三七土壤水蒸气消毒针结构设计与试验

2019-09-10王凤花赖庆辉

农业机械学报 2019年8期

王凤花宋彦赖庆辉赵威

(昆明理工大学农业与食品学院，昆明 650500)

0 引言

三七是一种名贵中药材，广泛种植于云南省，但连作障碍严重制约了三七产业的可持续发展。近年来，土壤消毒成为解决设施农业重茬连作障碍的有效措施[1-4]。土壤蒸汽消毒是将高温水蒸气通入土壤中，将土壤中的细菌以及大部分杂草种高温杀灭[5-11]。根据病害死亡临界温度梯度[12-13]及前期相关研究[14-16]，温度需达到90℃以上并保持10 min、消毒深度需达到15～20 cm后，才能达到三七土壤消毒的农艺要求。目前缺乏针对三七中药材的土壤蒸汽消毒装备，为克服三七连作障碍急需对此问题进行研究。

关于土壤蒸汽消毒国内外已有大量研究[17-19]，GAY等[20-21]设计的自走式土壤蒸汽消毒机使用注射器将蒸汽通入土壤，能在8 min内将所有土层加热到80℃以上，且能将土壤保持在70℃以上至少1 h，但加热温度达不到90℃。RUNIA[22]将基质中预埋管道内的空气抽取，使其产生负压，将蒸汽吸入基质，但工艺流程复杂。汪小旵等[23-24]设计的移动式土壤旋耕消毒机，机具在行走过程中通过消毒毛管将蒸汽通入土壤中，土壤消毒后温度在 58.9～70.6℃之间，作业效率高，但土壤加热温度较低，且不能保温。蒋雪松等[25]对注射器进行了仿真优化，取得最佳消毒区域大小和注射器结构参数，但未考虑加热交互作用。

本文设计一种针式蒸汽输出装置，主要通过消毒针将高温蒸汽注射到土壤内，从而达到土壤消毒的目的，重点对消毒针进行Fluent模拟仿真及土壤热传导试验验证，找出加热规律，优化其结构参数，使其满足将15～20 cm深的土壤加热到90℃并保持10 min的农艺要求，为整机的设计提供理论基础。

1 蒸汽输出装置结构

1.1 装置结构

为克服三七连作障碍设计的针式土壤蒸汽消毒输出装置如图1所示，主要由蒸汽罩、主蒸汽管、副蒸汽管、消毒针和支撑架组成，主副蒸汽管由支撑架固定并安装在消毒罩内，消毒针安装在副蒸汽管上。蒸汽罩及各器件为不锈钢材质以防止水蒸气的腐蚀。根据三七种植基地的农艺要求，单行试验田幅宽为1.5 m，为了留有作业余量，确定蒸汽罩尺寸为1.4 m×1.0 m，罩厚1.5 mm，根据消毒针长度确定蒸汽罩高100 mm。

图1 蒸汽输出装置示意图Fig.1 Schematic of steam output device1.副蒸汽管 2.消毒针 3.支撑架 4.主蒸汽管 5.蒸汽罩

1.2 消毒针设计

消毒针是蒸汽消毒机实现土壤蒸汽消毒的核心部件，考虑到土壤的结构复杂且消毒针内部为高温高压的水蒸气[25]，所以消毒针采用强度高、耐热、耐腐蚀的20钢精密无缝钢管，其结构和尺寸如图2所示。

图2 消毒针结构示意图Fig.2 Disinfection needle structure diagram

消毒针通过螺纹与副蒸汽管连接，插入土壤中的有效深度为200 mm。针头采用淬火工艺来提高其硬度和耐磨性，从而保证了消毒针在土壤消毒作业过程中保持较长的使用寿命。

2 仿真

2.1 土壤参数获取

为了获取三七种植的土壤相关参数，2018年3月22日在石林基地三七仿生种植工厂进行了土样的采集。试验田长45 m，宽1.5 m，用环刀每隔5 m在试验田两侧各取一土样，共取20个，标号1～20，用环刀盒和试样袋密封以减小水分蒸发，从而进行土壤参数测量及计算。根据指测法确定土壤的质地为沙壤土。

2.2 水蒸气出口流速

蒸汽发生装置选用LHSO.2-0.7-Y(Q)型蒸汽发生器(张家港市尚亿热能设备有限公司)，其额定蒸发量为0.2 t/h，蒸汽软管直径为33 mm，其饱和水蒸气通过蒸汽管的出口流速计算式为[23-24]

(1)

式中ρ——水蒸气密度，kg/m3

uw——水蒸气流速，m/s

t——时间，取1 h

d——蒸汽软管直径，mm

由式(1)求得出口流速为uw=22.2 m/s。

2.3 仿真及参数设置

选用ICEM软件对模型进行网格划分，划分网格单元数为551 398个，节点数为100 040个，选用Fluent仿真软件对消毒针内部结构进行流体力学仿真，确定消毒针内水蒸气的流速、压强及温度的变化，进行仿真设置，检验设置是否正确，开始仿真。测得土壤参数及仿真参数设置如表1所示。网格图如图3所示。

表1 模拟参数设置Tab.1 Simulation parameter setting

图3 消毒针网格图Fig.3 Disinfection needle grid diagram

2.4 消毒针内部及孔口流速分析

消毒针内部流速仿真结果如图4所示，从图4a中可以看出，当进口速度与压力一定时，消毒针内部上方蒸汽流速介于40～60 m/s，而消毒针下方蒸汽流速在20 m/s以下，从图4b中可以直观看出消毒针内部上方蒸汽流速远大于下方的蒸汽流速。

图4 消毒针内部流速场及速度矢量图Fig.4 Internal velocity field and velocity vector of disinfection needle

消毒针从上到下的孔口(孔口1、孔口2、孔口3、孔口4)蒸汽出口流速矢量图如图5所示。从图中可以看出，越下方的孔口，速度矢量箭头颜色越浅，蒸汽流速越低。孔口蒸汽流速最低为13 m/s，最高可达264 m/s，而入口设置流速为22.2 m/s，说明消毒针内部构造有增大孔口出口流速的作用。

图5 孔口流速矢量图Fig.5 Diagram of orifice flow vector

蒸汽流速越大，蒸汽喷射距离越远，土壤加热效果越好，可以预知上层土壤加热效果优于下层土壤。

2.5 消毒针内部压强及温度变化

图6 消毒针内部压力及温度Fig.6 Internal pressure and temperature of disinfection needle

消毒针内部压力变化如图6a所示，消毒针内部压力小幅增大，增幅最大为0.014 MPa，最大值为0.114 MPa，孔口处压力减小至0.102 MPa但依然大于进口压力；由于压力增大，消毒针内部蒸汽温度也小幅增大，并在孔口处降温到100℃附近，如图6b。

3 土壤热传导试验

3.1 试验装置

为了探究土壤的升温规律，进行了土壤热传导试验。根据三七种植基地的农艺要求及前期工作研究，设计出一种试验装置，如图7所示。试验装置有4根消毒针，每根消毒针的最大辐射半径为125 mm，消毒深度为200 mm，消毒时长为10 min。蒸汽发生器的试验参数为：额定蒸发量为200 kg/h，额定压力为0.1 MPa，出口饱和水蒸气温度为99℃。

图7 试验装置及其管道布局示意图Fig.7 Experimental device and its pipeline layout1.蒸汽罩壳 2.消毒针 3.主蒸汽管 4.副蒸汽管

为了防止主副蒸汽管破裂而造成蒸汽损失和安全隐患，对其管道壁厚进行了理论计算，公式为

(2)

(3)

式中δ1——主蒸汽管道理论壁厚，mm

pd——管道的计算压力，MPa

D0——主蒸汽管道管道外径，mm

[σ]——钢管在计算温度下的基本许用应力，MPa

Φ——基本许用应力修正系数(无缝钢管Φ=1)

δ2——消毒针管道理论壁厚，mm

D1——消毒针外径，mm

由于消毒针顶部需要焊接以及加工螺纹，壁厚不能低于1.5 mm，所以确定主副蒸汽管道和消毒针壁厚为2 mm，试验装置参数如表2所示。

3.2 试验及分析

试验土槽为长705 mm、宽450 mm、高300 mm的箱体，在试验土槽两侧从下至上依次在距离箱底5、65、125、185 mm处各开一个孔位，在孔位中各插入四通道HT9815型温度传感器(鸿泰仪表有限公司)，进行实时的温度检测，如图8所示，探究土壤升降温的普遍规律及检验仿真试验的正确性。

表2 试验装置参数Tab.2 Experimental device parameters mm

图8 土壤热传导试验Fig.8 Soil heat transfer experiment

在含水率为19%、土壤孔隙度为16%、土壤初始温度为13℃的情况下，蒸汽发生器开启，当消毒针孔口开始有水蒸气时，将试验装置插入土壤中，开始计时，在10 min后断绝水蒸气来源，进行3组试验求平均值，不同土层试验升温情况如表3所示。

表3 不同土层温度变化情况Tab.3 Different soil layers test heating rate ℃

由表3可以看出，试验进行5 min后，试验土壤各层温度都已经达到90℃，底层185 cm处土壤加热较慢；这与仿真分析预测结果一致，即由于消毒针下方孔口流出速度较慢导致土壤加热效率低。10 min后土壤开始降温，相同起始温度下，表层5 cm处土壤和底层185 cm处土壤热量散失最快，但土壤仍能将温度保持在90℃以上5～10 min。为整机的实际田间作业效率和可行性提供了理论依据。

4 正交试验及验证

4.1 试验设计及结果

为了探究消毒针孔口结构参数对土壤升温到90℃所需时长的影响及确定消毒针孔口最优结构参数组合，选取消毒针单侧孔口数量(A)、孔口直径(B)和水蒸气出射角(C)为试验因素，每个因素选取4个水平，土壤升温到90℃所需时间作为试验指标，采用L16(45)正交表进行土槽试验，因素水平如表4所示。水蒸气出射角示意图如图9所示，以主蒸汽管为0°线。

表4 试验因素水平Tab.4 Factors and levels of orthogonal test

图9 水蒸气出射角示意图Fig.9 Schematics of steam exit angle

试验结果如表5所示，X1、X2、X3为孔口数量、孔口直径、水蒸气出射角水平值。由极差分析得出因素对土壤升温到90℃时长的影响主次顺序为单侧孔口数量A、孔口直径B、水蒸气出射角度C。应用Design-Expert软件对试验因素进行方差分析，如表6所示。结果表明单侧孔口数量A对时长影响极显著(P<0.01)，孔口直径B对时长影响显著(P<0.05)，水蒸气出射角C对时长影响不显著(P>0.05)。土壤升温到90℃的时长越短，消毒针结构加热效果越好。由Design-Expert软件自动分析出消毒针最优参数组合为：A2B2C2，即单侧孔口数量为4个、孔口直径为2 mm、水蒸气出射角为45°。

4.2 试验验证

对优化后的消毒针结构参数进行试验验证，选取单侧孔口数量为4个，孔口直径为2 mm，水蒸气出射角度为45°，在相同条件下进行试验，共重复3次，通过试验验证得到土壤升温到90℃所需时间为116 s。

表5 试验方案与结果Tab.5 Experimental scheme and results

表6 方差分析结果Tab.6 Results of variance analysis

注：*表示差异显著(P<0.05)，** 表示差异极显著(P<0.01)。

5 消毒针数量分析

为了优化消毒针数量及排布方式，为整机的制造提供理论基础，进行16、25、36、49、64根针布置比较，即纵向×横向为4×4、5×5、6×6、7×7、8×8的布局，消毒针横向间距依次为375、300、250、215、188 mm，对不同的技术方案进行仿真，观测土壤的升温情况，从而得出最优的消毒针数量参数。试验后发现消毒针8×8布局水蒸气热能利用不完全且对整机的工艺要求极高，不予以考虑。

5.1 数值模拟

使用Fluent多孔介质传热模型进行仿真，对网格进行均匀划分，土壤粘性阻力系数和惯性阻力系数由土壤特性确定，参数如表1所示，模拟时间步长为0.01 s，模拟时间为200 s。

5.2 试验分析

由图10a可以看出，消毒针4×4布局时，消毒针之间间距为375 mm，由于消毒针之间间距过大，消毒针之间的土壤未被完全加热，温度最低处为32～37℃之间。加热效率较低，加热时间较长。由图10b可以看出，消毒针5×5布局时，由于消毒针间距离缩小，土壤中心温度有所提升，但加热效率仍然很低，温度最低处为37～42℃之间。由图10c可以看出，消毒针6×6布局时，土壤温度升温明显，大部分区域温度在90～97℃之间，土壤升温速度较快，加热效率较高。由图10d可以看出，当消毒针7×7排布时，土壤全部区域已经达到90℃以上，加热效率高，完全符合三七土壤消毒的要求，但7×7排布时，虽然水蒸气对土壤的加热效果最好，但是消毒针过多。为保证水蒸气消毒机整机的精简程度，选取消毒针6×6布局，既提高了水蒸气的加热效率，又精简了机器的结构。

图10 消毒针布局方式Fig.10 Disinfection needle layouts

6 土壤成分变化分析

为了探究土壤水蒸气消毒对土壤有机质和pH值的影响，分别采用水合热重铬酸钾氧化-比色法和电位法对消毒前后的土样有机质含量和pH值进行测量，观测其变化情况。

6.1 土壤有机质含量变化

配置含碳量为0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 mg的对比液，测出吸光度，并绘制出标准曲线，如图11所示。得出线性回归方程为

y=0.014 33x-0.001 32

(4)

图11 含碳对比液标准曲线Fig.11 Carbon-containing contrast liquid standard curve

取消毒前箱体内3份土样每份1 g，分别标定为A1、A2、A3，消毒后箱体内3份土样每份1 g，分别标定为B1、B2、B3。测得消毒前后各土样吸光度按顺序分别为0.249、0.235、0.259、0.245、0.230、0.255，代入线性回归方程(4)得到含碳量分别为17.468、16.491、18.166、17.174、16.175、17.872 mg，根据有机质计算公式

(5)

式中SOM——土壤有机质质量比，g/kg

m1——标准曲线或回归方程求得的待测液含碳量，mg

ϑ——氧化校正系数，为1.32

μ——有机碳换算成有机质的系数，为1.724

m——烘干土样的质量，g

求得有机质含量按土样标号顺序分别为39.752、37.528、41.34、39.082、36.808、40.672 g/kg。可以看出，消毒使土壤有机质含量平均值从39.54 g/kg下降到38.854 g/kg。根据全国第二次土壤普查有机质含量和分级标准[26]，消毒过后的土壤有机质含量仍满足三七以及各种农作物的生长要求。

6.2 土壤pH值变化

三七喜中偏酸性沙壤土，pH值以4.5～8为宜，取A1、A2、A3、B1、B2、B3土样，将土样研磨，并按照土水1∶2.5的比例进行充分搅匀，沉淀15 min取上层清液，使用雷磁pHS-3C pH计进行pH值测量，测得pH值按土样标号顺序分别为4.84、4.82、4.82、5.52、5.55、5.51。可以看出，试验土样为酸性土壤，消毒后pH值小幅增加，但土壤pH值仍为酸性，符合三七生长的要求。