) ，即喷头的喷孔至
地面垂直距离;H1 为液膜长度 (m) ，即液滴出喷
孔成膜开始，到液膜消失止之间的长度;H2 为雾
化区长度 (m) ，即液膜消失成雾始，到成雾终之
间的长度;H3 为雾滴降落高度 (m) ，则为雾终止
至地面的高度。
在本车间中其液膜长度与雾化区长度分别为
0. 2 m 和 0. 3 m，它们的雾滴降落高度可定为
1. 5 m，则喷头高度应设置为 2 m最佳。
3. 2. 2 喷头数量及喷雾角度的分析
为了使茶叶加湿均匀，根据车间发酵的有效
长度以及管道中雾化压力损失计算平均分配喷头
的数量，根据试验结果表明，总长为 13 m的车间
最边上的喷头各距墙边 2 m 最佳，由此根据剩余
长度平均计算可得，N = (L － 4) /3，则总的喷
793第 3 期 马振纲，等:普洱茶发酵清洁化车间的设计及环境湿度的控制
头数量为:N + 1 = 4，在本车间中设置 4 个喷头
对茶叶加湿能够起到均匀加湿的效果。
根据喷头高度及车间的面积分析，轴向视图
上每个喷雾点应设置左右交错两个喷头，每个喷
头相对于水平线各转过 45°喷口向下倾斜，根据
试验测得，在此倾斜角下雾化颗粒沉降过程能够
覆盖的面积是最大，如图 3。
4 发酵车间温湿度自动控制系统分析
普洱茶发酵车间采用现代的检测控制技术及
设备，由 PLC主控设备、传感器 (湿度传感器、
湿度传感器)、变送器、计算机处理系统 (人机界
面显示)、自动报警系统、智能化加湿设备等构
成［7 － 8］。其工作原理是:通过温度、湿度传感器
实时检测采集普洱茶发酵车间环境温度、湿度变
化数据，当环境湿度低于设定的湿度值时雾化加
湿设备自动开启，当环境温度低于设定温度值时
加热设备自动开启，当环境温、湿度高于设定的
温、湿度值时雾化加湿设备和加热设备自动停止
并且开启风机［9］。
通过湿度传感器检测的数据分析后绘出折线图，
由图 4可以看出雾化后的加湿效果很好平均湿度能
够达到 85%，而且由于把水雾化，对茶叶的加湿会
非常均匀，堆提高普洱茶的品质起到了重要作用。
如图 5 所示，每 5 d 为 1 个发酵平均观测阶
段，第 1 阶段平均温度约为 39. 8 ℃，第 2 阶段平
均温度约约升为 45. 2 ℃，第 3 阶段平均温度约升
为 48 ℃，第 4 阶段平均温度约升为 49. 8 ℃，第 5
阶段平均温度继续上升为 50. 5 ℃，第 6 阶段平均
温度上升为最高值约为 51. 8 ℃，第 7 阶段平均温
度开始下降约为 50. 1 ℃，第 8 阶段平均温度下降
约为 46 ℃，最后 4 个阶段温度逐渐下降为
32. 8 ℃，该段时间内平均温度约为 33. 5 ℃。在
观测阶段内平均温度近似正态分布，在第 6 个阶
段平均温度上升为最高值约为 51. 8 ℃，在其左右
两端都逐渐下降。
普洱茶在发酵过程中，茶堆中的湿度对温度的
影响很大，根据检测到的数据表明随着茶堆中的湿
度增加温度也会随之增加，其二者之间近似呈线性
关系如图 6，从图中可以看到当湿度在 10%时温度
只有 20 多℃，当湿度达到 90%时温度上升到 50
多℃，但温度随湿度的增加是缓慢增加。
根据风量公式
Ls = Lq × K1 (4)
Lq = 60 × 60 × V =60 × 60 × 0. 25 = 900 m /h
K1 = 1 × 1 = 1 m
2
893 云南农业大学学报 第 26 卷
Ls = 900 × 1 = 900 m
3 /h
式中:Ls 为风量 (m
3 /h) ;K1 为风机截面积
(m2) ;Lq 为风速 (m/h) ;V为风速 (m/s)。
可选用壁式轴流风机，风量 1 000 m3 /h，全
压 51 Pa，功率 0. 04 kW，通过传感器检测数据显
示绘制图 7，根据图形显示得出当湿度在 100%时
开启风机只需要 25 s就可以使湿度降到 85%。
5 结语
本次研究通过构建普洱茶发酵新技术清洁化
车间，以现代工程技术的思想实验分析云南普洱
茶发酵新技术，设计开发出与之对应的普洱茶发
酵初期的湿水、加湿自动控制及检测可以获得发
酵自动控制车间可控关键的技术参数，实现对普
洱茶的清洁化、自动化和规范化奠定了一定的基
础，为普洱茶的品质检验提供了可靠的理论依据，
为普洱茶的品质提升创造了良好的条件。
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993第 3 期 马振纲，等:普洱茶发酵清洁化车间的设计及环境湿度的控制