基质土壤蒸汽消毒传热试验与分析
2024-06-17武玉柱许林云金晶张爱琪戴彬虎杨冬冬
武玉柱 许林云 金晶 张爱琪 戴彬虎 杨冬冬
摘要：土壤消毒是设施种植中直接影响产量和品质的关键环节，而蒸汽消毒是最环保可靠的消毒方式，研究蒸汽在设施基质土壤中的传热效果。在试验过程中通过搭建基质土壤传热性能测试平台，研究出汽孔深度、蒸汽通入时间、蒸汽压力、土壤含水率各因素对蒸汽在土壤内传热效果的影响，并探究蒸汽从发生装置产生至1 h之间土壤温度随时间的变化规律。研究结果表明：当针头出汽孔深度为160 mm，蒸汽压力为0.4 MPa、通入蒸汽时间为8 min时土壤传热效果最佳，并且土壤含水率越高，其传热效果越好。在最佳因素条件下，通入蒸汽时间为8 min时土壤温度便可以迅速增长到最大值，且30 min后基本能维持在60 ℃以上同时满足杀毒要求。确定出汽孔深度、蒸汽通入时间、蒸汽压力、土壤含水率最佳参数后，结合实际消毒要求设计出一种与可移动式土壤蒸汽消毒机配套的罩盖式多针头蒸汽盘。
关键词：土壤蒸汽消毒机；基质土壤；传热性能；输送装置；多针头蒸汽盘
中图分类号：S472
文献标识码：A
文章编号：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
*基金项目：江苏省现代农机装备与技术示范推广项目（NJ2020—19）
第一作者：武玉柱，男，1997年生，安徽宿州人，硕士；研究方向为机械设计理论。E-mail： 1770105471@qq.com
通讯作者：许林云，女，1965年生，江苏南通人，教授，博导；研究方向为林果收获机械。E-mail： lyxu@njfu.com.cn
Test and analysis of heat transfer in steam disinfection of matrix soil
Wu Yuzhu1， Xu Linyun1， 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世纪以来，园艺产品因其生产周期短、产量高、效益好、市场需求量大等优势， 使得设施园艺产业快速发展，在农业现代化发展过程中占据着重要地位[1]。由于连作障碍，土壤中病原菌、虫卵积累[2]，土传病害严重，作物产量和品质受到严重影响，因此土传病害成为农业生产中急需解决的问题[3-5]，近年来为了防治土传病害，各种消毒技术被广泛应用，根据消毒原理，消毒技术一般分为物理法、化学法、生物法等[6]。化学消毒法在使用时会污染环境，产生抗药性，生物消毒法消毒过程缓慢，效果难以确定，而物理消毒法对环境友好，其中又以蒸汽消毒法最为理想，蒸汽消毒法对环境无污染、效率高、消毒效果好、不会使病虫害产生抗药性[7-9]，因此蒸汽消毒越来越受到重视和青睐。
蒸汽消毒主要包括地表覆膜蒸汽消毒、真空深层蒸汽消毒和综合蒸汽消毒等方法[10]，但地表覆膜蒸汽消毒工序繁多，效率低；真空深层蒸汽消毒需要布置管路成本高劳动力较大，因此本文拟设计一种可移动式蒸汽消毒机应用于设施园艺中，蒸汽消毒机的蒸汽输送装置将蒸汽输送到末端装置，一般为针式结构。工作时，针头插入土壤，蒸汽通过针头上的出汽孔施放到土壤中，因此与施放蒸汽相关的针头结构各参数是影响设施园艺基质土壤传热特性的关键参数。
土壤中的大多数植物病原细菌可在60 ℃温度条件下、10 min内被杀死，线虫对热也十分敏感，大部分在50 ℃、15 min即可杀死，真菌处于60 ℃、30 min即死亡，大部分的细菌与害虫都存在距地面10～20 cm深的土壤处，因此对于设施园艺的土壤消毒温度在60 ℃保持30 min即可满足消毒要求。
土壤作为一种典型的多孔介质，其传热过程极其复杂[11]，大量的研究人员通过进行实验和建立模型研究了不同条件下土壤的温度变化分布规律以及影响土壤传热效果的因素[12， 13]。范爱武等[14]对植物生长所用的土壤中热、湿、气、肥的迁移机理及规律进行研究，利用多孔介质传热模型，对圆柱土壤模型的温度变化情况进行分析，研究发现周围的环境温度、风速、太阳辐射等因素对土壤的温度分布影响很大，土壤的温度随着深度的增加，影响的范围逐渐减小。张玲[15]将地下土壤与黄沙混合后进行热导率试验，并指出土壤的导热性随着土壤含水率的提高而增强，受密度影响比较小，并且建立了土壤一维热湿传递模型，研究发现温度变化的范围随着加热时间的延长增加速度变缓。于博晨等[16]利用分层岩土热响应试验对分层土壤地埋管传热模型进行研究，分析得出不同深度土壤的热物性具有差异，中下层土壤传热特性相对上层较好。苏宇[17]采用数值模拟的方法分析压砂地在覆砂条件下的土壤热扩散率，结果表明土壤深度与土壤传热率存在一定的关系，不同深度的土壤距热源距离不同，导致各深度土壤含水率不均匀，随着土壤深度的增加，含水率升高，土壤传热效率也逐渐增大。
现有对土壤传热的研究主要针对普通园土，并未针对设施园艺环境下的基质土壤，为设计一种与可移动针式蒸汽消毒机配套的针式蒸汽盘，保证土壤内温度分布的均匀性，并满足蒸汽消毒杀虫杀菌要求，需要对针头出汽孔深度、蒸汽输送时间、蒸汽发生装置的蒸汽压力等因素进行研究，建立基质土壤蒸汽传热试验系统，优选出最佳土壤消毒效果参数，为整个蒸汽盘的设计提供试验数据支撑。
1 试验材料与方法
1.1 蒸汽施放针
根据土壤中绝大部分病虫害与细菌存在距地面100～200 mm深处，设计试验用的蒸汽施放针总长度225 mm，如图1所示，针头材料选择304不锈钢，插入土壤中的有效长度为190 mm，针管外径为Φ16 mm，壁厚为1.5 mm，出汽孔置于160 mm处，共设置8个出汽孔，周向均匀分布，孔径为Φ1 mm。
1.2 土壤要求
设施园艺中的土壤为基质土壤，与一般大田里土壤不同。基质土壤是一种有机栽培基质营养土，具有保肥、透气性能好、病虫危害轻等特点。基质分为无土基质与土壤基质，无土基质有珍珠岩、蛭石陶粒、泥炭土等，土壤基质有砂土、黏土、壤土。本次试验采用基质土壤主要由泥炭、黏粒、珍珠岩、蛭石等按比例混合而成。放置在木板制作的70 cm×70 cm×60 cm的木箱内，土壤高度为40 cm。
1.3 温度测点布置
因蒸汽从针头出汽孔施放出来后，以针头为中心向四周进行扩散，为确定蒸汽在土壤中的传播及温度响应情况，只取一个侧面进行测点布置，即可确定围绕针头四周的温度分布情况。
测点分布如图2所示，图中15个点分别表示15个测点，分布在同一平面上，垂直分为3列，每列之间水平距离为50 mm；每列分布5个测点，两两之间距离为50 mm，每列第一个测点置于表面土壤下10 mm处，最后一个测点放在出汽孔下方50 mm处，便于检测蒸汽向下传热时的温度响应。所有测点按距针头距离及深度位置进行编号，第一列为：1-1，1-2，…，1-5；第二列为：2-1，2-2，…，2-5；第三列为：3-1，3-2，…，3-5。
1.4 针头出汽孔深度布置
为确定最佳的蒸汽施放深度，将图1所示的针头插入土壤不同深度位置处，使出汽孔深度设定为60 mm、110 mm、160 mm。
1.5 蒸汽发生装置
根据试验要求，选取功率9 kW、蒸汽量13 kg/h、额定蒸汽温度为171 ℃、最大工作压力为0.7 MPa可调的全自动电加热蒸汽发生装置。启动该蒸汽发生装置大约15 min左右之后，压力表示数超过设定压力值，打开出汽阀，蒸汽输出量为2.6 kg/h，对试验土壤通汽加热。
1.6 温度测试系统
测温装置选用的是TM902C型高温快速电子测温仪，它所附带的传感器是标准K型（NiCr-NiAi）热电偶合器，测温区间为-50 ℃～300 ℃。整个测试装置见图3。
由于温度测点较多，并且测温显示仪器只能实时显示而没有记录数据的功能，因此采用摄像装置同时记录所有测点的温度数据变化过程，根据视频记录进行后续温度数据提取。温度记录时间定为60 min，前30 min，每隔2 min提取测各点的温度值；后30 min，每隔5 min提取各测点的温度值。
1.7 试验方法
本试验将从出汽孔深度、蒸汽输送时间、蒸汽压力、土壤含水率4个影响因素对土壤传热效果进行研究。
1） 为得到最佳的出汽孔深度，在出汽孔深度影响因素试验时，设置60 mm、110 mm、160 mm三种深度，并将蒸汽压力设定为0.4 MPa，通入蒸汽时间设置8 min。
2） 为确定最佳蒸汽通入时间，在蒸汽输送时间影响因素试验时，分别设置4 min、6 min、8 min三种时长，出汽孔深度设定160 mm，蒸汽压力0.4 MPa。
3） 进行蒸汽压力影响因素试验时，由于基于移动式土壤蒸汽消毒机的蒸汽压力不宜过高，故将蒸汽发生装置蒸汽压力分别设置为0.3 MPa，0.4 MPa，0.5 MPa，同时设定出汽孔深度160 mm，通入蒸汽时间8 min。
4） 为确定含水率对土壤传热效果的影响，在土壤含水率影响因素试验中利用称重补水法改变土壤含水率分别为20.4%和30.1%，设定出汽孔深度160 mm，蒸汽压力0.4 MPa，通入蒸汽时长8 min。
试验完成后，对各组试验前30 min的各测点温度数值进行平均处理，并将数据绘制成曲线图。
2 结果与分析
2.1 出汽孔深度对土壤传热的影响
三种出汽孔深度下的各测点前30 min温度数据曲线如图4所示。
由图4可知：距离针头最近的数列1，在三种不同的出汽孔深度下，各测点均呈现出较稳定的温度值，且均能达到70 ℃以上，只不过出汽孔深度110 mm时各测点温度比其余两种深度平均略低5 ℃。在160 mm深度下，除了最上端接近土壤表面处1-1测点温度低于60 mm深度下的同测点温度10 ℃外，其余各测点温度基本相同。
对于数列2，只有出汽孔深度160 mm下各测点仍表现出和数列1各深度同样较稳定的温度值，均保持在92 ℃附近。而60 mm深度下各测点温度值并没有表现出和数列1时相似的规律，而是呈现出斜率较低的线性下降趋势，且各测点温度明显低于160 mm深度下的温度值，平均温度两者相差20 ℃。对于两者中间的110 mm深度出汽孔，位于出汽孔水平面以上部位各测点温度表现较为平稳，达到60 ℃，但明显低于其余两种深度下的温度值，而位于出汽孔下方2-4及2-5测点温度却突然升高，几乎与60 mm深度下对应的测点温度相同，但也远低于160 mm下的各测点温度值。
距离针头最远的数列3，各出汽孔深度下的各测点温度均明显低于数列1与数列2的温度，且对应3种出汽孔深度呈现出3种不同的温度分布曲线关系，处于160 mm深度下各测点的温度值总体表现较为稳定，平均温度为70 ℃；对于最上端出汽孔60 mm深度下，各测点温度仍然呈现出与数列2时较为一致的线性下降趋势，且最下方3-5测点出现明显下降，至最低温度40℃；而处于中间的110 mm深度下，各测点温度反而呈现出与160 mm深度相反的温度分布关系，且均处于60 ℃以下。
综上可知针头出汽孔深度为160 mm时，数列1、2测点温度均达到70 ℃以上满足消毒要求，较远的数列3测点平均温度也在60 ℃以上，因此出汽孔深度设定160 mm最佳。
2.2 蒸汽输送时间对土壤传热的影响
三种蒸汽输送时间下的各测点前30 min温度数据曲线如图5所示。
当通入蒸汽时间为最长8 min时，明显看出数列2呈现出各测点温度较高，且分布较一致，均高达90 ℃以上；对于数列1，除了位于土壤表面的测点1-1温度略低但也达到78 ℃外，其余各测点仍处于明显较高的温度值，均达到90 ℃以上；对于最远的数列3，各测点温度出现明显的下降，总体平均温度为64 ℃，且温度一致性也不如前两列。
通入蒸汽时间分别为4 min与6 min时，各列的温度分布曲线基本一致，均明显低于蒸汽时长8 min下各测点温度，平均各测点温度低20 ℃以上。
综上可知，通入蒸汽时长8 min时，三列测点温度表现均较为稳定，且均明显高于通入蒸汽时长4 min与6 min的温度分布情况，且数列1与数列2的各测点温度分布较均匀一致，只有数列3各测点温度明显下降。因此，蒸汽时长设定为至少8 min，具有最佳的温度分布效果。
2.3 蒸汽压力对土壤传热的影响
三种蒸汽压力下的测点前30 min温度数据曲线如图6所示。
当蒸汽压力为较高的0.4 MPa与0.5 MPa时，对于数列1与数列2，处于出汽孔及其以上平面的各测点温度较一致，且均具有较高温度，达到78 ℃以上，只不过0.5 MPa压力的各测点温度比0.4 MPa压力的各测点温度平均高出5 ℃左右，但对于数列1位于最上端接近土壤表面的测点1-1反而温度最低；位于出汽孔以下的两个测点1-5与2-5，蒸汽压力0.4 MPa时仍呈现出与各列其余测点较一致的温度值，但对于更高压力0.5 MPa下的温度值反而出现明显远低于0.4 MPa的温度值，两者相差近30 ℃。
当蒸汽压力为0.3 MPa时，数列1与数列2上各测点温度明显低于0.4 MPa与0.5 MPa压力下各测点温度值，将各测点温度值进行总体平均处理，蒸汽压力0.3 MPa的温度值为69 ℃，远低于蒸汽压力0.4 MPa的温度值91 ℃。
对于数列3，因距针头水平距离较远，各测点温度值低于数列1和数列2，除了蒸汽压力0.4 MPa下各测点保持较一致温度之外，其余两种蒸汽压力各测点温度值均呈现从上到下线性下降趋势，只不过蒸汽压力0.5 MPa下各测点温度值要高于蒸汽压力0.3 MPa下的温度值。
综上可知，蒸汽压力0.4 MPa下各测点温度较均匀一致，且数列1与数列2的各测点温度均达到80 ℃以上，较远的数列3各测点平均温度也能达到65 ℃，可以满足消毒要求。
2.4 土壤含水率对土壤传热的影响
两种土壤含水率下的测点前30 min温度数据曲线如图7所示。
数列1与数列2在两种不同的含水率下各测点温度均较高且较稳定一致，位于针头处的数列1，在20.4%与30.1%两种含水率下的各测点温度基本保持一致，只不过高含水率30.1%的测点温度比低含水率20.4%的各测点平均温度高5 ℃左右；对于数列2，明显看出两种不同含水率下的测点温度分布非常均匀一致，且均在70 ℃以上，但30.1%含水率下的测点温度明显高于20.4%含水率的测点温度，高出15 ℃左右。
对于数列3，因距离针头水平距离最远，各测点温度值低于数列1和数列2，但30.1%含水率下各测点温度值保持相对稳定，平均温度为65 ℃，而20.4%含水率下，除了3-2测点温度接近30.1%含水率下该测点温度外，其余测点温度皆明显低于30.1%含水率下的测点温度，且都在60 ℃以下。
综上可知，土壤含水率越高，传热效果越好。
2.5 温度随时间及深度变化规律
在出汽孔深度160 mm，蒸汽压力0.4 MPa，通入蒸汽时间8 min试验参数条件下，各测点随时间在60 min内的温度变化情况如图8所示。
数列1离针头非常贴近，所以温度上升得非常快，除出汽孔处1-4测点外其余测点在两分钟之内均可达100 ℃，而1-4测点经过时长8 min才达到100 ℃，分析发生这种现象的原因为Φ16 mm针头在插入土壤后针头周围的土壤会被向外稍微压紧，加上第1列传感器组成的数列棒向下插入时进一步加强该测点处的土壤压紧，导致该测点处的土壤压实度较高，蒸汽不易传输穿透进入该测点处，致使该点温度反而最后到达100 ℃。在8 min之后停止输送蒸汽，各测点温度开始缓慢下降，但1-1测点温度下降非常快，因为当停止输送蒸汽时，金属针头的传热速度非常快，针头温度快速下降，使得测点1-1处的热量通过针头表面反向吸收在传输出去，致使该测点损失较多热量出现温度明显下降趋势。总的来说，除1-1测点外，在60 min时其余各测点温度基本都能保持在80 ℃以上。
数列2距针头水平距离50 mm处，所有测点温度随时间变化趋势均较一致，在开始通蒸汽的2 min内5个测点全部达到100 ℃，至通汽8 min，均保持在100 ℃附近。当停止输送蒸汽后，所有测点温度均缓慢的下降，经历30 min时平均温度下降至88 ℃，在60 min时平均下降至81 ℃，只不过60 min时各点温度出现最大的差值，即测点2-2与测点2-1相差也只有7 ℃。在30 min时各测点温度仍保持在80 ℃以上，满足消毒要求。
数列3位于离针头100 mm处，因距针头较远，蒸汽在土壤中传输需要一定时间，通汽2min时，蒸汽还未传输到各测点，即各测点温度仍保持原有的土壤内环境温度，2 min之后各测点温度才开始逐渐上升，4 min时最上端的测点3-1率先升至93 ℃，6 min时升至100 ℃，各测点按测点3-3→测点3-4→测点3-2在8 min内先后达到100 ℃，只有最下端的测点3-5在通蒸汽时间停止前的8 min时才达到62 ℃，可知蒸汽远离出汽孔处向下传热的效果较差。8 min后停止输送蒸汽，各测点温度在8～14 min内出现快速下降趋势，平均降至80 ℃，之后出现缓慢下降趋势，且各测点对应各时间点的温度相差较小，经历时长30 min后，各测点温度平均下降至65 ℃，但仍达到60 ℃。
综上可知，数列组离出汽孔越远其各测点温度下降得越快，但三列测点温度在停止输送蒸汽的30 min后仍保持在60 ℃以上，满足消毒要求。
2.6 针盘结构设计
由图9可知，当距离针头水平距离为100 mm时，各测点平均温度在停止输送蒸汽后的30 min时为65 ℃，达到消毒要求，故针头的最大辐射半径可确定为100 mm。
结合实际要求消毒生产率为8～10 m2/h，蒸汽量为100～150 kg/h，一次消毒的最佳时间为8 min，则计算得一次消毒面积为1.07 m2。在单根针头出汽量为2.6 kg/h条件下，将针头数目定为49根，成正方形排列并固定在880 mm×880 mm的罩盖上，两针头间距为140 mm，如图10（a）所示，该设计可使罩盖内的各层土壤温度均达到60 ℃以上。为使蒸汽均匀地输送到每个针头，采用自制的管路来输送蒸汽，管路另一侧开有蒸汽输入孔，如图10（b）、图10（c）所示。蒸汽盘三维结构如图11所示。
3 结论
本文通过试验对基质土壤在不同出汽孔深度、通入蒸汽时间、蒸汽压力、土壤含水率条件下的传热效果进行了研究。
1） 针头上出汽孔深度、蒸汽发生装置的蒸汽压力、蒸汽输送时间以及土壤含水率均对基质土壤传热效果存在明显的影响关系。确定最佳参数为出汽孔深度160 mm、蒸汽压力0.4 MPa、蒸汽输送时间8 min。
2） 在最佳参数操作下，距针头热源水平半径50 mm、土壤由表面至深度210 mm区域范围内均具有较均匀的温度分布，30 min时的平均温度保持在90 ℃以上；距针头水平半径100 mm处，30 min时的平均温度仍能达到65 ℃，满足土壤消毒要求。
3） 本文得出单针头最佳辐射半径为100 mm，设计一种适用于移动式土壤蒸汽消毒机的罩盖式多针头蒸汽盘，为土壤蒸汽消毒机工作效率的提升奠定基础。
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