茶叶发酵均匀温度控制方法及系统

本发明属于发酵产品，涉及一种茶叶发酵均匀温度控制方法及系统。

背景技术：

1、在茶叶制作中有发酵这一工序的茶，统称为发酵茶，根据发酵程度的不同，可以分为轻发酵茶、半发酵茶、全发酵茶、后发酵茶，轻发酵茶是不经过发酵的茶，发酵程度在百分之二十至百分之七十不等的是半发酵茶，百分之百的茶为全发酵，红茶不仅是发酵茶，还是全发酵茶，因为经过发酵，所以红茶具有独特的香气，味道甘甜醇厚，发酵要掌握满足茶多酚氧化酶的氧化聚合反应所需的适宜温度和湿度。如红茶发酵需要严格把控温度，但传统的红茶加工普遍存在着受热不均匀的缺陷，这极大地影响了红茶的发酵效果。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种茶叶发酵均匀温度控制方法及系统，实现发酵温度均匀控制。

2、为了达到上述目的，本发明的基础方案为：一种茶叶发酵均匀温度控制方法，包括如下步骤：

3、s1，基于发酵房的设定尺寸与茶叶发酵产能需求，结合热质平衡理论，确定初始工艺参数集；

4、s2，将初始工艺参数集划分为结构参数、工况参数和料层参数，基于发酵房的传热流动数值和多孔介质发酵料层，建立多孔介质模型、多相流模型和湍流模型，并设置约束条件对三个模型求解，得到三种参数的料层区域的温度场，以及温度场的料层内、料层间的温均性系数；

5、将满足茶叶料层在茶叶发酵适宜温度区间内的料层内、料层间的最大温均性系数，作为阈值；

6、s3，对比三种参数对应的温均性系数与阈值，若参数对应的温均性系数小于阈值，则对初始工艺参数集进行优化：保持该中参数的其余条件不变，更改该参数中的其中一个条件(例如热风管路数n)，进行实验测试得到该条件温均性系数最高的参数，返回步骤s2；反之，输出最优工艺参数集；

7、s4，基于最优工艺参数集，进行n次实验，计算数据误差率是否小于阈值k％，k为小于100的正数(由公式：误差率＝(预测值-实际值)/实际值×100％)，若小于则输出最优工艺参数集至发酵装置，进行温度均匀控制，反之则返回步骤s2，对模型的参数进行微调：对网格重新进行划分，获取单元质量更大的网格；对模型边界条件进行修改，重新设计评价指标。

8、本基础方案的工作原理和有益效果在于：本技术方案获取初始工艺参数集，并建立多孔介质模型、多相流模型和湍流模型，得到温均性系数，再对参数集进行优化，利用优化后的参数对发酵装置进行控制，实现发酵温度均匀。

9、进一步，基于发酵房的设定尺寸与茶叶发酵产能需求，结合热质平衡理论，确定初始工艺参数集，具体方法如下：

10、加热发酵房所需的热量q1为：

11、q1＝c(ρv)δt

12、其中，c为空气的比热容，ρ为空气的密度，v为发酵房的体积，δt为发酵房中的温度差值；

13、发酵房中的传热量q2为：

14、q2＝haδt

15、其中，h为对流传热系数，a为传热的面积：发酵房为标准的立方体模型，因此传热的面积由六个面的正方形面积和得到；

16、发酵房中的水蒸气液化吸收的热量q3为：

17、q3＝m*δhv

18、其中，m为液化的水蒸气的质量；δhv为蒸发热，在标准大气压下,蒸发热约为2.257kj/g；

19、计算对流传热系数：

20、

21、其中，αn为发酵房内部壁面与内部环境的表面换热系数，αw为发酵房外部壁面与外部环境的表面换热系数，δ为红茶发酵房各层材料厚度，λ为红茶发酵房各层材料导热系数，αλ为材料导热系数修正系数，rk为封闭空气间层的热阻，表示阻值热流通过的能力，数值越大，阻值越大；

22、计算整个加热系统的所需功率为：

23、q总＝q1+q2-q3

24、热风模块的风机风量的需求为：

25、

26、其中，f为风量；v为发酵房的体积；n为每个小时换气的次数；n为风机的数量；

27、得到满足任意尺寸发酵房与茶叶发酵产能需求的风机性能参数，完成初始工艺参数集确定。

28、基于发酵房的设定尺寸与茶叶发酵产能需求，结合热质平衡理论，确定初始工艺参数集。

29、进一步，建立多孔介质模型的方法如下：

30、茶叶料层在供温干燥的过程中被看作是多孔介质的传热传质过程，建立多孔介质模型，首先将茶叶作为多孔介质结构，计算孔隙率φ：

31、

32、其中，ρ1为茶叶体积密度，ρd为茶叶表观密度；

33、发酵房内部流场的动量源项包括粘性、惯性阻力，为：

34、

35、

36、其中，dp为多孔介质的颗粒平均直径,是茶叶片的厚度，α：渗透率，c2；惯性阻力系数。

37、进一步，建立所述多相流模型的方法为：

38、水分由液态变成气态，水蒸气的扩散运动会影响到质量的输运过程，动量方程以及能量方程，水蒸气扩散通量为：

39、

40、其中，dv表示蒸气分子扩散系数，υ表示质量流量系数，且υ＝p/(p-pv)，p表示总的压强，pv表示水蒸气分压；β表示曲率因子，φ是孔隙率，εl表示多孔介质内液相的体积分数，表示多孔介质内蒸气的密度梯度；

41、计算在考虑水分蒸发的基础上的茶叶传质方程：

42、

43、其中，换算参数dtv和dlv为：

44、

45、

46、其中，vv：气体扩散的等效速度；dv：蒸汽分子扩散系数；ρvs为饱和多孔介质内的密度；ψ为水压力势；g是重力加速度，r是气体常数，t是温度；

47、对液相来说，茶叶料层中的作用力为压强的力、应力和体积力，因此x、y、z方向液相的动量方程相加得到：

48、

49、其中，为液相x、y、z方向叠加的速度，f分别表示x、y、z方向上的体积力的叠加，pl表示液相的压强；ρ：流体的密度，τl：应力张量；

50、达西定理中，渗流速率与所受的力成正比，因此结合达西定理公式：

51、

52、其中，μl：动力粘度，ul：流体点流速；

53、得到茶叶组织内流体的液相动量方程，同理可得茶叶组织内流体的气相动量方程：

54、

55、

56、其中：kl和kg分别表示茶叶组织中液体和气体的传导系数；ug：点流速；t：变化的时间；

57、在茶叶的干燥过程，吸收的热量与蒸发带走的热量差就是茶叶热量的变化率，则茶叶热风干燥过程的能量守恒方程为：

58、

59、其中，等式的左边表示茶叶内部各相由于温度、密度、体积分数等各项参数的变化所导致的茶叶能量的变化,等式右边表示因为整体的温度变化所引起的能量变化；c表示茶叶多孔介质的比热容，ε表示各相的流量，h表示各相的晗，εh表示单位质量流体所具有的总能量e，ρe为单位体积流体所具有的总能量，εg：气相流量，hg：气相的晗，γ：蒸发潜热，m：单位时间单位体积内气体和液体质量变化，λ：茶叶的导热系数。

60、通过传热流动数值建模与多孔介质发酵料层建模，求解每种方案料层区域的温度场，对发酵过程进行数值分析。

61、进一步，所述湍流模型采用k-ε模型，求解流动及换热问题时，控制方程包括k方程、ε方程，为：

62、

63、

64、其中，湍流模型常系数c1ε＝1.44，c2ε＝1.92；gk：由于平均速度梯度引起的湍动能的产生项；μ：动力粘性系数，ui：气流在i方向上的气流，ρ：密度，σk为湍流脉动动能k的湍流prandtl数，σε为湍流脉动动能耗散率ε的湍流prandtl数。

65、k-ε模型性能好，适应性强，利于使用。

66、进一步，所述约束条件包括：

67、流域的初始温度设置为26℃，入口边界条件设置为速度入口；

68、送风温度为200℃、送风速度为14m/s；

69、出口边界条件设置为压力出口，option选项设置为总压力total pressure；

70、将发酵房的四个墙面设置为壁面，并且不考虑与外界的换热；

71、压强为标准大气压，在y轴反方向设置重力-9.81m/s2压力并且速度的耦合采用copple算法，压力和动量插值采用二阶方式。

72、为了对模型进行求解，设置合理的边界条件。

73、进一步，每种参数的料层区域的温度场t＝f(x,y,z)，所述温度场的料层内、料层间的温均性系数g为：

74、

75、其中，t1，...，tx表示发酵房内不同位置温度传感器测得的不同位置的温度，表示发酵房内不同位置的平均温度。

76、通过具体测算发酵房中料层内、料层间的具体温度，进而计算不同工艺参数集料层内、料层间温均性系数。

77、本发明还提供一种茶叶发酵均匀温度控制系统，包括处理单元，所述处理单元的输出端与发酵装置的控制端连接，处理单元执行本发明所述方法，进行茶叶发酵均匀温度控制。

78、本系统利用处理模块对发酵过程的参数进行分析，从而获取优化的控制参数，通过为发酵装置设置参数，进行茶叶发酵均匀温度控制。