土壤消毒機蒸汽輸送裝置的設計與數值模擬

蔣雪松，楊冬冬，潘四普，陳 青，李萍萍，周宏平

(南京林業大學 a.機械電子工程學院；b.生物與環境學院，南京 210037)

0 引言

設施大棚內長期處于潮濕、溫熱的環境下，適宜的環境促進了土壤中病蟲害的繁殖，尤其是專業設施栽培基地，由于多年連茬種植難于輪作倒茬，造成土壤中蟲卵、真菌和病毒的連年累積[1]。一些土傳病蟲害頻發，嚴重制約了設施栽培的發展[2-3]。土壤消毒是利用物理、化學或者生物方法[4]，快速、有效地殺滅土壤中的病菌、根線蟲、雜草及有害動物等病蟲害的技術，能夠有效克服土壤中的連作重茬障礙，控制土壤病蟲害的發生，保證設施栽培的優質高產[5-8]。相比于其他土壤消毒方法，蒸汽消毒技術具有諸多優點，它是利用高壓蒸汽，憑借高溫殺滅土壤中的病蟲害，同時提高土壤的通透性和排水性，且對環境無任何污染、消毒快速有效、長期使用不會使病蟲產生抗藥性及不會破壞土壤結構等，近年來受到了廣泛的關注[9-10]。

區別于目前各種土壤基質消毒裝備的研究成果[11- 12]，本文在對脈沖式土壤蒸汽消毒機的概念設計基礎上[13-15]，重點對蒸汽輸送裝置關鍵部件進行了結構設計和土壤傳熱模型的CFD數值模擬，驗證了結構的合理性。

1 消毒機總體結構及工作原理

本設計脈沖式土壤蒸汽消毒機采用脈動燃燒器作為熱源[16]，采用自行研制的電控履帶車作為行走機構[17]，整機的總體結構如圖1所示。

1.蒸汽輸送裝置 2.伸縮機構 3.升降機構 4.電動機 5.控制臺 6.行走裝置 7.水箱 8.蒸汽發生裝置 9.儲氣罐 10.發電機 11.橫向移動機構

土壤蒸汽消毒機工作時，先通過水泵由水箱向蒸汽發生裝置內供水，啟動位于蒸汽發生裝置內的脈動燃燒器，將水加熱蒸汽沸騰后產生蒸汽進入儲汽罐；蒸汽通過管道從儲汽罐上的出汽閥輸送至蒸汽輸送裝置，然后通過蒸汽盤內部的管路輸送至注射針頭，最后注射到土壤內部進行消毒。汽油發電機安裝在履帶車的前端，為整個機器提供電能；控制臺安裝在土壤蒸汽消毒機中部，便于進行操作，電動機位于控制臺旁邊，用于驅動液壓伸縮機構。蒸汽發生裝置安裝在履帶車中央，脈動燃燒器安裝在蒸汽發生裝置內部。蒸汽輸送裝置位于履帶車的前端，通過液壓伸縮機構和罩蓋上的轉動副，與固定在履帶車前端的升降機構連接。升降機構主要在液壓缸、直線滑塊單元等作用下工作，蒸汽輸送裝置在升降機構的作用下實現針頭的插入與拔出土壤。

2 關鍵部件設計

2.1 注射針頭

考慮到土壤蒸汽消毒機在實際作業過程中，地質條件和土壤的結構較為復雜[18]，且針頭內部介質是高溫水蒸汽，所以注射針頭應采用強度高、耐熱性、耐腐蝕性、質量小的材料。注射針頭結構如圖2所示。

圖2 注射針頭結構

本文設計的針頭材料選用304不銹鋼，是一種通用性的鉻-鎳不銹鋼，含有18%以上的鉻含量及8%以上的鎳含量，具有良好的耐腐蝕性；密度為7.93g/cm3，具有質量相對較輕的特點；能耐高溫800°，具有加工性能好、韌性好、強度高的特點，應用廣泛。試驗中采用的蒸汽注射針頭是一體式設計，針管和針頭共用同一根空心鋼管，加工起來比較麻煩，且造價較高。試驗用針頭的8個出氣孔軸向均勻分布在針頭管壁，通過試驗和數值模擬研究，證實此設計無法滿足表層土壤和深層土壤的消毒要求，需要對出氣孔位置布局和長度進行重新改進。

為了保證土壤的表層、中層、深層全面達到消毒要求，采用組合式設計將針管和針頭分開設計，便于加工和維修整個注射針頭。針頭尾端采用螺紋連接，加長針管的總長度至255mm，插入土壤的有效長度為235mm，出氣孔螺旋分布在整個管壁上。

在實際作業過程中，發生器內蒸汽壓力穩定在0.4MPa左右，單位時間內的蒸汽供應量可達到100～150kg/h左右。由于出氣孔的位置有較大的壓力，可將出氣孔的土壤自動排掉，不會影響蒸汽的供應。本文設計的針頭有效長度為235mm，針管壁厚為2mm，針管外徑為22mm，出氣孔直徑為4mm，出氣孔個數8個。

2.2 蒸汽盤

考慮到在實際作業過程中，地質條件和土壤的結構較為復雜[18]，土壤蒸汽消毒機針頭內部介質是高溫水蒸汽，所以注射針頭應采用強度高、耐熱性、耐腐蝕性及質量輕的材料。

蒸汽盤是蒸汽輸送裝置的主要組成部件，主要用于向土壤內注入蒸汽，由蒸汽罩蓋、蒸汽輸送管路和注射針頭構成。工作時，將注射針頭插入土壤一定的深度，通過周向出氣孔向周圍土壤釋放蒸汽。

2.2.1 蒸汽罩蓋尺寸的確定

根據設計要求，消毒機工作效率為8～10m2/h，通過多針頭土壤傳熱試驗研究得出對基質土壤的消毒時間控制在5min左右最為合理，每次消毒的土壤面積約為0.67～0.83m2。

設計時，要求設施園藝用土壤蒸汽消毒機總高度小于1.8m，總寬度不超過1m，因此將蒸汽罩蓋尺寸定為長×寬×高(900mm×900mm×100mm)，蒸汽罩蓋內部采用隔熱保溫材料，外部設計用薄不銹鋼板包裹，以減少土壤消毒過程中蒸汽的泄露，減少熱量損失。

2.2.2 針頭間距的確定

當針頭間距設計為200mm時，針頭作用區域內會出現熱量傳遞盲區，如圖3所示。根據前面試驗可知：單針頭影響范圍在8～10cm左右，因此圖中陰影部分傳熱效果很差，不能滿足土壤所有區域的消毒要求。因此，采用針頭間距的設計為140mm時，針頭周圍的土壤區域內沒有傳熱盲區，如圖4所示。當針頭間距小于140mm時，土壤傳熱效果會更好，但會增加能耗、降低生產率。因此，最佳針頭間距設計為140mm。

圖3 針頭間距200mm

圖4 針頭間距140mm

2.2.3 針頭數目的確定

試驗時，單個針頭的蒸汽供應量為2.6kg/h,但在這種工況下，并非0～25cm深度范圍內所有區域均滿足消毒要求，這就要求在結構優化時考慮增加單位時間內每個針頭的蒸汽供應量。在實際工作中，土壤蒸汽消毒機蒸汽產生量為100～150kg/h，本文設計針頭數量為36個，呈均勻排布，單個針頭蒸汽供應量介于2.78～4.17kg/h范圍內，消毒效果比試驗時更佳。

2.2.4 蒸汽盤結構設計

蒸汽盤結構圖和具體尺寸如圖5所示。為了保證蒸汽均勻地輸送至每個針頭且結構盡可能緊湊，蒸汽輸送管路采用自制管路來輸送蒸汽，蒸汽主管采用壁厚2mm、長寬為25mm×25mm的不銹方鋼，蒸汽支管采用壁厚2mm、直徑為30mm的不銹鋼管焊接裝配在一起，蒸汽罩蓋內部采用隔熱保溫材料，外部設計用薄不銹鋼板包裹，以減少土壤消毒過程中蒸汽的泄露，減少熱量損失。

1.蒸汽罩蓋 2.蒸汽輸送支管 3. 蒸汽輸送主管 4.注射針頭

在實際生產中，為了使蒸汽注射裝置便于加工、拆卸和維修，將注射裝置的蒸汽支管和針頭分開設計，兩者之間采用螺紋連接裝配。

3 CFD數值模擬與驗證

3.1 CFD數值模擬

蒸汽輸送裝置的注射針頭結構改進后，出氣孔螺旋均勻排布在針管的兩端和中間位置，這樣保證了針頭插入土壤以后，蒸汽可以分別從土壤的上、中、下3個空間進入到土壤中。改進后單個針頭與周圍土壤傳熱模型的計算域示意圖，如圖6所示。

經過Fluent軟件的數值計算，可以更加直觀地模擬出注射蒸汽對周圍土壤溫度場分布的影響情況。仿真計算結束后，需要首先通過和試驗數據作對比來驗證模型是否準確。在蒸汽壓力0.4MPa、蒸汽供應量2.6kg/h的工況下，持續施加蒸汽7min后停留35min，利用溫度傳感器進行土壤溫度測試與數值模擬。圖7為Fluent運行7min時針頭周圍的土壤溫度場云圖。由圖7可以看出：針頭周圍大部分區域土壤可以達到較高溫度，只有深層土壤溫度較低，為52℃左右，針頭熱作用半徑在10cm左右。

圖6 結構改進后計算域示意圖

圖7 土壤溫度云圖

通過CFD-Post后處理軟件提取測試組各點對應的模擬數值。表1是各測點的實測值與模擬值對比表，測試組1和2離注射針頭的水平距離分別為8、12cm。

表1 不同深度試驗值與模擬值的對比表

續表(a) ℃

(b) 測試組2 ℃

圖8為Fluent模擬得到的數值和試驗數據的對比折線圖。由圖8可看出：兩種結果曲線變化趨勢一致，最大溫差處的相對誤差為8.7%，出現在測試組2的1cm深度處，其他相對誤差均小于5%。由于試驗時存在熱量的損失及土壤內部實際結構的復雜性，數值計算結果與試驗結果存在誤差是在所難免的，但就兩者的結果所體現的各測試深度的溫度分布趨勢和偏差程度來看，還是令人滿意的，表明本文所建立的傳熱模型可以應用于其他工況下的數值模擬計算。

(a) 測試組1

(b) 測試組2

4 結論

基于土壤蒸汽消毒機總體設計，對蒸汽輸送裝置的主要結構進行設計，包括針頭結構、蒸汽管路的布局及蒸汽罩蓋的設計。在通蒸汽7min、蒸汽壓力0.4MPa、蒸汽供應量2.6kg/h的工況下，進行了土壤傳熱模型的CFD數值模擬。數值模擬與測試的結果一致，驗證了土壤消毒機蒸汽輸送裝置的結構合理性，保證了土壤消毒中蒸汽輸送裝置的傳熱效果。