我国是世界上茶叶种植、生产、消费大国,人们对以茶叶为原料的健康饮品需求量逐年增大。杀青是绿茶加工的第一道关键工序,决定了茶叶口味的形成,是保证绿茶品质的关键,因此对茶叶杀青工艺和设备进行优化改进具有重大意义。目前茶叶杀青机械普遍存在能耗高、热能损失严重、产量低、机械结构设计存在盲目性等缺陷,给制茶企业和农户带来了巨大的经济损失。本文提出以红外辐射为热源,将红外热源置于滚筒中心,运用流体动力学软件Fluent和离散元软件EDEM耦合仿真鲜茶叶在红外杀青机滚筒内的杀青过程,优化出滚筒最优结构参数。利用LabVIEW和Arduino搭建一套杀青机控制系统,使整个杀青过程实现自动化,不需人工干预,节省人力。主要研究内容如下:(1)茶叶红外杀青机滚筒结构及滚筒内茶叶颗粒运动分析。设计一种节能型茶叶红外滚筒杀青机,主要由滚筒、机架、红外加热系统、温湿度传感器、进料口、出料口、传动系统及控制系统等组成,红外加热系统置于滚筒中心。通过建立茶叶颗粒在滚筒内杀青过程中的运动方程,运用MATLAB来仿真分析滚筒转速、滚筒锥角、导叶板倾角等对茶叶颗粒在滚筒轴截面运动轨迹的影响。结果表明,随着滚筒转速、滚筒锥角、导叶板倾角的增大,茶叶颗粒抛洒能力均增强。因此,需对杀青机滚筒转速、滚筒锥角、导叶板倾角等杀青参数进行优化,以确保杀青叶既不掉落在红外加热系统上或吸附在滚筒内壁上。(2)茶叶红外杀青机滚筒内流场数值模拟分析。采用Fluent-EDEM耦合对杀青过程中的离散场、流体温度场进行耦合分析,在流体软件Fluent中设置Realizable κ-ε湍流模型和DO辐射模型,在离散元软件EDEM中建立茶叶与茶叶、茶叶与滚筒的接触模型,联合耦合求解,得到杀青机滚筒内流场温度分布和杀青叶的升温曲线,实现对茶叶杀青过程中流场的数值模拟,并与同型号电加热杀青机滚筒内流场模拟结果进行比较。模拟结果表明,红外杀青机与电加热杀青机相比,红外杀青机滚筒内流场温度分布集中在滚筒右部及底部,而电加热杀青机滚筒内温度流场均匀分布;在45s杀青时间内,红外杀青机滚筒内杀青叶比电加热的升温速度更快,约为161%左右,杀青叶在短时间内达到升温效果,快速钝化酶的活性。说明本研究将红外热源置于滚筒中心,能大大提高杀青效率。(3)茶叶红外杀青机控制系统设计。以Arduino为下位机,LabVIEW为上位机,开发一套茶叶红外杀青机控制系统。由LabVIEW设计控制系统的前面板,前面板上设计温度、湿度和滚筒转速等控制按钮,由Arduino采集滚筒内的温度、湿度和滚筒转速等参数,上传至上位机LabVIEW进行分析处理,并发送控制指令给Arduino,Arduino根据指令控制红外管开启、风扇和滚筒电机正反转及转速大小,实现滚筒内温度和湿度的同时控制,防止杀青叶产生烧焦和闷黄等现象,同时滚筒正反转可使鲜茶叶杀青均匀。(4)茶叶杀青机滚筒结构优化设计及性能试验验证。研究本装置杀青过程中滚筒转速、滚筒锥角、导叶板高度和导叶板倾角、螺旋角对茶叶升温速率的影响,设计五因素四水平正交仿真试验,采用Fluent-EDEM对杀青过程中的离散场、流场和温度场进行耦合分析,以相同时间内茶叶升温速率最快为优化目标。得出本装置滚筒结构最优参数:导叶板螺旋角15°、导叶板倾角21°、滚筒转速37r/min、滚筒锥角4°、导叶板高度55mm。根据上述参数试制红外杀青样机,并进行实际杀青试验,试验结果表明:杀青机每小时产量为51.4kg/h,是电加热杀青机产量的1.43倍,且杀青叶在色泽、香气、滋味均优于电加热杀青机。