三七土壤水蒸氣消毒針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王鳳花 宋 彥 賴慶輝 趙 威

(昆明理工大學(xué)農(nóng)業(yè)與食品學(xué)院， 昆明 650500)

0 引言

三七是一種名貴中藥材，廣泛種植于云南省，但連作障礙嚴(yán)重制約了三七產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。近年來(lái)，土壤消毒成為解決設(shè)施農(nóng)業(yè)重茬連作障礙的有效措施[1-4]。土壤蒸汽消毒是將高溫水蒸氣通入土壤中，將土壤中的細(xì)菌以及大部分雜草種高溫殺滅[5-11]。根據(jù)病害死亡臨界溫度梯度[12-13]及前期相關(guān)研究[14-16]，溫度需達(dá)到90℃以上并保持10 min、消毒深度需達(dá)到15～20 cm后，才能達(dá)到三七土壤消毒的農(nóng)藝要求。目前缺乏針對(duì)三七中藥材的土壤蒸汽消毒裝備，為克服三七連作障礙急需對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行研究。

關(guān)于土壤蒸汽消毒國(guó)內(nèi)外已有大量研究[17-19]，GAY等[20-21]設(shè)計(jì)的自走式土壤蒸汽消毒機(jī)使用注射器將蒸汽通入土壤，能在8 min內(nèi)將所有土層加熱到80℃以上，且能將土壤保持在70℃以上至少1 h，但加熱溫度達(dá)不到90℃。RUNIA[22]將基質(zhì)中預(yù)埋管道內(nèi)的空氣抽取，使其產(chǎn)生負(fù)壓，將蒸汽吸入基質(zhì)，但工藝流程復(fù)雜。汪小旵等[23-24]設(shè)計(jì)的移動(dòng)式土壤旋耕消毒機(jī)，機(jī)具在行走過(guò)程中通過(guò)消毒毛管將蒸汽通入土壤中，土壤消毒后溫度在 58.9～70.6℃之間，作業(yè)效率高，但土壤加熱溫度較低，且不能保溫。蔣雪松等[25]對(duì)注射器進(jìn)行了仿真優(yōu)化，取得最佳消毒區(qū)域大小和注射器結(jié)構(gòu)參數(shù)，但未考慮加熱交互作用。

本文設(shè)計(jì)一種針式蒸汽輸出裝置，主要通過(guò)消毒針將高溫蒸汽注射到土壤內(nèi)，從而達(dá)到土壤消毒的目的，重點(diǎn)對(duì)消毒針進(jìn)行Fluent模擬仿真及土壤熱傳導(dǎo)試驗(yàn)驗(yàn)證，找出加熱規(guī)律，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，使其滿足將15～20 cm深的土壤加熱到90℃并保持10 min的農(nóng)藝要求，為整機(jī)的設(shè)計(jì)提供理論基礎(chǔ)。

1 蒸汽輸出裝置結(jié)構(gòu)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)

為克服三七連作障礙設(shè)計(jì)的針式土壤蒸汽消毒輸出裝置如圖1所示，主要由蒸汽罩、主蒸汽管、副蒸汽管、消毒針和支撐架組成，主副蒸汽管由支撐架固定并安裝在消毒罩內(nèi)，消毒針安裝在副蒸汽管上。蒸汽罩及各器件為不銹鋼材質(zhì)以防止水蒸氣的腐蝕。根據(jù)三七種植基地的農(nóng)藝要求，單行試驗(yàn)田幅寬為1.5 m，為了留有作業(yè)余量，確定蒸汽罩尺寸為1.4 m×1.0 m，罩厚1.5 mm，根據(jù)消毒針長(zhǎng)度確定蒸汽罩高100 mm。

圖1 蒸汽輸出裝置示意圖Fig.1 Schematic of steam output device1.副蒸汽管 2.消毒針 3.支撐架 4.主蒸汽管 5.蒸汽罩

1.2 消毒針設(shè)計(jì)

消毒針是蒸汽消毒機(jī)實(shí)現(xiàn)土壤蒸汽消毒的核心部件，考慮到土壤的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且消毒針內(nèi)部為高溫高壓的水蒸氣[25]，所以消毒針采用強(qiáng)度高、耐熱、耐腐蝕的20鋼精密無(wú)縫鋼管，其結(jié)構(gòu)和尺寸如圖2所示。

圖2 消毒針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Disinfection needle structure diagram

消毒針通過(guò)螺紋與副蒸汽管連接，插入土壤中的有效深度為200 mm。針頭采用淬火工藝來(lái)提高其硬度和耐磨性，從而保證了消毒針在土壤消毒作業(yè)過(guò)程中保持較長(zhǎng)的使用壽命。

2 仿真

2.1 土壤參數(shù)獲取

為了獲取三七種植的土壤相關(guān)參數(shù)，2018年3月22日在石林基地三七仿生種植工廠進(jìn)行了土樣的采集。試驗(yàn)田長(zhǎng)45 m，寬1.5 m，用環(huán)刀每隔5 m在試驗(yàn)田兩側(cè)各取一土樣，共取20個(gè)，標(biāo)號(hào)1～20，用環(huán)刀盒和試樣袋密封以減小水分蒸發(fā)，從而進(jìn)行土壤參數(shù)測(cè)量及計(jì)算。根據(jù)指測(cè)法確定土壤的質(zhì)地為沙壤土。

2.2 水蒸氣出口流速

蒸汽發(fā)生裝置選用LHSO.2-0.7-Y(Q)型蒸汽發(fā)生器(張家港市尚億熱能設(shè)備有限公司)，其額定蒸發(fā)量為0.2 t/h，蒸汽軟管直徑為33 mm，其飽和水蒸氣通過(guò)蒸汽管的出口流速計(jì)算式為[23-24]

(1)

式中ρ——水蒸氣密度，kg/m3

uw——水蒸氣流速，m/s

t——時(shí)間，取1 h

d——蒸汽軟管直徑，mm

由式(1)求得出口流速為uw=22.2 m/s。

2.3 仿真及參數(shù)設(shè)置

選用ICEM軟件對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格單元數(shù)為551 398個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為100 040個(gè)，選用Fluent仿真軟件對(duì)消毒針內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行流體力學(xué)仿真，確定消毒針內(nèi)水蒸氣的流速、壓強(qiáng)及溫度的變化，進(jìn)行仿真設(shè)置，檢驗(yàn)設(shè)置是否正確，開(kāi)始仿真。測(cè)得土壤參數(shù)及仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。網(wǎng)格圖如圖3所示。

表1 模擬參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameter setting

圖3 消毒針網(wǎng)格圖Fig.3 Disinfection needle grid diagram

2.4 消毒針內(nèi)部及孔口流速分析

消毒針內(nèi)部流速仿真結(jié)果如圖4所示，從圖4a中可以看出，當(dāng)進(jìn)口速度與壓力一定時(shí)，消毒針內(nèi)部上方蒸汽流速介于40～60 m/s，而消毒針下方蒸汽流速在20 m/s以下，從圖4b中可以直觀看出消毒針內(nèi)部上方蒸汽流速遠(yuǎn)大于下方的蒸汽流速。

圖4 消毒針內(nèi)部流速場(chǎng)及速度矢量圖Fig.4 Internal velocity field and velocity vector of disinfection needle

消毒針從上到下的孔口(孔口1、孔口2、孔口3、孔口4)蒸汽出口流速矢量圖如圖5所示。從圖中可以看出，越下方的孔口，速度矢量箭頭顏色越淺，蒸汽流速越低?？卓谡羝魉僮畹蜑?3 m/s，最高可達(dá)264 m/s，而入口設(shè)置流速為22.2 m/s，說(shuō)明消毒針內(nèi)部構(gòu)造有增大孔口出口流速的作用。

圖5 孔口流速矢量圖Fig.5 Diagram of orifice flow vector

蒸汽流速越大，蒸汽噴射距離越遠(yuǎn)，土壤加熱效果越好，可以預(yù)知上層土壤加熱效果優(yōu)于下層土壤。

2.5 消毒針內(nèi)部壓強(qiáng)及溫度變化

圖6 消毒針內(nèi)部壓力及溫度Fig.6 Internal pressure and temperature of disinfection needle

消毒針內(nèi)部壓力變化如圖6a所示，消毒針內(nèi)部壓力小幅增大，增幅最大為0.014 MPa，最大值為0.114 MPa，孔口處壓力減小至0.102 MPa但依然大于進(jìn)口壓力；由于壓力增大，消毒針內(nèi)部蒸汽溫度也小幅增大，并在孔口處降溫到100℃附近，如圖6b。

3 土壤熱傳導(dǎo)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)裝置

為了探究土壤的升溫規(guī)律，進(jìn)行了土壤熱傳導(dǎo)試驗(yàn)。根據(jù)三七種植基地的農(nóng)藝要求及前期工作研究，設(shè)計(jì)出一種試驗(yàn)裝置，如圖7所示。試驗(yàn)裝置有4根消毒針，每根消毒針的最大輻射半徑為125 mm，消毒深度為200 mm，消毒時(shí)長(zhǎng)為10 min。蒸汽發(fā)生器的試驗(yàn)參數(shù)為：額定蒸發(fā)量為200 kg/h，額定壓力為0.1 MPa，出口飽和水蒸氣溫度為99℃。

圖7 試驗(yàn)裝置及其管道布局示意圖Fig.7 Experimental device and its pipeline layout1.蒸汽罩殼 2.消毒針 3.主蒸汽管 4.副蒸汽管

為了防止主副蒸汽管破裂而造成蒸汽損失和安全隱患，對(duì)其管道壁厚進(jìn)行了理論計(jì)算，公式為

(2)

(3)

式中δ1——主蒸汽管道理論壁厚，mm

pd——管道的計(jì)算壓力，MPa

D0——主蒸汽管道管道外徑，mm

[σ]——鋼管在計(jì)算溫度下的基本許用應(yīng)力，MPa

Φ——基本許用應(yīng)力修正系數(shù)(無(wú)縫鋼管Φ=1)

δ2——消毒針管道理論壁厚，mm

D1——消毒針外徑，mm

由于消毒針頂部需要焊接以及加工螺紋，壁厚不能低于1.5 mm，所以確定主副蒸汽管道和消毒針壁厚為2 mm，試驗(yàn)裝置參數(shù)如表2所示。

3.2 試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)土槽為長(zhǎng)705 mm、寬450 mm、高300 mm的箱體，在試驗(yàn)土槽兩側(cè)從下至上依次在距離箱底5、65、125、185 mm處各開(kāi)一個(gè)孔位，在孔位中各插入四通道HT9815型溫度傳感器(鴻泰儀表有限公司)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的溫度檢測(cè)，如圖8所示，探究土壤升降溫的普遍規(guī)律及檢驗(yàn)仿真試驗(yàn)的正確性。

表2 試驗(yàn)裝置參數(shù)Tab.2 Experimental device parameters mm

圖8 土壤熱傳導(dǎo)試驗(yàn)Fig.8 Soil heat transfer experiment

在含水率為19%、土壤孔隙度為16%、土壤初始溫度為13℃的情況下，蒸汽發(fā)生器開(kāi)啟，當(dāng)消毒針孔口開(kāi)始有水蒸氣時(shí)，將試驗(yàn)裝置插入土壤中，開(kāi)始計(jì)時(shí)，在10 min后斷絕水蒸氣來(lái)源，進(jìn)行3組試驗(yàn)求平均值，不同土層試驗(yàn)升溫情況如表3所示。

表3 不同土層溫度變化情況Tab.3 Different soil layers test heating rate ℃

由表3可以看出，試驗(yàn)進(jìn)行5 min后，試驗(yàn)土壤各層溫度都已經(jīng)達(dá)到90℃，底層185 cm處土壤加熱較慢；這與仿真分析預(yù)測(cè)結(jié)果一致，即由于消毒針下方孔口流出速度較慢導(dǎo)致土壤加熱效率低。10 min后土壤開(kāi)始降溫，相同起始溫度下，表層5 cm處土壤和底層185 cm處土壤熱量散失最快，但土壤仍能將溫度保持在90℃以上5～10 min。為整機(jī)的實(shí)際田間作業(yè)效率和可行性提供了理論依據(jù)。

4 正交試驗(yàn)及驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果

為了探究消毒針孔口結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)土壤升溫到90℃所需時(shí)長(zhǎng)的影響及確定消毒針孔口最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，選取消毒針單側(cè)孔口數(shù)量(A)、孔口直徑(B)和水蒸氣出射角(C)為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素選取4個(gè)水平，土壤升溫到90℃所需時(shí)間作為試驗(yàn)指標(biāo)，采用L16(45)正交表進(jìn)行土槽試驗(yàn)，因素水平如表4所示。水蒸氣出射角示意圖如圖9所示，以主蒸汽管為0°線。

表4 試驗(yàn)因素水平Tab.4 Factors and levels of orthogonal test

圖9 水蒸氣出射角示意圖Fig.9 Schematics of steam exit angle

試驗(yàn)結(jié)果如表5所示，X1、X2、X3為孔口數(shù)量、孔口直徑、水蒸氣出射角水平值。由極差分析得出因素對(duì)土壤升溫到90℃時(shí)長(zhǎng)的影響主次順序?yàn)閱蝹?cè)孔口數(shù)量A、孔口直徑B、水蒸氣出射角度C。應(yīng)用Design-Expert軟件對(duì)試驗(yàn)因素進(jìn)行方差分析，如表6所示。結(jié)果表明單側(cè)孔口數(shù)量A對(duì)時(shí)長(zhǎng)影響極顯著(P<0.01)，孔口直徑B對(duì)時(shí)長(zhǎng)影響顯著(P<0.05)，水蒸氣出射角C對(duì)時(shí)長(zhǎng)影響不顯著(P>0.05)。土壤升溫到90℃的時(shí)長(zhǎng)越短，消毒針結(jié)構(gòu)加熱效果越好。由Design-Expert軟件自動(dòng)分析出消毒針最優(yōu)參數(shù)組合為：A2B2C2，即單側(cè)孔口數(shù)量為4個(gè)、孔口直徑為2 mm、水蒸氣出射角為45°。

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化后的消毒針結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，選取單側(cè)孔口數(shù)量為4個(gè)，孔口直徑為2 mm，水蒸氣出射角度為45°，在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)，共重復(fù)3次，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證得到土壤升溫到90℃所需時(shí)間為116 s。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Tab.5 Experimental scheme and results

表6 方差分析結(jié)果Tab.6 Results of variance analysis

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

5 消毒針數(shù)量分析

為了優(yōu)化消毒針數(shù)量及排布方式，為整機(jī)的制造提供理論基礎(chǔ)，進(jìn)行16、25、36、49、64根針布置比較，即縱向×橫向?yàn)?×4、5×5、6×6、7×7、8×8的布局，消毒針橫向間距依次為375、300、250、215、188 mm，對(duì)不同的技術(shù)方案進(jìn)行仿真，觀測(cè)土壤的升溫情況，從而得出最優(yōu)的消毒針數(shù)量參數(shù)。試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)消毒針8×8布局水蒸氣熱能利用不完全且對(duì)整機(jī)的工藝要求極高，不予以考慮。

5.1 數(shù)值模擬

使用Fluent多孔介質(zhì)傳熱模型進(jìn)行仿真，對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行均勻劃分，土壤粘性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)由土壤特性確定，參數(shù)如表1所示，模擬時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，模擬時(shí)間為200 s。

5.2 試驗(yàn)分析

由圖10a可以看出，消毒針4×4布局時(shí)，消毒針之間間距為375 mm，由于消毒針之間間距過(guò)大，消毒針之間的土壤未被完全加熱，溫度最低處為32～37℃之間。加熱效率較低，加熱時(shí)間較長(zhǎng)。由圖10b可以看出，消毒針5×5布局時(shí)，由于消毒針間距離縮小，土壤中心溫度有所提升，但加熱效率仍然很低，溫度最低處為37～42℃之間。由圖10c可以看出，消毒針6×6布局時(shí)，土壤溫度升溫明顯，大部分區(qū)域溫度在90～97℃之間，土壤升溫速度較快，加熱效率較高。由圖10d可以看出，當(dāng)消毒針7×7排布時(shí)，土壤全部區(qū)域已經(jīng)達(dá)到90℃以上，加熱效率高，完全符合三七土壤消毒的要求，但7×7排布時(shí)，雖然水蒸氣對(duì)土壤的加熱效果最好，但是消毒針過(guò)多。為保證水蒸氣消毒機(jī)整機(jī)的精簡(jiǎn)程度，選取消毒針6×6布局，既提高了水蒸氣的加熱效率，又精簡(jiǎn)了機(jī)器的結(jié)構(gòu)。

圖10 消毒針布局方式Fig.10 Disinfection needle layouts

6 土壤成分變化分析

為了探究土壤水蒸氣消毒對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)和pH值的影響，分別采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法和電位法對(duì)消毒前后的土樣有機(jī)質(zhì)含量和pH值進(jìn)行測(cè)量，觀測(cè)其變化情況。

6.1 土壤有機(jī)質(zhì)含量變化

配置含碳量為0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 mg的對(duì)比液，測(cè)出吸光度，并繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線，如圖11所示。得出線性回歸方程為

y=0.014 33x-0.001 32

(4)

圖11 含碳對(duì)比液標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.11 Carbon-containing contrast liquid standard curve

取消毒前箱體內(nèi)3份土樣每份1 g，分別標(biāo)定為A1、A2、A3，消毒后箱體內(nèi)3份土樣每份1 g，分別標(biāo)定為B1、B2、B3。測(cè)得消毒前后各土樣吸光度按順序分別為0.249、0.235、0.259、0.245、0.230、0.255，代入線性回歸方程(4)得到含碳量分別為17.468、16.491、18.166、17.174、16.175、17.872 mg，根據(jù)有機(jī)質(zhì)計(jì)算公式

(5)

式中SOM——土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比，g/kg

m1——標(biāo)準(zhǔn)曲線或回歸方程求得的待測(cè)液含碳量，mg

?——氧化校正系數(shù)，為1.32

μ——有機(jī)碳換算成有機(jī)質(zhì)的系數(shù)，為1.724

m——烘干土樣的質(zhì)量，g

求得有機(jī)質(zhì)含量按土樣標(biāo)號(hào)順序分別為39.752、37.528、41.34、39.082、36.808、40.672 g/kg?？梢钥闯觯臼雇寥烙袡C(jī)質(zhì)含量平均值從39.54 g/kg下降到38.854 g/kg。根據(jù)全國(guó)第二次土壤普查有機(jī)質(zhì)含量和分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)[26]，消毒過(guò)后的土壤有機(jī)質(zhì)含量仍滿足三七以及各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)要求。

6.2 土壤pH值變化

三七喜中偏酸性沙壤土，pH值以4.5～8為宜，取A1、A2、A3、B1、B2、B3土樣，將土樣研磨，并按照土水1∶2.5的比例進(jìn)行充分?jǐn)噭?，沉?5 min取上層清液，使用雷磁pHS-3C pH計(jì)進(jìn)行pH值測(cè)量，測(cè)得pH值按土樣標(biāo)號(hào)順序分別為4.84、4.82、4.82、5.52、5.55、5.51?？梢钥闯觯囼?yàn)土樣為酸性土壤，消毒后pH值小幅增加，但土壤pH值仍為酸性，符合三七生長(zhǎng)的要求。

7 結(jié)論

(1)針對(duì)三七土壤消毒的農(nóng)藝要求設(shè)計(jì)了一種針式土壤消毒裝置，通過(guò)Fluent流體力學(xué)仿真模型驗(yàn)證消毒針結(jié)構(gòu)的可行性。仿真結(jié)果表明，消毒針內(nèi)部構(gòu)造有增大孔口出口流速的作用，且上層孔口出流速度大于下方孔口出流速度，上層土壤加熱效果優(yōu)于下層土壤；消毒針內(nèi)部壓力和溫度增大。

(2)土壤熱傳導(dǎo)試驗(yàn)表明，在5 min以內(nèi)即可將土壤加熱到90℃，上層土壤升溫速度大于下層土壤升溫速度，驗(yàn)證了仿真試驗(yàn)的正確性；表層和底層土壤熱量散失較快，但土壤仍能將90℃以上溫度保持5～10 min。

(3)通過(guò)正交試驗(yàn)，探尋消毒針結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)土壤升溫時(shí)長(zhǎng)的影響，尋求最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，得到了消毒針最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，即單側(cè)孔口數(shù)量為4個(gè)、孔口直徑為2 mm、水蒸氣出射角為45°。此時(shí)土壤升溫到90℃時(shí)間最短，為116 s。

(4)為了優(yōu)化消毒針的排布方式，進(jìn)行了Fluent多孔介質(zhì)傳熱仿真，仿真結(jié)果表明，消毒針的最佳排布方式為6×6，最佳數(shù)量為36根，間距為250 mm。

(5)通過(guò)水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法和電位法測(cè)量土壤消毒前后的有機(jī)質(zhì)含量和pH值，結(jié)果表明，消毒后土壤有機(jī)質(zhì)含量平均值降低、pH值增大，但仍符合三七生長(zhǎng)的要求，故水蒸氣消毒對(duì)三七土壤環(huán)境影響較小。