土壤消毒機(jī)蒸汽輸送裝置的設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬

蔣雪松，楊冬冬，潘四普，陳 青，李萍萍，周宏平

(南京林業(yè)大學(xué) a.機(jī)械電子工程學(xué)院；b.生物與環(huán)境學(xué)院，南京 210037)

0 引言

設(shè)施大棚內(nèi)長期處于潮濕、溫?zé)岬沫h(huán)境下，適宜的環(huán)境促進(jìn)了土壤中病蟲害的繁殖，尤其是專業(yè)設(shè)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(fā)，嚴(yán)重制約了設(shè)施栽培的發(fā)展[2-3]。土壤消毒是利用物理、化學(xué)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(dòng)物等病蟲害的技術(shù)，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(fā)生，保證設(shè)施栽培的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)[5-8]。相比于其他土壤消毒方法，蒸汽消毒技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它是利用高壓蒸汽，憑借高溫殺滅土壤中的病蟲害，同時(shí)提高土壤的通透性和排水性，且對(duì)環(huán)境無任何污染、消毒快速有效、長期使用不會(huì)使病蟲產(chǎn)生抗藥性及不會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)等，近年來受到了廣泛的關(guān)注[9-10]。

區(qū)別于目前各種土壤基質(zhì)消毒裝備的研究成果[11- 12]，本文在對(duì)脈沖式土壤蒸汽消毒機(jī)的概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上[13-15]，重點(diǎn)對(duì)蒸汽輸送裝置關(guān)鍵部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和土壤傳熱模型的CFD數(shù)值模擬，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)的合理性。

1 消毒機(jī)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

本設(shè)計(jì)脈沖式土壤蒸汽消毒機(jī)采用脈動(dòng)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(jī)構(gòu)[17]，整機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.蒸汽輸送裝置 2.伸縮機(jī)構(gòu) 3.升降機(jī)構(gòu) 4.電動(dòng)機(jī) 5.控制臺(tái) 6.行走裝置 7.水箱 8.蒸汽發(fā)生裝置 9.儲(chǔ)氣罐 10.發(fā)電機(jī) 11.橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)

土壤蒸汽消毒機(jī)工作時(shí)，先通過水泵由水箱向蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)供水，啟動(dòng)位于蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)的脈動(dòng)燃燒器，將水加熱蒸汽沸騰后產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入儲(chǔ)汽罐；蒸汽通過管道從儲(chǔ)汽罐上的出汽閥輸送至蒸汽輸送裝置，然后通過蒸汽盤內(nèi)部的管路輸送至注射針頭，最后注射到土壤內(nèi)部進(jìn)行消毒。汽油發(fā)電機(jī)安裝在履帶車的前端，為整個(gè)機(jī)器提供電能；控制臺(tái)安裝在土壤蒸汽消毒機(jī)中部，便于進(jìn)行操作，電動(dòng)機(jī)位于控制臺(tái)旁邊，用于驅(qū)動(dòng)液壓伸縮機(jī)構(gòu)。蒸汽發(fā)生裝置安裝在履帶車中央，脈動(dòng)燃燒器安裝在蒸汽發(fā)生裝置內(nèi)部。蒸汽輸送裝置位于履帶車的前端，通過液壓伸縮機(jī)構(gòu)和罩蓋上的轉(zhuǎn)動(dòng)副，與固定在履帶車前端的升降機(jī)構(gòu)連接。升降機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的作用下實(shí)現(xiàn)針頭的插入與拔出土壤。

2 關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)

2.1 注射針頭

考慮到土壤蒸汽消毒機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中，地質(zhì)條件和土壤的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[18]，且針頭內(nèi)部介質(zhì)是高溫水蒸汽，所以注射針頭應(yīng)采用強(qiáng)度高、耐熱性、耐腐蝕性、質(zhì)量小的材料。注射針頭結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 注射針頭結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)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(zhì)量相對(duì)較輕的特點(diǎn)；能耐高溫800°，具有加工性能好、韌性好、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛。試驗(yàn)中采用的蒸汽注射針頭是一體式設(shè)計(jì)，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(jià)較高。試驗(yàn)用針頭的8個(gè)出氣孔軸向均勻分布在針頭管壁，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，證實(shí)此設(shè)計(jì)無法滿足表層土壤和深層土壤的消毒要求，需要對(duì)出氣孔位置布局和長度進(jìn)行重新改進(jìn)。

為了保證土壤的表層、中層、深層全面達(dá)到消毒要求，采用組合式設(shè)計(jì)將針管和針頭分開設(shè)計(jì)，便于加工和維修整個(gè)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(gè)管壁上。

在實(shí)際作業(yè)過程中，發(fā)生器內(nèi)蒸汽壓力穩(wěn)定在0.4MPa左右，單位時(shí)間內(nèi)的蒸汽供應(yīng)量可達(dá)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(dòng)排掉，不會(huì)影響蒸汽的供應(yīng)。本文設(shè)計(jì)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(gè)數(shù)8個(gè)。

2.2 蒸汽盤

考慮到在實(shí)際作業(yè)過程中，地質(zhì)條件和土壤的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜[18]，土壤蒸汽消毒機(jī)針頭內(nèi)部介質(zhì)是高溫水蒸汽，所以注射針頭應(yīng)采用強(qiáng)度高、耐熱性、耐腐蝕性及質(zhì)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(nèi)注入蒸汽，由蒸汽罩蓋、蒸汽輸送管路和注射針頭構(gòu)成。工作時(shí)，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(jù)設(shè)計(jì)要求，消毒機(jī)工作效率為8～10m2/h，通過多針頭土壤傳熱試驗(yàn)研究得出對(duì)基質(zhì)土壤的消毒時(shí)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(shè)計(jì)時(shí)，要求設(shè)施園藝用土壤蒸汽消毒機(jī)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(nèi)部采用隔熱保溫材料，外部設(shè)計(jì)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(dāng)針頭間距設(shè)計(jì)為200mm時(shí)，針頭作用區(qū)域內(nèi)會(huì)出現(xiàn)熱量傳遞盲區(qū)，如圖3所示。根據(jù)前面試驗(yàn)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(qū)域的消毒要求。因此，采用針頭間距的設(shè)計(jì)為140mm時(shí)，針頭周圍的土壤區(qū)域內(nèi)沒有傳熱盲區(qū)，如圖4所示。當(dāng)針頭間距小于140mm時(shí)，土壤傳熱效果會(huì)更好，但會(huì)增加能耗、降低生產(chǎn)率。因此，最佳針頭間距設(shè)計(jì)為140mm。

圖3 針頭間距200mm

圖4 針頭間距140mm

2.2.3 針頭數(shù)目的確定

試驗(yàn)時(shí)，單個(gè)針頭的蒸汽供應(yīng)量為2.6kg/h,但在這種工況下，并非0～25cm深度范圍內(nèi)所有區(qū)域均滿足消毒要求，這就要求在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)考慮增加單位時(shí)間內(nèi)每個(gè)針頭的蒸汽供應(yīng)量。在實(shí)際工作中，土壤蒸汽消毒機(jī)蒸汽產(chǎn)生量為100～150kg/h，本文設(shè)計(jì)針頭數(shù)量為36個(gè)，呈均勻排布，單個(gè)針頭蒸汽供應(yīng)量介于2.78～4.17kg/h范圍內(nèi)，消毒效果比試驗(yàn)時(shí)更佳。

2.2.4 蒸汽盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

蒸汽盤結(jié)構(gòu)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(gè)針頭且結(jié)構(gòu)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(nèi)部采用隔熱保溫材料，外部設(shè)計(jì)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(shí)際生產(chǎn)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(shè)計(jì)，兩者之間采用螺紋連接裝配。

3 CFD數(shù)值模擬與驗(yàn)證

3.1 CFD數(shù)值模擬

蒸汽輸送裝置的注射針頭結(jié)構(gòu)改進(jìn)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(gè)空間進(jìn)入到土壤中。改進(jìn)后單個(gè)針頭與周圍土壤傳熱模型的計(jì)算域示意圖，如圖6所示。

經(jīng)過Fluent軟件的數(shù)值計(jì)算，可以更加直觀地模擬出注射蒸汽對(duì)周圍土壤溫度場分布的影響情況。仿真計(jì)算結(jié)束后，需要首先通過和試驗(yàn)數(shù)據(jù)作對(duì)比來驗(yàn)證模型是否準(zhǔn)確。在蒸汽壓力0.4MPa、蒸汽供應(yīng)量2.6kg/h的工況下，持續(xù)施加蒸汽7min后停留35min，利用溫度傳感器進(jìn)行土壤溫度測(cè)試與數(shù)值模擬。圖7為Fluent運(yùn)行7min時(shí)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(qū)域土壤可以達(dá)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(jié)構(gòu)改進(jìn)后計(jì)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(cè)試組各點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模擬數(shù)值。表1是各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比表，測(cè)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(yàn)值與模擬值的對(duì)比表

續(xù)表(a) ℃

(b) 測(cè)試組2 ℃

圖8為Fluent模擬得到的數(shù)值和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比折線圖。由圖8可看出：兩種結(jié)果曲線變化趨勢(shì)一致，最大溫差處的相對(duì)誤差為8.7%，出現(xiàn)在測(cè)試組2的1cm深度處，其他相對(duì)誤差均小于5%。由于試驗(yàn)時(shí)存在熱量的損失及土壤內(nèi)部實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果存在誤差是在所難免的，但就兩者的結(jié)果所體現(xiàn)的各測(cè)試深度的溫度分布趨勢(shì)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(yīng)用于其他工況下的數(shù)值模擬計(jì)算。

(a) 測(cè)試組1

(b) 測(cè)試組2

4 結(jié)論

基于土壤蒸汽消毒機(jī)總體設(shè)計(jì)，對(duì)蒸汽輸送裝置的主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括針頭結(jié)構(gòu)、蒸汽管路的布局及蒸汽罩蓋的設(shè)計(jì)。在通蒸汽7min、蒸汽壓力0.4MPa、蒸汽供應(yīng)量2.6kg/h的工況下，進(jìn)行了土壤傳熱模型的CFD數(shù)值模擬。數(shù)值模擬與測(cè)試的結(jié)果一致，驗(yàn)證了土壤消毒機(jī)蒸汽輸送裝置的結(jié)構(gòu)合理性，保證了土壤消毒中蒸汽輸送裝置的傳熱效果。