蒸汽消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)紅壤消毒加熱效率的影響

張毅杰 ，宋 悅 ，楊振杰 ,3※，楊文彩 ，MUHAMMAD Ameen ，陳 近 ，王 東 ，黃國(guó)亮

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 昆明 650201；3.云南省作物生產(chǎn)與智慧農(nóng)業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 昆明 650201）

0 引 言

近年來(lái)，土壤連作障礙問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，特別是根莖類藥用植物，如云南三七、天麻等。土壤蒸汽消毒技術(shù)是解決連作障礙問(wèn)題的有效手段之一，該技術(shù)通過(guò)將高溫蒸汽通入土壤中，使土壤逐漸升溫，從而殺滅土壤中有害真菌、細(xì)菌等[1-4]。已有學(xué)者研究得出，當(dāng)土壤溫度達(dá)到60～80 ℃且保持30 min，即可殺滅土壤中大多數(shù)有害真菌、細(xì)菌和昆蟲等[1-4]。

注入式蒸汽消毒法屬于常見(jiàn)的物理消毒方法[3]，即蒸汽借助消毒管通入深層土壤中進(jìn)行高溫殺菌。在國(guó)外，GAY等[5]在沙壤土中開(kāi)展了注入式蒸汽消毒試驗(yàn)，選取了空心圓柱鐵管作為消毒管，該消毒管的壁厚為2 mm，直徑為21 mm，長(zhǎng)度為250 mm，試驗(yàn)表明當(dāng)消毒時(shí)長(zhǎng)為8 min時(shí)，可使層深160 mm的土壤溫度達(dá)到80 ℃；MICHELE等[6]在GAY等的基礎(chǔ)上，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一種帶式蒸汽消毒機(jī)，該消毒機(jī)可以使層深25 mm處的土壤溫度達(dá)到63 ℃。在國(guó)內(nèi)，許永福等[7]設(shè)計(jì)了一款刺罩式土壤蒸汽消毒機(jī)，刺罩內(nèi)布置了20個(gè)管徑為40 mm、長(zhǎng)度為320 mm的針刺，采用該裝置開(kāi)展了不同病原菌和作物種子的蒸汽消毒試驗(yàn)，試驗(yàn)表明土壤溫度達(dá)到80 ℃且保溫20 min后可起到有效消毒殺菌的作用；王鳳花等[8]開(kāi)展了沙壤土條件環(huán)境下，蒸氣消毒針結(jié)構(gòu)的優(yōu)化研究，結(jié)果表明優(yōu)化后的消毒管能在10 min內(nèi)將層深15～20 cm的土壤加熱至90 ℃，滿足三七作物的農(nóng)藝要求。

由以上研究可知，蒸汽消毒機(jī)末端與土壤直接作用的消毒管是決定蒸汽熱質(zhì)傳遞的關(guān)鍵通路，而其結(jié)構(gòu)參數(shù)是影響這一通路熱傳導(dǎo)有效性的關(guān)鍵因素。然而，以上學(xué)者并未針對(duì)云南紅壤土質(zhì)特性，開(kāi)展基于特定土壤孔隙結(jié)構(gòu)的土壤消毒加熱效率研究，也未從消毒管周（軸）向等結(jié)構(gòu)參數(shù)更深入評(píng)測(cè)蒸汽消毒加熱效率?；诖?，本文首先針對(duì)云南紅壤土，利用圖像處理技術(shù)建立真實(shí)土壤孔隙結(jié)構(gòu)模型；其次，仿真模擬了消毒管內(nèi)部流場(chǎng)和土壤蒸汽消毒過(guò)程；最后，以土壤平均溫度達(dá)到80 ℃的時(shí)間為評(píng)價(jià)指標(biāo)，開(kāi)展多因素土壤蒸汽消毒試驗(yàn)，優(yōu)化最佳消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)（即孔徑、軸向和軸向孔數(shù)等），以期為解決土壤連作障礙問(wèn)題提供有效技術(shù)方案，并為智能土壤蒸汽消毒裝備研制提供理論指導(dǎo)。

1 云南紅壤土模型構(gòu)建

1.1 試驗(yàn)材料與裝置

供試云南紅壤土采自云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山試驗(yàn)基地（東經(jīng)102°45'5''，北緯25°8'7''）。土壤耕作會(huì)產(chǎn)生大小不一的土壤團(tuán)聚體，進(jìn)而形成不同的土壤孔隙結(jié)構(gòu)。一般蒸汽消毒前需要對(duì)連作產(chǎn)生的板結(jié)土壤進(jìn)行精細(xì)旋耕，旋耕作業(yè)后大約有50%的土壤團(tuán)聚體粒徑小于2 mm[9]，同時(shí)為保證相同試驗(yàn)條件，故需對(duì)土壤試樣過(guò)2 mm篩備用[9]，其物理參數(shù)如表1所示[10]。

表1 土壤物理特性參數(shù)Table 1 Parameters of soil physical properties

圖像采集平臺(tái)由工業(yè)相機(jī)、光源、透明土槽、升降臺(tái)、相機(jī)支架和電腦等組成，如圖1所示。

圖1 圖像采集平臺(tái)Fig.1 Image acquisition platform

1.2 試驗(yàn)方法

土壤由土壤顆粒、團(tuán)聚體和孔隙組成，為還原真實(shí)的土壤團(tuán)聚體和孔隙結(jié)構(gòu)[11-12]，需要將連續(xù)土壤模型進(jìn)行離散化處理。采用矢量化處理方法對(duì)土壤試樣切片進(jìn)行處理，根據(jù)前期學(xué)者的研究[9]，構(gòu)建出長(zhǎng)×寬為200 mm×200 mm的土壤切片模型。具體方法是將土壤樣品填充在透明土槽（240 mm×240 mm×240 mm）中，借助圖像采集系統(tǒng)獲取土壤垂直切片圖；運(yùn)用圖像處理技術(shù)對(duì)切片圖進(jìn)行標(biāo)定、二值化、降噪、腐蝕膨脹和分水嶺分割處理[13-15]。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

整體土壤建模過(guò)程如圖2所示，土壤原始圖像標(biāo)定后為圖2a，離散處理后的土壤切片見(jiàn)圖2b。

圖2 土壤切片模型Fig.2 Soil slice model

將圖2a進(jìn)行圖像處理后轉(zhuǎn)換為矢量圖形（圖2b）并進(jìn)行優(yōu)化編輯[16-17]，圖2b中土壤孔隙為有色區(qū)域，土壤團(tuán)聚體為白色區(qū)域。本試驗(yàn)構(gòu)建的真實(shí)土壤孔隙結(jié)構(gòu)模型為后續(xù)蒸汽消毒傳熱模擬奠定基礎(chǔ)。

2 蒸汽消毒管的設(shè)計(jì)

2.1 蒸汽消毒管的結(jié)構(gòu)參數(shù)

消毒管選用抗壓強(qiáng)度高、耐高溫和耐腐蝕的20無(wú)縫鋼[18-19]。由土壤耕作層深0～200 mm[20]可知，消毒管的長(zhǎng)度應(yīng)大于200 mm，本文選用長(zhǎng)250 mm、壁厚2 mm[8]、內(nèi)徑16 mm的消毒管。為保證消毒時(shí)蒸汽均勻擴(kuò)散，出氣孔的位置按照均布原則進(jìn)行軸（周）向布置，消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)示意如圖3所示。

圖3 消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖Fig.3 Schematic diagram of the disinfection pipe

圖3中消毒管主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表達(dá)式為

式中La為軸向孔間距，mm；l1為螺紋連接段長(zhǎng)度，mm；l2為軸向第1個(gè)出氣孔距離消毒管底端的距離，mm；na為沿X軸向孔數(shù)；ɑc為周向孔間角，rad；nc為繞X軸周向孔數(shù)。設(shè)定l1=30 mm，l2=20 mm，na和nc取值均為1、2、3和4。

2.2 蒸汽消毒管的壓力校核

選用杭州句紅得公司生產(chǎn)的型號(hào)為L(zhǎng)DR0.004-0.7蒸汽鍋爐（額定蒸發(fā)量為4 kg/h、額定溫度為171 ℃、最大壓力 0.7 MPa）。通過(guò)鋼管承受壓力計(jì)算式（3）[18]，可計(jì)算得到該消毒管的承受壓力為10.25 MPa，遠(yuǎn)大于蒸汽鍋爐的最大壓力，故該鋼管承受壓力符合條件。

式中p為消毒管承受的壓力，Pa；c為壁厚，mm；σm為20無(wú)縫鋼抗拉強(qiáng)度，MPa；D為消毒管的外徑，mm；S為安全系數(shù)，當(dāng)外部壓力小于7 MPa時(shí)取值為8。

3 單因素土壤蒸汽消毒仿真試驗(yàn)

3.1 仿真模型結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)置

參照前人研究[8-9]和注入式蒸汽消毒特點(diǎn)，為保證蒸汽充分對(duì)土壤深層進(jìn)行加熱，選取消毒管出氣孔孔徑、周向孔數(shù)、軸向孔數(shù)為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取4個(gè)水平（即出氣孔孔徑分別取1、2、3和4 mm；周向孔數(shù)分別取1、2、3和4個(gè)；軸向孔數(shù)分別取1、2、3和4個(gè)），每個(gè)水平的軸向孔間距和周向孔間角具體參數(shù)見(jiàn)圖3。

3.2 數(shù)值模擬計(jì)算

在真實(shí)土壤孔隙結(jié)構(gòu)建模基礎(chǔ)上，建立土壤蒸汽消毒模型，如圖4所示。

圖4 土壤蒸汽消毒模型示意圖Fig.4 Schematic diagram of soil stem disinfection model

選定蒸汽鍋爐的壓力為0.2 MPa，將蒸汽的流量調(diào)至為2 kg/h時(shí)，根據(jù)流速公式[21]（4）計(jì)算求得消毒管入口速度2.5 m/s；蒸汽壓力0.2 MPa對(duì)應(yīng)的蒸汽溫度為120 ℃[22]。根據(jù)土壤孔隙結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和蒸汽狀態(tài)，物理模型選用湍流模型[23-24]。

式中V為蒸汽的流速，m/s；Q為蒸汽的流量，kg/h；ρ為蒸汽的密度，kg/m3；d消毒管的內(nèi)徑，m。

由于土壤切片模型中土壤團(tuán)聚體的形狀大小不一，劃分網(wǎng)格時(shí)選用自由三角形網(wǎng)格法，網(wǎng)格頂點(diǎn)數(shù)量為395 744，單元數(shù)790 453個(gè)。

整個(gè)土壤升溫過(guò)程中主要為熱傳導(dǎo)和對(duì)流傳熱[25]，土壤表面設(shè)為隔熱層。采用Philip和De Vries多孔介質(zhì)傳熱方程[9]對(duì)土壤溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，傳熱方程見(jiàn)表達(dá)式（5）和（6），仿真模擬參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 仿真模擬參數(shù)Table 2 Simulation parameters

式中Cp為流體比熱容，J/(kg·K)；ρp為土粒密度，kg/m3；Cρ,p為土粒比熱容，J/(kg·℃)；T為絕對(duì)溫度，K；u為速度場(chǎng)，m/s；q為傳導(dǎo)熱通量，W/m2；▽為梯度算子；Qe為額外的熱源，W/m3；θp為土壤團(tuán)聚體體積分?jǐn)?shù)；1-θp為土壤孔隙度。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 消毒管內(nèi)部及出氣孔處流場(chǎng)模擬分析

消毒管內(nèi)部及出氣孔處的速度場(chǎng)分布如圖5所示。由圖5可知，出氣孔孔徑1 mm處理的最大流速可達(dá)到21.42 m/s（圖5a），出氣孔孔徑4 mm處理的最大流速僅為4.66 m/s（圖5d），即隨著出氣孔孔徑的增大，蒸汽流速逐漸減?。还軆?nèi)和4個(gè)出氣孔處的流速大小分布變化不大。

圖5 不同出氣孔孔徑對(duì)應(yīng)的消毒管內(nèi)部及出氣孔處流體模擬云圖Fig.5 Fluid simulation cloud diagram of the disinfection pipe and outlet for different outlet diameters

3.3.2 不同消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)仿真模擬分析

結(jié)合消毒管內(nèi)部流場(chǎng)分析，進(jìn)一步對(duì)土壤蒸汽消毒過(guò)程進(jìn)行單因素仿真模擬。根據(jù)前期學(xué)者的研究，大多數(shù)病菌、害蟲和雜草種子殺滅溫度在60～80 ℃[11-12]，本研究中，設(shè)定土壤溫度達(dá)到80 ℃為消毒溫度目標(biāo)。

對(duì)不同出氣孔孔徑仿真模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析可知（表3），在周向和軸向孔數(shù)為1的條件下，隨著出氣孔孔徑的增大，消毒時(shí)長(zhǎng)逐漸增加；出氣孔孔徑為1 mm的處理所用的消毒時(shí)間最短，時(shí)間為450 s；出氣孔孔徑為4 mm的處理用時(shí)最長(zhǎng)，時(shí)間為807 s；對(duì)不同周向孔數(shù)仿真模型進(jìn)行分析可知（表3），在出氣孔孔徑為1 mm和軸向孔數(shù)為1的條件下，隨著周向孔數(shù)的增加，消毒時(shí)長(zhǎng)先減小后增加；當(dāng)周向孔數(shù)為2時(shí)，消毒用時(shí)最短，時(shí)間為364 s。對(duì)不同軸向孔數(shù)仿真模擬進(jìn)行分析可知（表3），在出氣孔孔徑為1 mm和周向孔數(shù)為2的條件下，隨著軸向孔數(shù)的增加，消毒時(shí)長(zhǎng)先減小后增加；當(dāng)軸向孔數(shù)為3時(shí)，消毒用時(shí)最短，時(shí)間為416 s；當(dāng)軸向孔數(shù)為1時(shí)，消毒用時(shí)最長(zhǎng)，時(shí)間為510 s。

表3 消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)與消毒時(shí)間關(guān)系Table 3 Relationship between structural parameters of disinfection pipe and disinfection time

以總體平均溫度上升到80 ℃對(duì)應(yīng)的消毒時(shí)間為指標(biāo)，根據(jù)以上孔徑、周向和軸向孔數(shù)3個(gè)因素水平的仿真模擬可知，孔徑越小土壤升溫時(shí)間越短，因此選擇1 、2 和3 mm作為多因素的水平區(qū)間；周向孔數(shù)為2時(shí)消毒所需時(shí)間最短，前后兩個(gè)水平所需要的時(shí)間都高，因此，取水平區(qū)間1、2、3；同理，軸向孔數(shù)為3時(shí)消毒所需時(shí)間最短，故軸向孔個(gè)數(shù)的水平區(qū)間取2、3、4。

通過(guò)上述消毒管結(jié)構(gòu)參數(shù)與消毒時(shí)間分析，首先選擇出氣孔孔徑為1 mm時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)一步分析。從圖6a～6d可以看出，蒸汽在垂直方向上的擴(kuò)散速度大于水平方向的擴(kuò)散速度，溫度場(chǎng)主要呈1/4橢圓形向外擴(kuò)散；消毒后期（圖6d），土壤高溫區(qū)（80 ℃以上）的范圍主要集中在垂直方向0～-200 mm，水平方向0～150 mm。

圖6 單因素各處理對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)分布Fig.6 Temperature field distribution corresponding to each treatment of single factor

然后，選擇周向孔數(shù)為2時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，如圖6e～6h所示。由圖可以看出，溫度場(chǎng)主要以消毒管為中心呈圓形向外擴(kuò)散；消毒開(kāi)始時(shí)（圖6e），靠近消毒管處的溫度最高可達(dá)93.1 ℃，此時(shí)溫度場(chǎng)分布范圍較小，隨著消毒時(shí)間的增加，溫度場(chǎng)呈圓形分布且充滿整個(gè)消毒區(qū)域，最高溫度可達(dá)96.5 ℃（圖6h）。最后，選擇軸向孔數(shù)為3時(shí)的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行分析，如圖6i～6l所示。從圖中可以看出，消毒開(kāi)始時(shí)，蒸汽分別從軸向3個(gè)出氣孔噴出，水平范圍為0～50 mm；隨著時(shí)間的增加，軸向3個(gè)出氣孔處的溫度場(chǎng)重合，溫度場(chǎng)分布范圍為垂直方向0～-200 mm、水平方向0～150 mm，溫度場(chǎng)主要呈長(zhǎng)方形均勻向外擴(kuò)散（圖6l）。

4 多因素土壤蒸汽消毒試驗(yàn)

4.1 材料與方法

4.1.1 供試材料

供試土壤為云南紅壤土，土壤處理方法和物理特性參數(shù)與1.1節(jié)一致。土壤蒸汽消毒平臺(tái)由消毒管、0.004-0.7型號(hào)蒸汽發(fā)生裝置（杭州句紅得科技有限公司）、軟管、土壤溫度控制箱、PT100土壤溫度傳感器（濟(jì)南正妙自動(dòng)化設(shè)備有限公司）、SR20 PLC（西門子）和 TPC-7062Ti 顯示屏、球閥開(kāi)關(guān)和透明土槽（240 mm×240 mm×240 mm）等組成，如圖7所示。

圖7 土壤蒸汽消毒試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Soil steam disinfection test platform

4.1.2 試驗(yàn)方法

參考單因素土壤溫度場(chǎng)分布圖，將溫度傳感器的按照水平和垂直兩個(gè)方向布置，具體布設(shè)方式如圖8所示。使用Surfer 12軟件繪制土壤溫度垂直剖面圖，從垂直剖面圖可以得到各土壤溫度區(qū)段的分布位置。

圖8 溫度傳感器分布圖Fig.8 Temperature sensor distribution diagram

為了確定消毒管出氣孔最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)組合，以土壤總體平均溫度達(dá)到80 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的消毒時(shí)間（Y）為試驗(yàn)指標(biāo)。根據(jù)單因素仿真試驗(yàn)結(jié)果，以出氣孔孔徑（A）、周向孔數(shù)（B）和軸向孔數(shù)（C）為自變量，各因素和水平見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)因素和水平Table 4 Experimental factors and levels

4.1.3 土壤升溫速率、變異系數(shù)的計(jì)算

土壤升溫速率是反映土壤升溫速度快慢的指標(biāo)，土壤升溫速率的計(jì)算式（7）為

式中vT為土壤溫升速率，℃/s；ΔT為土壤溫度變化，℃；Δt為土壤溫度變化ΔT所用的時(shí)間，s。

土壤溫度變異系數(shù)可以衡量土壤溫度分布的均勻性，變異系數(shù)越小變異程度越小，土壤溫度的分布均勻性越好，土壤溫度變異系數(shù)的計(jì)算式（8）為

式中cvt為土壤溫度變異系數(shù)；Ds為土壤溫度標(biāo)準(zhǔn)偏差，MN為土壤平均溫度，℃。

4.2 結(jié)果與分析

4.2.1 基于Box-Behnken試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合表4，以消毒時(shí)間（Y）為響應(yīng)值，以出氣孔孔徑（A）、周向孔數(shù)（B）和軸向孔數(shù)（C）為自變量，進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn)，試驗(yàn)方案和結(jié)果見(jiàn)表5。試驗(yàn)開(kāi)始前需排除消毒管中的蒸汽冷凝水，試驗(yàn)時(shí)先將蒸汽發(fā)生裝置的壓力調(diào)節(jié)至0.2 MPa，根據(jù)式（4），將消毒管入口初始流速調(diào)節(jié)至2.5 m/s；溫度采集間隔為10 s，3次重復(fù)，取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果Table 5 Test scheme and results

從表6可知，周向孔數(shù)B和軸向孔數(shù)C對(duì)消毒時(shí)間具有極顯著性影響（P<0.01），出氣孔孔徑A影響不顯著（P>0.05）；交互項(xiàng)中的AB、BC影響顯著（P<0.01）。通過(guò)F值的分析可知，軸向孔數(shù)C對(duì)消毒時(shí)間的影響大于周向孔數(shù)B。

表6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ头讲罘治鯰able 6 ANOVA of the experimental model

4.2.2 回歸模型與交互響應(yīng)面分析

利用Design-Expert 13.0軟件對(duì)二階多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，其表達(dá)式（9）為

根據(jù)回歸模型分析結(jié)果，繪制各因素交互響應(yīng)曲面圖9。圖9a為出氣孔孔徑大小與周向孔數(shù)對(duì)消毒時(shí)間的響應(yīng)曲面圖，從9a可以看出，當(dāng)周向孔數(shù)一定時(shí)，隨著孔徑的減小，消毒時(shí)間先升高后降低；當(dāng)孔徑一定時(shí)，隨著周向孔數(shù)的增加，消毒時(shí)間逐漸降低，其中，參數(shù)組合為孔徑1 mm、周向孔數(shù)3對(duì)應(yīng)的消毒時(shí)間最短；參數(shù)組合為孔徑2 mm、周向孔數(shù)1對(duì)應(yīng)的消毒時(shí)間最長(zhǎng)。圖9b為周向孔數(shù)與軸向孔數(shù)對(duì)消毒時(shí)間的響應(yīng)曲面圖，從9b可以看出，當(dāng)周向孔數(shù)逐漸增大且軸向孔數(shù)逐漸減小時(shí)，升溫所需的時(shí)間逐漸減少，參數(shù)組合為周向孔數(shù)3、軸向孔數(shù)2對(duì)應(yīng)的消毒時(shí)間最短。

圖9 響應(yīng)面分析Fig.9 Response surface analysis

4.2.3 參數(shù)優(yōu)化與驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)消毒時(shí)間的回歸模型分析，結(jié)合Designexpert 13.0軟件給出的最優(yōu)參數(shù)組合為：出氣孔孔徑大小為1.749 mm，周向孔數(shù)為2.982，軸向孔數(shù)為2.019。為便于消毒管的加工，將優(yōu)化參數(shù)圓整為出氣孔孔徑大小為2 mm，周向孔數(shù)取為3，軸向孔數(shù)取為2，即A2B3C2。為了驗(yàn)證最優(yōu)參數(shù)的可靠性，通過(guò)仿真模擬試驗(yàn)和蒸汽消毒土槽試驗(yàn)，使用最優(yōu)參數(shù)下的消毒管進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取土壤升溫所需時(shí)間的平均值見(jiàn)表7。

表7 試驗(yàn)驗(yàn)證Table 7 Test verification

從表7可以看出，消毒時(shí)間預(yù)測(cè)值為376 s，最小誤差率為3.7%，最大誤差率為7.2%，平均誤差率為5.3%，造成該誤差的原因是：實(shí)際消毒加熱時(shí)，土槽使用的保溫棉無(wú)法避免蒸汽熱量的無(wú)效散失，進(jìn)而導(dǎo)致誤差率的產(chǎn)生。

4.2.4 土壤升溫速率、溫度變異系數(shù)、溫度場(chǎng)的分析

從消毒時(shí)間-土壤升溫速率圖10可知，各處理的土壤升溫速率隨著消毒時(shí)間的增長(zhǎng)先升高后下降，這是因?yàn)橄鹃_(kāi)始時(shí)土壤溫度為20 ℃，蒸汽溫度120 ℃，土壤和蒸汽的溫差大，故土壤升溫速度較快。隨著消毒的進(jìn)行，土壤溫度逐漸升高，蒸汽與土壤溫差逐漸變小，土壤升溫速率逐漸減低。從圖10還可以得到，各處理對(duì)應(yīng)的土壤升溫速率在消毒0～200 s時(shí)增長(zhǎng)速度最快；當(dāng)消毒200 s時(shí)，各處理的升溫速率都達(dá)到峰值；消毒200 s后的升溫速率逐漸減低，消毒加熱效率也逐漸降低。

圖10 消毒時(shí)間-土壤升溫速率曲線Fig.10 Curve of disinfection time and soil heating rate

由于軸向孔數(shù)對(duì)時(shí)間的影響大于周向孔數(shù)，結(jié)合圖10還可以看出，軸向孔數(shù)為2對(duì)應(yīng)最大升溫速率大于軸向孔數(shù)為3和4，如處理5（1,2,2）、6（3,2,2）、9（2,1,2）和10（2,3,2）對(duì)應(yīng)的最大升溫速率都大于其他處理；升溫速率最大值為0.25 ℃/s，對(duì)應(yīng)的組合為出氣孔孔徑2 mm、周向孔數(shù)3、軸向孔數(shù)2，這與響應(yīng)面分析基本一致。

從圖11可知，土壤溫度變異系數(shù)隨著消毒時(shí)間的增加先增大后減小，最后趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)橄境跗?，消毒管處的土壤溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于土壤其他位置的溫度，溫差較大，故溫度場(chǎng)分布不均勻。隨著消毒的進(jìn)行，土壤溫度逐漸升高，溫度分布逐漸趨于均勻。

圖11 消毒時(shí)間-土壤溫度變異系數(shù)曲線圖Fig.11 Curve of disinfection time and coefficient of variation of soil temperature

消毒開(kāi)始100 s時(shí)，土壤溫度變異系數(shù)基本都達(dá)到峰值，說(shuō)明此時(shí)溫度分布不均勻。隨著消毒進(jìn)行，處理10：出氣孔孔徑2 mm、周向孔數(shù)3、軸向孔數(shù)2對(duì)應(yīng)的土壤溫度變異系數(shù)值低于其他處理；消毒結(jié)束時(shí)，處理6：出氣孔孔徑3 mm、周向孔數(shù)2、軸向孔數(shù)2對(duì)應(yīng)的土壤溫度變異系數(shù)值最小，為0.18。處理11：出氣孔孔徑2 mm、周向孔數(shù)1、軸向孔數(shù)4對(duì)應(yīng)的變異系數(shù)曲線高于其他處理，溫度分布不均勻。

以處理6和10在消毒過(guò)程中土壤平均溫度達(dá)到40、60、80 ℃時(shí)的溫度分布為例。由圖12可知，消毒初期，處理6和10的溫度分布形狀和范圍差別不大（圖12a和12d），但隨著消毒的進(jìn)行，處理6對(duì)應(yīng)的高溫區(qū)（80 ℃以上）分布范圍逐漸擴(kuò)大，溫度分布逐漸均勻，且優(yōu)于處理10（圖12c和12f），這與土壤溫度變異系數(shù)的分析基本一致。

圖12 處理6和處理10土壤溫度垂直分布Fig.12 Soil temperature vertical distribution in treatment 6 and treatment 10

從圖12還可以看出，土壤溫度場(chǎng)的變化均呈長(zhǎng)方形逐漸擴(kuò)散，即溫度場(chǎng)在垂直方向上的擴(kuò)散速度比水平方向上的擴(kuò)散速度快，與仿真結(jié)果基本一致。當(dāng)土壤平均溫度達(dá)到60 ℃時(shí)，豎直方向上的高溫區(qū)域已達(dá)到土壤表面，水平方向上的高溫區(qū)域范圍為0～130 mm；當(dāng)土壤平均溫度達(dá)到80 ℃時(shí)，水平方向上的高溫區(qū)域范圍為0～150 mm，但豎直方向0～-50 mm、水平方向150～200 mm處仍有小部分區(qū)域的溫度低于60 ℃（圖12c）。綜上，后期蒸汽消毒設(shè)備對(duì)末端執(zhí)行裝置的多管間距可以取260～300 mm。

5 討 論

5.1 消毒管出氣孔孔徑對(duì)土壤消毒加熱效率的影響

根據(jù)管內(nèi)蒸汽流速模擬和單因素模擬試驗(yàn)可知，隨著出氣孔孔徑的變小，出氣孔處的蒸汽流速逐漸升高，土壤升溫到80 ℃所需的時(shí)間逐漸降低，這是因?yàn)橥寥勒羝灸M過(guò)程處于理想狀態(tài)，流速增大，蒸汽在土壤中的擴(kuò)散速度也會(huì)增大，故土壤會(huì)很快升溫到80 ℃，王鳳花等[8]也得出此結(jié)論。而多因素試驗(yàn)結(jié)果顯示出氣孔孔徑對(duì)土壤加熱升溫速率影響不顯著，這是因?yàn)閷?shí)際消毒時(shí)，由于蒸汽遇冷會(huì)形成大量液態(tài)冷凝水堵塞土壤孔隙，此外本文使用的土壤為紅壤土，土壤質(zhì)地較為黏重，透水性差[26]，過(guò)多的冷凝水會(huì)使紅壤團(tuán)聚體崩解成細(xì)小的碎屑[27-28]，進(jìn)而形成孔隙更小的土壤結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于試驗(yàn)時(shí)蒸汽初始流速（2.5 m/s）較低，最終導(dǎo)致蒸汽的擴(kuò)散能力受到嚴(yán)重影響，進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生流速（即出氣孔孔徑）對(duì)土壤加熱升溫影響不顯著[11]。而王鳳花等[8]使用的土壤為沙壤土，沙壤土的孔隙較大[29]，同時(shí)，王鳳花等使用的蒸汽初始流速（22.2 m/s）很大，蒸汽會(huì)較易在土壤中擴(kuò)散[8]。因此，針對(duì)上述問(wèn)題，今后還需對(duì)蒸汽流速和土壤類型的交互作用進(jìn)行研究，同時(shí)也需對(duì)土壤蒸汽消毒模型進(jìn)一步優(yōu)化。

5.2 消毒管出氣孔周向和軸向孔數(shù)對(duì)土壤傳熱的影響

根據(jù)單因素模擬結(jié)果，在出氣孔孔徑為1 mm和軸向孔數(shù)為1的條件下，當(dāng)周向孔數(shù)為2時(shí)，消毒所需時(shí)間最少，周向孔數(shù)為3時(shí)次之。而多因素試驗(yàn)結(jié)果顯示，在出氣孔孔徑大小為2 mm，周向孔數(shù)取為3，軸向孔數(shù)取為2時(shí)的處理組消毒加熱所需時(shí)間最少。結(jié)合單因素和多因素結(jié)果，周向孔數(shù)為2和3優(yōu)于周向孔數(shù)1。

根據(jù)單因素模擬結(jié)果，當(dāng)軸向分布3個(gè)孔時(shí)，土壤會(huì)很快加熱到80℃，這是因?yàn)?個(gè)孔均勻分布在土壤層深50～200 mm之間，故蒸汽會(huì)在土壤各層較為均勻的擴(kuò)散。但多因素試驗(yàn)結(jié)果卻顯示軸向孔數(shù)為2時(shí)，消毒加熱效果最好，這可能是因?yàn)檎羝谕寥辣砻鏌嵘⑹У脑颍弘m然消毒過(guò)程中已在土壤表面加蓋了密封罩和保溫棉，但軸向孔數(shù)為3的處理，其出氣孔在土壤層深50～200 mm之間，依然會(huì)有蒸汽擴(kuò)散到土壤表面致使熱量散失到空氣中[11-12]；而軸向孔數(shù)為2時(shí)，出氣孔集中在土壤層深100 mm以下，蒸汽主要集中在層深100 mm附近。因此，軸向孔數(shù)為2的處理，其蒸汽熱量散失少，土壤升溫速率快，消毒加熱效果好，上述分析與響應(yīng)面的分析結(jié)果一致。

結(jié)合多因素試驗(yàn)結(jié)果，周向和軸向孔數(shù)分別為3和2時(shí)，消毒加熱升溫效果好。結(jié)合響應(yīng)面分析、土壤升溫速率和土壤溫度均勻度分析結(jié)果，雖然處理6（出氣孔孔徑3 mm、周向孔數(shù)2、軸向孔數(shù)2）的溫度分布均勻性略好于處理10（出氣孔孔徑2 mm、周向孔數(shù)3、軸向孔數(shù)2），但后者平均溫度達(dá)到80 ℃所需時(shí)間最少，預(yù)測(cè)為376 s，實(shí)際為390～403 s，消毒加熱效率最高。

5.3 云南紅壤蒸汽消毒傳熱過(guò)程分析

目前，土壤溫度場(chǎng)模擬仿真已經(jīng)被大量研究，一般為便于對(duì)傳熱方程的求解，大部分土壤模型視為連續(xù)均勻的多孔介質(zhì)[8,30]，然而，實(shí)際耕作后的土壤會(huì)形成尺寸不一的土壤顆?；蛲寥缊F(tuán)聚體，故需要對(duì)連續(xù)介質(zhì)模型進(jìn)行離散化，建立真實(shí)的土壤孔隙結(jié)構(gòu)模型。本文通過(guò)圖像處理技術(shù)，建立了真實(shí)土壤孔隙結(jié)構(gòu)離散模型，為蒸汽消毒熱質(zhì)傳遞的精準(zhǔn)模擬奠定基礎(chǔ)，此外，三維土壤孔隙結(jié)構(gòu)模型也將進(jìn)一步研究。

蒸汽消毒200 s時(shí)，各處理對(duì)應(yīng)的土壤升溫速率達(dá)到峰值；消毒200 s后，消毒加熱效率逐漸降低。基于上述試驗(yàn)結(jié)果，今后還需結(jié)合土壤升溫速率變化規(guī)律指導(dǎo)后續(xù)的實(shí)際作業(yè)，即當(dāng)消毒200 s時(shí)應(yīng)逐漸減少蒸汽的流量并去除土壤中的多余水分，提高土壤孔隙的通透性[28]，之后隨著時(shí)間的增加，土壤溫度會(huì)再分布并逐漸減低，當(dāng)土壤溫度低于60 ℃時(shí)需再次增加蒸汽的流量，依次循環(huán)往復(fù)的減少和增加流量，保證土壤溫度始終在60～80 ℃，以達(dá)到高效滅菌的目的。以上結(jié)果在實(shí)際消毒作業(yè)中可為高效殺菌提供理論基礎(chǔ)。

6 結(jié) 論

1）消毒管出氣孔周向和軸向孔數(shù)對(duì)紅壤蒸汽消毒加熱效率影響極顯著（P<0.01）。消毒管最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)為出氣孔孔徑2 mm、周向孔數(shù)3、軸向孔數(shù)2，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)消毒時(shí)長(zhǎng)平均值為394 s，試驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果之間的平均誤差率為5.3%。本研究可為紅壤蒸汽消毒機(jī)消毒管的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2）各處理對(duì)應(yīng)的土壤升溫速率在消毒200 s時(shí)可達(dá)到峰值，消毒200 s后加熱效率逐漸降低。后期需結(jié)合智能控制系統(tǒng)，當(dāng)消毒200 s時(shí)應(yīng)逐漸減少蒸汽的流量，當(dāng)土壤溫度低于60 ℃時(shí)需再次增加蒸汽的流量，依次循環(huán)往復(fù)保證土壤溫度始終在60～80 ℃，以達(dá)到高效滅菌的目的。

3）各處理對(duì)應(yīng)的單管紅壤高溫區(qū)域范圍主要集中在水平方向0～150 mm，垂直方向0～200 mm。本研究可為后期蒸汽消毒裝備中的多管間距設(shè)計(jì)奠定理論研究基礎(chǔ)。