土壤消毒机蒸汽输送装置的设计与数值模拟

蒋雪松，杨冬冬，潘四普，陈 青，李萍萍，周宏平

(南京林业大学 a.机械电子工程学院；b.生物与环境学院，南京 210037)

0 引言

设施大棚内长期处于潮湿、温热的环境下，适宜的环境促进了土壤中病虫害的繁殖，尤其是专业设施栽培基地，由于多年连茬种植难于轮作倒茬，造成土壤中虫卵、真菌和病毒的连年累积[1]。一些土传病虫害频发，严重制约了设施栽培的发展[2-3]。土壤消毒是利用物理、化学或者生物方法[4]，快速、有效地杀灭土壤中的病菌、根线虫、杂草及有害动物等病虫害的技术，能够有效克服土壤中的连作重茬障碍，控制土壤病虫害的发生，保证设施栽培的优质高产[5-8]。相比于其他土壤消毒方法，蒸汽消毒技术具有诸多优点，它是利用高压蒸汽，凭借高温杀灭土壤中的病虫害，同时提高土壤的通透性和排水性，且对环境无任何污染、消毒快速有效、长期使用不会使病虫产生抗药性及不会破坏土壤结构等，近年来受到了广泛的关注[9-10]。

区别于目前各种土壤基质消毒装备的研究成果[11- 12]，本文在对脉冲式土壤蒸汽消毒机的概念设计基础上[13-15]，重点对蒸汽输送装置关键部件进行了结构设计和土壤传热模型的CFD数值模拟，验证了结构的合理性。

1 消毒机总体结构及工作原理

本设计脉冲式土壤蒸汽消毒机采用脉动燃烧器作为热源[16]，采用自行研制的电控履带车作为行走机构[17]，整机的总体结构如图1所示。

1.蒸汽输送装置 2.伸缩机构 3.升降机构 4.电动机 5.控制台 6.行走装置 7.水箱 8.蒸汽发生装置 9.储气罐 10.发电机 11.横向移动机构

土壤蒸汽消毒机工作时，先通过水泵由水箱向蒸汽发生装置内供水，启动位于蒸汽发生装置内的脉动燃烧器，将水加热蒸汽沸腾后产生蒸汽进入储汽罐；蒸汽通过管道从储汽罐上的出汽阀输送至蒸汽输送装置，然后通过蒸汽盘内部的管路输送至注射针头，最后注射到土壤内部进行消毒。汽油发电机安装在履带车的前端，为整个机器提供电能；控制台安装在土壤蒸汽消毒机中部，便于进行操作，电动机位于控制台旁边，用于驱动液压伸缩机构。蒸汽发生装置安装在履带车中央，脉动燃烧器安装在蒸汽发生装置内部。蒸汽输送装置位于履带车的前端，通过液压伸缩机构和罩盖上的转动副，与固定在履带车前端的升降机构连接。升降机构主要在液压缸、直线滑块单元等作用下工作，蒸汽输送装置在升降机构的作用下实现针头的插入与拔出土壤。

2 关键部件设计

2.1 注射针头

考虑到土壤蒸汽消毒机在实际作业过程中，地质条件和土壤的结构较为复杂[18]，且针头内部介质是高温水蒸汽，所以注射针头应采用强度高、耐热性、耐腐蚀性、质量小的材料。注射针头结构如图2所示。

图2 注射针头结构

本文设计的针头材料选用304不锈钢，是一种通用性的铬-镍不锈钢，含有18%以上的铬含量及8%以上的镍含量，具有良好的耐腐蚀性；密度为7.93g/cm3，具有质量相对较轻的特点；能耐高温800°，具有加工性能好、韧性好、强度高的特点，应用广泛。试验中采用的蒸汽注射针头是一体式设计，针管和针头共用同一根空心钢管，加工起来比较麻烦，且造价较高。试验用针头的8个出气孔轴向均匀分布在针头管壁，通过试验和数值模拟研究，证实此设计无法满足表层土壤和深层土壤的消毒要求，需要对出气孔位置布局和长度进行重新改进。

为了保证土壤的表层、中层、深层全面达到消毒要求，采用组合式设计将针管和针头分开设计，便于加工和维修整个注射针头。针头尾端采用螺纹连接，加长针管的总长度至255mm，插入土壤的有效长度为235mm，出气孔螺旋分布在整个管壁上。

在实际作业过程中，发生器内蒸汽压力稳定在0.4MPa左右，单位时间内的蒸汽供应量可达到100～150kg/h左右。由于出气孔的位置有较大的压力，可将出气孔的土壤自动排掉，不会影响蒸汽的供应。本文设计的针头有效长度为235mm，针管壁厚为2mm，针管外径为22mm，出气孔直径为4mm，出气孔个数8个。

2.2 蒸汽盘

考虑到在实际作业过程中，地质条件和土壤的结构较为复杂[18]，土壤蒸汽消毒机针头内部介质是高温水蒸汽，所以注射针头应采用强度高、耐热性、耐腐蚀性及质量轻的材料。

蒸汽盘是蒸汽输送装置的主要组成部件，主要用于向土壤内注入蒸汽，由蒸汽罩盖、蒸汽输送管路和注射针头构成。工作时，将注射针头插入土壤一定的深度，通过周向出气孔向周围土壤释放蒸汽。

2.2.1 蒸汽罩盖尺寸的确定

根据设计要求，消毒机工作效率为8～10m2/h，通过多针头土壤传热试验研究得出对基质土壤的消毒时间控制在5min左右最为合理，每次消毒的土壤面积约为0.67～0.83m2。

设计时，要求设施园艺用土壤蒸汽消毒机总高度小于1.8m，总宽度不超过1m，因此将蒸汽罩盖尺寸定为长×宽×高(900mm×900mm×100mm)，蒸汽罩盖内部采用隔热保温材料，外部设计用薄不锈钢板包裹，以减少土壤消毒过程中蒸汽的泄露，减少热量损失。

2.2.2 针头间距的确定

当针头间距设计为200mm时，针头作用区域内会出现热量传递盲区，如图3所示。根据前面试验可知：单针头影响范围在8～10cm左右，因此图中阴影部分传热效果很差，不能满足土壤所有区域的消毒要求。因此，采用针头间距的设计为140mm时，针头周围的土壤区域内没有传热盲区，如图4所示。当针头间距小于140mm时，土壤传热效果会更好，但会增加能耗、降低生产率。因此，最佳针头间距设计为140mm。

图3 针头间距200mm

图4 针头间距140mm

2.2.3 针头数目的确定

试验时，单个针头的蒸汽供应量为2.6kg/h,但在这种工况下，并非0～25cm深度范围内所有区域均满足消毒要求，这就要求在结构优化时考虑增加单位时间内每个针头的蒸汽供应量。在实际工作中，土壤蒸汽消毒机蒸汽产生量为100～150kg/h，本文设计针头数量为36个，呈均匀排布，单个针头蒸汽供应量介于2.78～4.17kg/h范围内，消毒效果比试验时更佳。

2.2.4 蒸汽盘结构设计

蒸汽盘结构图和具体尺寸如图5所示。为了保证蒸汽均匀地输送至每个针头且结构尽可能紧凑，蒸汽输送管路采用自制管路来输送蒸汽，蒸汽主管采用壁厚2mm、长宽为25mm×25mm的不锈方钢，蒸汽支管采用壁厚2mm、直径为30mm的不锈钢管焊接装配在一起，蒸汽罩盖内部采用隔热保温材料，外部设计用薄不锈钢板包裹，以减少土壤消毒过程中蒸汽的泄露，减少热量损失。

1.蒸汽罩盖 2.蒸汽输送支管 3. 蒸汽输送主管 4.注射针头

在实际生产中，为了使蒸汽注射装置便于加工、拆卸和维修，将注射装置的蒸汽支管和针头分开设计，两者之间采用螺纹连接装配。

3 CFD数值模拟与验证

3.1 CFD数值模拟

蒸汽输送装置的注射针头结构改进后，出气孔螺旋均匀排布在针管的两端和中间位置，这样保证了针头插入土壤以后，蒸汽可以分别从土壤的上、中、下3个空间进入到土壤中。改进后单个针头与周围土壤传热模型的计算域示意图，如图6所示。

经过Fluent软件的数值计算，可以更加直观地模拟出注射蒸汽对周围土壤温度场分布的影响情况。仿真计算结束后，需要首先通过和试验数据作对比来验证模型是否准确。在蒸汽压力0.4MPa、蒸汽供应量2.6kg/h的工况下，持续施加蒸汽7min后停留35min，利用温度传感器进行土壤温度测试与数值模拟。图7为Fluent运行7min时针头周围的土壤温度场云图。由图7可以看出：针头周围大部分区域土壤可以达到较高温度，只有深层土壤温度较低，为52℃左右，针头热作用半径在10cm左右。

图6 结构改进后计算域示意图

图7 土壤温度云图

通过CFD-Post后处理软件提取测试组各点对应的模拟数值。表1是各测点的实测值与模拟值对比表，测试组1和2离注射针头的水平距离分别为8、12cm。

表1 不同深度试验值与模拟值的对比表

续表(a) ℃

(b) 测试组2 ℃

图8为Fluent模拟得到的数值和试验数据的对比折线图。由图8可看出：两种结果曲线变化趋势一致，最大温差处的相对误差为8.7%，出现在测试组2的1cm深度处，其他相对误差均小于5%。由于试验时存在热量的损失及土壤内部实际结构的复杂性，数值计算结果与试验结果存在误差是在所难免的，但就两者的结果所体现的各测试深度的温度分布趋势和偏差程度来看，还是令人满意的，表明本文所建立的传热模型可以应用于其他工况下的数值模拟计算。

(a) 测试组1

(b) 测试组2

4 结论

基于土壤蒸汽消毒机总体设计，对蒸汽输送装置的主要结构进行设计，包括针头结构、蒸汽管路的布局及蒸汽罩盖的设计。在通蒸汽7min、蒸汽压力0.4MPa、蒸汽供应量2.6kg/h的工况下，进行了土壤传热模型的CFD数值模拟。数值模拟与测试的结果一致，验证了土壤消毒机蒸汽输送装置的结构合理性，保证了土壤消毒中蒸汽输送装置的传热效果。