基質(zhì)土壤蒸汽消毒傳熱試驗(yàn)與分析

武玉柱 許林云 金晶 張愛(ài)琪 戴彬虎 楊冬冬

摘要：土壤消毒是設(shè)施種植中直接影響產(chǎn)量和品質(zhì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而蒸汽消毒是最環(huán)?？煽康南痉绞?，研究蒸汽在設(shè)施基質(zhì)土壤中的傳熱效果。在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)搭建基質(zhì)土壤傳熱性能測(cè)試平臺(tái)，研究出汽孔深度、蒸汽通入時(shí)間、蒸汽壓力、土壤含水率各因素對(duì)蒸汽在土壤內(nèi)傳熱效果的影響，并探究蒸汽從發(fā)生裝置產(chǎn)生至1 h之間土壤溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：當(dāng)針頭出汽孔深度為160 mm，蒸汽壓力為0.4 MPa、通入蒸汽時(shí)間為8 min時(shí)土壤傳熱效果最佳，并且土壤含水率越高，其傳熱效果越好。在最佳因素條件下，通入蒸汽時(shí)間為8 min時(shí)土壤溫度便可以迅速增長(zhǎng)到最大值，且30 min后基本能維持在60 ℃以上同時(shí)滿足殺毒要求。確定出汽孔深度、蒸汽通入時(shí)間、蒸汽壓力、土壤含水率最佳參數(shù)后，結(jié)合實(shí)際消毒要求設(shè)計(jì)出一種與可移動(dòng)式土壤蒸汽消毒機(jī)配套的罩蓋式多針頭蒸汽盤(pán)。

關(guān)鍵詞：土壤蒸汽消毒機(jī)；基質(zhì)土壤；傳熱性能；輸送裝置；多針頭蒸汽盤(pán)

中圖分類(lèi)號(hào)：S472

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2024） 06-0277-07

收稿日期：2022年6月20日

修回日期：2022年8月8日

*基金項(xiàng)目：江蘇省現(xiàn)代農(nóng)機(jī)裝備與技術(shù)示范推廣項(xiàng)目（NJ2020—19）

第一作者：武玉柱，男，1997年生，安徽宿州人，碩士；研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論。E-mail： 1770105471@qq.com

通訊作者：許林云，女，1965年生，江蘇南通人，教授，博導(dǎo)；研究方向?yàn)榱止斋@機(jī)械。E-mail： lyxu@njfu.com.cn

Test and analysis of heat transfer in steam disinfection of matrix soil

Wu Yuzhu¹， Xu Linyun^{1， 2}， Jin Jing¹， Zhang Aiqi¹， Dai Binhu¹， Yang Dongdong¹

（1. School of Mechanical and Electronic Engineering， Nanjing Forestry University， Nanjing， 210037， China;

2. Collaborative Innovation Center for Efficient Processing and Utilization of Forestry Resources，

Nanjing Forestry University， Nanjing， 210037， China）

Abstract： Soil disinfection is a key link in the planting of facilities that directly affects the yield and quality， and steam disinfection is the most environmentally friendly and reliable disinfection method， this paper studies the heat transfer effect of steam in the substrate soil of the facility. In the course of the experiment， by building a test platform for the heat transfer performance of the substrate soil， the influence of the vent depth， steam entry time， steam pressure and soil moisture content on the lateral and longitudinal heat transfer effect of steam in the soil was studied， and the variation of soil temperature with time between the generation device and 1 h was explored. The results showed that the soil heat transfer effect was the best when the needle outlet pore depth was 160 mm， the steam pressure was 0.4 MPa， and the steam inflow time was 8 min. And the higher the soil moisture content， the better the heat transfer effect was. Under the best factor conditions， the soil temperature can quickly increase to the maximum value when the steam inflow time is 8 min， and it can basically be maintained above 60 ℃ after 30 min while meeting the disinfection requirements. After determining the optimal parameters of air outlet depth， steam inflow time， steam pressure and soil moisture content， a cover-type multi-needle steam disk with a movable soil steam disinfection machine is designed according to the actual disinfection requirements.

Keywords： steam disinfection of matrix soil; gardening soils; heat transfer performance; conveyors; multi-needle steam disc

0 引言

21世紀(jì)以來(lái)，園藝產(chǎn)品因其生產(chǎn)周期短、產(chǎn)量高、效益好、市場(chǎng)需求量大等優(yōu)勢(shì)， 使得設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展過(guò)程中占據(jù)著重要地位^[1]。由于連作障礙，土壤中病原菌、蟲(chóng)卵積累^[2]，土傳病害嚴(yán)重，作物產(chǎn)量和品質(zhì)受到嚴(yán)重影響，因此土傳病害成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題^[3-5]，近年來(lái)為了防治土傳病害，各種消毒技術(shù)被廣泛應(yīng)用，根據(jù)消毒原理，消毒技術(shù)一般分為物理法、化學(xué)法、生物法等^[6]?；瘜W(xué)消毒法在使用時(shí)會(huì)污染環(huán)境，產(chǎn)生抗藥性，生物消毒法消毒過(guò)程緩慢，效果難以確定，而物理消毒法對(duì)環(huán)境友好，其中又以蒸汽消毒法最為理想，蒸汽消毒法對(duì)環(huán)境無(wú)污染、效率高、消毒效果好、不會(huì)使病蟲(chóng)害產(chǎn)生抗藥性^[7-9]，因此蒸汽消毒越來(lái)越受到重視和青睞。

蒸汽消毒主要包括地表覆膜蒸汽消毒、真空深層蒸汽消毒和綜合蒸汽消毒等方法^[10]，但地表覆膜蒸汽消毒工序繁多，效率低；真空深層蒸汽消毒需要布置管路成本高勞動(dòng)力較大，因此本文擬設(shè)計(jì)一種可移動(dòng)式蒸汽消毒機(jī)應(yīng)用于設(shè)施園藝中，蒸汽消毒機(jī)的蒸汽輸送裝置將蒸汽輸送到末端裝置，一般為針式結(jié)構(gòu)。工作時(shí)，針頭插入土壤，蒸汽通過(guò)針頭上的出汽孔施放到土壤中，因此與施放蒸汽相關(guān)的針頭結(jié)構(gòu)各參數(shù)是影響設(shè)施園藝基質(zhì)土壤傳熱特性的關(guān)鍵參數(shù)。

土壤中的大多數(shù)植物病原細(xì)菌可在60 ℃溫度條件下、10 min內(nèi)被殺死，線蟲(chóng)對(duì)熱也十分敏感，大部分在50 ℃、15 min即可殺死，真菌處于60 ℃、30 min即死亡，大部分的細(xì)菌與害蟲(chóng)都存在距地面10～20 cm深的土壤處，因此對(duì)于設(shè)施園藝的土壤消毒溫度在60 ℃保持30 min即可滿足消毒要求。

土壤作為一種典型的多孔介質(zhì)，其傳熱過(guò)程極其復(fù)雜^[11]，大量的研究人員通過(guò)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和建立模型研究了不同條件下土壤的溫度變化分布規(guī)律以及影響土壤傳熱效果的因素^{[12， 13]}。范愛(ài)武等^[14]對(duì)植物生長(zhǎng)所用的土壤中熱、濕、氣、肥的遷移機(jī)理及規(guī)律進(jìn)行研究，利用多孔介質(zhì)傳熱模型，對(duì)圓柱土壤模型的溫度變化情況進(jìn)行分析，研究發(fā)現(xiàn)周?chē)沫h(huán)境溫度、風(fēng)速、太陽(yáng)輻射等因素對(duì)土壤的溫度分布影響很大，土壤的溫度隨著深度的增加，影響的范圍逐漸減小。張玲^[15]將地下土壤與黃沙混合后進(jìn)行熱導(dǎo)率試驗(yàn)，并指出土壤的導(dǎo)熱性隨著土壤含水率的提高而增強(qiáng)，受密度影響比較小，并且建立了土壤一維熱濕傳遞模型，研究發(fā)現(xiàn)溫度變化的范圍隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)增加速度變緩。于博晨等^[16]利用分層巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)對(duì)分層土壤地埋管傳熱模型進(jìn)行研究，分析得出不同深度土壤的熱物性具有差異，中下層土壤傳熱特性相對(duì)上層較好。蘇宇^[17]采用數(shù)值模擬的方法分析壓砂地在覆砂條件下的土壤熱擴(kuò)散率，結(jié)果表明土壤深度與土壤傳熱率存在一定的關(guān)系，不同深度的土壤距熱源距離不同，導(dǎo)致各深度土壤含水率不均勻，隨著土壤深度的增加，含水率升高，土壤傳熱效率也逐漸增大。

現(xiàn)有對(duì)土壤傳熱的研究主要針對(duì)普通園土，并未針對(duì)設(shè)施園藝環(huán)境下的基質(zhì)土壤，為設(shè)計(jì)一種與可移動(dòng)針式蒸汽消毒機(jī)配套的針式蒸汽盤(pán)，保證土壤內(nèi)溫度分布的均勻性，并滿足蒸汽消毒殺蟲(chóng)殺菌要求，需要對(duì)針頭出汽孔深度、蒸汽輸送時(shí)間、蒸汽發(fā)生裝置的蒸汽壓力等因素進(jìn)行研究，建立基質(zhì)土壤蒸汽傳熱試驗(yàn)系統(tǒng)，優(yōu)選出最佳土壤消毒效果參數(shù)，為整個(gè)蒸汽盤(pán)的設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 蒸汽施放針

根據(jù)土壤中絕大部分病蟲(chóng)害與細(xì)菌存在距地面100～200 mm深處，設(shè)計(jì)試驗(yàn)用的蒸汽施放針總長(zhǎng)度225 mm，如圖1所示，針頭材料選擇304不銹鋼，插入土壤中的有效長(zhǎng)度為190 mm，針管外徑為Φ16 mm，壁厚為1.5 mm，出汽孔置于160 mm處，共設(shè)置8個(gè)出汽孔，周向均勻分布，孔徑為Φ1 mm。

1.2 土壤要求

設(shè)施園藝中的土壤為基質(zhì)土壤，與一般大田里土壤不同?；|(zhì)土壤是一種有機(jī)栽培基質(zhì)營(yíng)養(yǎng)土，具有保肥、透氣性能好、病蟲(chóng)危害輕等特點(diǎn)?；|(zhì)分為無(wú)土基質(zhì)與土壤基質(zhì)，無(wú)土基質(zhì)有珍珠巖、蛭石陶粒、泥炭土等，土壤基質(zhì)有砂土、黏土、壤土。本次試驗(yàn)采用基質(zhì)土壤主要由泥炭、黏粒、珍珠巖、蛭石等按比例混合而成。放置在木板制作的70 cm×70 cm×60 cm的木箱內(nèi)，土壤高度為40 cm。

1.3 溫度測(cè)點(diǎn)布置

因蒸汽從針頭出汽孔施放出來(lái)后，以針頭為中心向四周進(jìn)行擴(kuò)散，為確定蒸汽在土壤中的傳播及溫度響應(yīng)情況，只取一個(gè)側(cè)面進(jìn)行測(cè)點(diǎn)布置，即可確定圍繞針頭四周的溫度分布情況。

測(cè)點(diǎn)分布如圖2所示，圖中15個(gè)點(diǎn)分別表示15個(gè)測(cè)點(diǎn)，分布在同一平面上，垂直分為3列，每列之間水平距離為50 mm；每列分布5個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩兩之間距離為50 mm，每列第一個(gè)測(cè)點(diǎn)置于表面土壤下10 mm處，最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)放在出汽孔下方50 mm處，便于檢測(cè)蒸汽向下傳熱時(shí)的溫度響應(yīng)。所有測(cè)點(diǎn)按距針頭距離及深度位置進(jìn)行編號(hào)，第一列為：1-1，1-2，…，1-5；第二列為：2-1，2-2，…，2-5；第三列為：3-1，3-2，…，3-5。

1.4 針頭出汽孔深度布置

為確定最佳的蒸汽施放深度，將圖1所示的針頭插入土壤不同深度位置處，使出汽孔深度設(shè)定為60 mm、110 mm、160 mm。

1.5 蒸汽發(fā)生裝置

根據(jù)試驗(yàn)要求，選取功率9 kW、蒸汽量13 kg/h、額定蒸汽溫度為171 ℃、最大工作壓力為0.7 MPa可調(diào)的全自動(dòng)電加熱蒸汽發(fā)生裝置。啟動(dòng)該蒸汽發(fā)生裝置大約15 min左右之后，壓力表示數(shù)超過(guò)設(shè)定壓力值，打開(kāi)出汽閥，蒸汽輸出量為2.6 kg/h，對(duì)試驗(yàn)土壤通汽加熱。

1.6 溫度測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)溫裝置選用的是TM902C型高溫快速電子測(cè)溫儀，它所附帶的傳感器是標(biāo)準(zhǔn)K型（NiCr-NiAi）熱電偶合器，測(cè)溫區(qū)間為-50 ℃～300 ℃。整個(gè)測(cè)試裝置見(jiàn)圖3。

由于溫度測(cè)點(diǎn)較多，并且測(cè)溫顯示儀器只能實(shí)時(shí)顯示而沒(méi)有記錄數(shù)據(jù)的功能，因此采用攝像裝置同時(shí)記錄所有測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)變化過(guò)程，根據(jù)視頻記錄進(jìn)行后續(xù)溫度數(shù)據(jù)提取。溫度記錄時(shí)間定為60 min，前30 min，每隔2 min提取測(cè)各點(diǎn)的溫度值；后30 min，每隔5 min提取各測(cè)點(diǎn)的溫度值。

1.7 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)將從出汽孔深度、蒸汽輸送時(shí)間、蒸汽壓力、土壤含水率4個(gè)影響因素對(duì)土壤傳熱效果進(jìn)行研究。

1） 為得到最佳的出汽孔深度，在出汽孔深度影響因素試驗(yàn)時(shí)，設(shè)置60 mm、110 mm、160 mm三種深度，并將蒸汽壓力設(shè)定為0.4 MPa，通入蒸汽時(shí)間設(shè)置8 min。

2） 為確定最佳蒸汽通入時(shí)間，在蒸汽輸送時(shí)間影響因素試驗(yàn)時(shí)，分別設(shè)置4 min、6 min、8 min三種時(shí)長(zhǎng)，出汽孔深度設(shè)定160 mm，蒸汽壓力0.4 MPa。

3） 進(jìn)行蒸汽壓力影響因素試驗(yàn)時(shí)，由于基于移動(dòng)式土壤蒸汽消毒機(jī)的蒸汽壓力不宜過(guò)高，故將蒸汽發(fā)生裝置蒸汽壓力分別設(shè)置為0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa，同時(shí)設(shè)定出汽孔深度160 mm，通入蒸汽時(shí)間8 min。

4） 為確定含水率對(duì)土壤傳熱效果的影響，在土壤含水率影響因素試驗(yàn)中利用稱(chēng)重補(bǔ)水法改變土壤含水率分別為20.4%和30.1%，設(shè)定出汽孔深度160 mm，蒸汽壓力0.4 MPa，通入蒸汽時(shí)長(zhǎng)8 min。

試驗(yàn)完成后，對(duì)各組試驗(yàn)前30 min的各測(cè)點(diǎn)溫度數(shù)值進(jìn)行平均處理，并將數(shù)據(jù)繪制成曲線圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 出汽孔深度對(duì)土壤傳熱的影響

三種出汽孔深度下的各測(cè)點(diǎn)前30 min溫度數(shù)據(jù)曲線如圖4所示。

由圖4可知：距離針頭最近的數(shù)列1，在三種不同的出汽孔深度下，各測(cè)點(diǎn)均呈現(xiàn)出較穩(wěn)定的溫度值，且均能達(dá)到70 ℃以上，只不過(guò)出汽孔深度110 mm時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度比其余兩種深度平均略低5 ℃。在160 mm深度下，除了最上端接近土壤表面處1-1測(cè)點(diǎn)溫度低于60 mm深度下的同測(cè)點(diǎn)溫度10 ℃外，其余各測(cè)點(diǎn)溫度基本相同。

對(duì)于數(shù)列2，只有出汽孔深度160 mm下各測(cè)點(diǎn)仍表現(xiàn)出和數(shù)列1各深度同樣較穩(wěn)定的溫度值，均保持在92 ℃附近。而60 mm深度下各測(cè)點(diǎn)溫度值并沒(méi)有表現(xiàn)出和數(shù)列1時(shí)相似的規(guī)律，而是呈現(xiàn)出斜率較低的線性下降趨勢(shì)，且各測(cè)點(diǎn)溫度明顯低于160 mm深度下的溫度值，平均溫度兩者相差20 ℃。對(duì)于兩者中間的110 mm深度出汽孔，位于出汽孔水平面以上部位各測(cè)點(diǎn)溫度表現(xiàn)較為平穩(wěn)，達(dá)到60 ℃，但明顯低于其余兩種深度下的溫度值，而位于出汽孔下方2-4及2-5測(cè)點(diǎn)溫度卻突然升高，幾乎與60 mm深度下對(duì)應(yīng)的測(cè)點(diǎn)溫度相同，但也遠(yuǎn)低于160 mm下的各測(cè)點(diǎn)溫度值。

距離針頭最遠(yuǎn)的數(shù)列3，各出汽孔深度下的各測(cè)點(diǎn)溫度均明顯低于數(shù)列1與數(shù)列2的溫度，且對(duì)應(yīng)3種出汽孔深度呈現(xiàn)出3種不同的溫度分布曲線關(guān)系，處于160 mm深度下各測(cè)點(diǎn)的溫度值總體表現(xiàn)較為穩(wěn)定，平均溫度為70 ℃；對(duì)于最上端出汽孔60 mm深度下，各測(cè)點(diǎn)溫度仍然呈現(xiàn)出與數(shù)列2時(shí)較為一致的線性下降趨勢(shì)，且最下方3-5測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)明顯下降，至最低溫度40℃；而處于中間的110 mm深度下，各測(cè)點(diǎn)溫度反而呈現(xiàn)出與160 mm深度相反的溫度分布關(guān)系，且均處于60 ℃以下。

綜上可知針頭出汽孔深度為160 mm時(shí)，數(shù)列1、2測(cè)點(diǎn)溫度均達(dá)到70 ℃以上滿足消毒要求，較遠(yuǎn)的數(shù)列3測(cè)點(diǎn)平均溫度也在60 ℃以上，因此出汽孔深度設(shè)定160 mm最佳。

2.2 蒸汽輸送時(shí)間對(duì)土壤傳熱的影響

三種蒸汽輸送時(shí)間下的各測(cè)點(diǎn)前30 min溫度數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

當(dāng)通入蒸汽時(shí)間為最長(zhǎng)8 min時(shí)，明顯看出數(shù)列2呈現(xiàn)出各測(cè)點(diǎn)溫度較高，且分布較一致，均高達(dá)90 ℃以上；對(duì)于數(shù)列1，除了位于土壤表面的測(cè)點(diǎn)1-1溫度略低但也達(dá)到78 ℃外，其余各測(cè)點(diǎn)仍處于明顯較高的溫度值，均達(dá)到90 ℃以上；對(duì)于最遠(yuǎn)的數(shù)列3，各測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)明顯的下降，總體平均溫度為64 ℃，且溫度一致性也不如前兩列。

通入蒸汽時(shí)間分別為4 min與6 min時(shí)，各列的溫度分布曲線基本一致，均明顯低于蒸汽時(shí)長(zhǎng)8 min下各測(cè)點(diǎn)溫度，平均各測(cè)點(diǎn)溫度低20 ℃以上。

綜上可知，通入蒸汽時(shí)長(zhǎng)8 min時(shí)，三列測(cè)點(diǎn)溫度表現(xiàn)均較為穩(wěn)定，且均明顯高于通入蒸汽時(shí)長(zhǎng)4 min與6 min的溫度分布情況，且數(shù)列1與數(shù)列2的各測(cè)點(diǎn)溫度分布較均勻一致，只有數(shù)列3各測(cè)點(diǎn)溫度明顯下降。因此，蒸汽時(shí)長(zhǎng)設(shè)定為至少8 min，具有最佳的溫度分布效果。

2.3 蒸汽壓力對(duì)土壤傳熱的影響

三種蒸汽壓力下的測(cè)點(diǎn)前30 min溫度數(shù)據(jù)曲線如圖6所示。

當(dāng)蒸汽壓力為較高的0.4 MPa與0.5 MPa時(shí)，對(duì)于數(shù)列1與數(shù)列2，處于出汽孔及其以上平面的各測(cè)點(diǎn)溫度較一致，且均具有較高溫度，達(dá)到78 ℃以上，只不過(guò)0.5 MPa壓力的各測(cè)點(diǎn)溫度比0.4 MPa壓力的各測(cè)點(diǎn)溫度平均高出5 ℃左右，但對(duì)于數(shù)列1位于最上端接近土壤表面的測(cè)點(diǎn)1-1反而溫度最低；位于出汽孔以下的兩個(gè)測(cè)點(diǎn)1-5與2-5，蒸汽壓力0.4 MPa時(shí)仍呈現(xiàn)出與各列其余測(cè)點(diǎn)較一致的溫度值，但對(duì)于更高壓力0.5 MPa下的溫度值反而出現(xiàn)明顯遠(yuǎn)低于0.4 MPa的溫度值，兩者相差近30 ℃。

當(dāng)蒸汽壓力為0.3 MPa時(shí)，數(shù)列1與數(shù)列2上各測(cè)點(diǎn)溫度明顯低于0.4 MPa與0.5 MPa壓力下各測(cè)點(diǎn)溫度值，將各測(cè)點(diǎn)溫度值進(jìn)行總體平均處理，蒸汽壓力0.3 MPa的溫度值為69 ℃，遠(yuǎn)低于蒸汽壓力0.4 MPa的溫度值91 ℃。

對(duì)于數(shù)列3，因距針頭水平距離較遠(yuǎn)，各測(cè)點(diǎn)溫度值低于數(shù)列1和數(shù)列2，除了蒸汽壓力0.4 MPa下各測(cè)點(diǎn)保持較一致溫度之外，其余兩種蒸汽壓力各測(cè)點(diǎn)溫度值均呈現(xiàn)從上到下線性下降趨勢(shì)，只不過(guò)蒸汽壓力0.5 MPa下各測(cè)點(diǎn)溫度值要高于蒸汽壓力0.3 MPa下的溫度值。

綜上可知，蒸汽壓力0.4 MPa下各測(cè)點(diǎn)溫度較均勻一致，且數(shù)列1與數(shù)列2的各測(cè)點(diǎn)溫度均達(dá)到80 ℃以上，較遠(yuǎn)的數(shù)列3各測(cè)點(diǎn)平均溫度也能達(dá)到65 ℃，可以滿足消毒要求。

2.4 土壤含水率對(duì)土壤傳熱的影響

兩種土壤含水率下的測(cè)點(diǎn)前30 min溫度數(shù)據(jù)曲線如圖7所示。

數(shù)列1與數(shù)列2在兩種不同的含水率下各測(cè)點(diǎn)溫度均較高且較穩(wěn)定一致，位于針頭處的數(shù)列1，在20.4%與30.1%兩種含水率下的各測(cè)點(diǎn)溫度基本保持一致，只不過(guò)高含水率30.1%的測(cè)點(diǎn)溫度比低含水率20.4%的各測(cè)點(diǎn)平均溫度高5 ℃左右；對(duì)于數(shù)列2，明顯看出兩種不同含水率下的測(cè)點(diǎn)溫度分布非常均勻一致，且均在70 ℃以上，但30.1%含水率下的測(cè)點(diǎn)溫度明顯高于20.4%含水率的測(cè)點(diǎn)溫度，高出15 ℃左右。

對(duì)于數(shù)列3，因距離針頭水平距離最遠(yuǎn)，各測(cè)點(diǎn)溫度值低于數(shù)列1和數(shù)列2，但30.1%含水率下各測(cè)點(diǎn)溫度值保持相對(duì)穩(wěn)定，平均溫度為65 ℃，而20.4%含水率下，除了3-2測(cè)點(diǎn)溫度接近30.1%含水率下該測(cè)點(diǎn)溫度外，其余測(cè)點(diǎn)溫度皆明顯低于30.1%含水率下的測(cè)點(diǎn)溫度，且都在60 ℃以下。

綜上可知，土壤含水率越高，傳熱效果越好。

2.5 溫度隨時(shí)間及深度變化規(guī)律

在出汽孔深度160 mm，蒸汽壓力0.4 MPa，通入蒸汽時(shí)間8 min試驗(yàn)參數(shù)條件下，各測(cè)點(diǎn)隨時(shí)間在60 min內(nèi)的溫度變化情況如圖8所示。

數(shù)列1離針頭非常貼近，所以溫度上升得非?？?，除出汽孔處1-4測(cè)點(diǎn)外其余測(cè)點(diǎn)在兩分鐘之內(nèi)均可達(dá)100 ℃，而1-4測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)時(shí)長(zhǎng)8 min才達(dá)到100 ℃，分析發(fā)生這種現(xiàn)象的原因?yàn)棣?6 mm針頭在插入土壤后針頭周?chē)耐寥罆?huì)被向外稍微壓緊，加上第1列傳感器組成的數(shù)列棒向下插入時(shí)進(jìn)一步加強(qiáng)該測(cè)點(diǎn)處的土壤壓緊，導(dǎo)致該測(cè)點(diǎn)處的土壤壓實(shí)度較高，蒸汽不易傳輸穿透進(jìn)入該測(cè)點(diǎn)處，致使該點(diǎn)溫度反而最后到達(dá)100 ℃。在8 min之后停止輸送蒸汽，各測(cè)點(diǎn)溫度開(kāi)始緩慢下降，但1-1測(cè)點(diǎn)溫度下降非?？?，因?yàn)楫?dāng)停止輸送蒸汽時(shí)，金屬針頭的傳熱速度非?？?，針頭溫度快速下降，使得測(cè)點(diǎn)1-1處的熱量通過(guò)針頭表面反向吸收在傳輸出去，致使該測(cè)點(diǎn)損失較多熱量出現(xiàn)溫度明顯下降趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，除1-1測(cè)點(diǎn)外，在60 min時(shí)其余各測(cè)點(diǎn)溫度基本都能保持在80 ℃以上。

數(shù)列2距針頭水平距離50 mm處，所有測(cè)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)均較一致，在開(kāi)始通蒸汽的2 min內(nèi)5個(gè)測(cè)點(diǎn)全部達(dá)到100 ℃，至通汽8 min，均保持在100 ℃附近。當(dāng)停止輸送蒸汽后，所有測(cè)點(diǎn)溫度均緩慢的下降，經(jīng)歷30 min時(shí)平均溫度下降至88 ℃，在60 min時(shí)平均下降至81 ℃，只不過(guò)60 min時(shí)各點(diǎn)溫度出現(xiàn)最大的差值，即測(cè)點(diǎn)2-2與測(cè)點(diǎn)2-1相差也只有7 ℃。在30 min時(shí)各測(cè)點(diǎn)溫度仍保持在80 ℃以上，滿足消毒要求。

數(shù)列3位于離針頭100 mm處，因距針頭較遠(yuǎn)，蒸汽在土壤中傳輸需要一定時(shí)間，通汽2min時(shí)，蒸汽還未傳輸?shù)礁鳒y(cè)點(diǎn)，即各測(cè)點(diǎn)溫度仍保持原有的土壤內(nèi)環(huán)境溫度，2 min之后各測(cè)點(diǎn)溫度才開(kāi)始逐漸上升，4 min時(shí)最上端的測(cè)點(diǎn)3-1率先升至93 ℃，6 min時(shí)升至100 ℃，各測(cè)點(diǎn)按測(cè)點(diǎn)3-3→測(cè)點(diǎn)3-4→測(cè)點(diǎn)3-2在8 min內(nèi)先后達(dá)到100 ℃，只有最下端的測(cè)點(diǎn)3-5在通蒸汽時(shí)間停止前的8 min時(shí)才達(dá)到62 ℃，可知蒸汽遠(yuǎn)離出汽孔處向下傳熱的效果較差。8 min后停止輸送蒸汽，各測(cè)點(diǎn)溫度在8～14 min內(nèi)出現(xiàn)快速下降趨勢(shì)，平均降至80 ℃，之后出現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，且各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)各時(shí)間點(diǎn)的溫度相差較小，經(jīng)歷時(shí)長(zhǎng)30 min后，各測(cè)點(diǎn)溫度平均下降至65 ℃，但仍達(dá)到60 ℃。

綜上可知，數(shù)列組離出汽孔越遠(yuǎn)其各測(cè)點(diǎn)溫度下降得越快，但三列測(cè)點(diǎn)溫度在停止輸送蒸汽的30 min后仍保持在60 ℃以上，滿足消毒要求。

2.6 針盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由圖9可知，當(dāng)距離針頭水平距離為100 mm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)平均溫度在停止輸送蒸汽后的30 min時(shí)為65 ℃，達(dá)到消毒要求，故針頭的最大輻射半徑可確定為100 mm。

結(jié)合實(shí)際要求消毒生產(chǎn)率為8～10 m²/h，蒸汽量為100～150 kg/h，一次消毒的最佳時(shí)間為8 min，則計(jì)算得一次消毒面積為1.07 m²。在單根針頭出汽量為2.6 kg/h條件下，將針頭數(shù)目定為49根，成正方形排列并固定在880 mm×880 mm的罩蓋上，兩針頭間距為140 mm，如圖10（a）所示，該設(shè)計(jì)可使罩蓋內(nèi)的各層土壤溫度均達(dá)到60 ℃以上。為使蒸汽均勻地輸送到每個(gè)針頭，采用自制的管路來(lái)輸送蒸汽，管路另一側(cè)開(kāi)有蒸汽輸入孔，如圖10（b）、圖10（c）所示。蒸汽盤(pán)三維結(jié)構(gòu)如圖11所示。

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)對(duì)基質(zhì)土壤在不同出汽孔深度、通入蒸汽時(shí)間、蒸汽壓力、土壤含水率條件下的傳熱效果進(jìn)行了研究。

1） 針頭上出汽孔深度、蒸汽發(fā)生裝置的蒸汽壓力、蒸汽輸送時(shí)間以及土壤含水率均對(duì)基質(zhì)土壤傳熱效果存在明顯的影響關(guān)系。確定最佳參數(shù)為出汽孔深度160 mm、蒸汽壓力0.4 MPa、蒸汽輸送時(shí)間8 min。

2） 在最佳參數(shù)操作下，距針頭熱源水平半徑50 mm、土壤由表面至深度210 mm區(qū)域范圍內(nèi)均具有較均勻的溫度分布，30 min時(shí)的平均溫度保持在90 ℃以上；距針頭水平半徑100 mm處，30 min時(shí)的平均溫度仍能達(dá)到65 ℃，滿足土壤消毒要求。

3） 本文得出單針頭最佳輻射半徑為100 mm，設(shè)計(jì)一種適用于移動(dòng)式土壤蒸汽消毒機(jī)的罩蓋式多針頭蒸汽盤(pán)，為土壤蒸汽消毒機(jī)工作效率的提升奠定基礎(chǔ)。

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