基于脈動燃燒技術的土壤消毒蒸汽發生裝置設計與試驗

潘四普 周宏平 蔣雪松 陳 青 李萍萍

(1.南京林業大學機械電子工程學院， 南京 210037； 2.南京林業大學生物與環境學院， 南京 210037)

0 引言

近年來，我國設施園藝產業發展迅猛，2015年設施園藝總面積已達410.9萬hm2，產值近9 800億元[1]，已成為部分地區的支柱性產業。在設施園藝生產過程中，由于作物品種單一、復種指數高、肥料過度施用，導致土壤鹽類累積、理化性狀劣化、根結線蟲等土傳病蟲害頻發，從而引發連作障礙，造成作物減產甚至絕收[2-4]。連作障礙已成為制約我國設施園藝土壤資源持續高效利用的瓶頸。

優質土壤是設施園藝生產的重要保障，土壤消毒是解決連作障礙的有效手段[5-8]。根據消毒介質不同，土壤消毒可分為化學藥劑消毒、生物熏蒸以及物理消毒。土壤蒸汽消毒屬于物理消毒方式的一種，主要通過向土壤中輸送高溫蒸汽以達到殺滅土壤中有害微生物的目的。與其他土壤消毒方式相比，蒸汽消毒具有如下優點：以高溫蒸汽為消毒介質，綠色環保，不影響食品安全；效率高、效果優；長期使用不會產生病蟲害抗藥性問題；可有效調節土壤理化特性，提高土壤呼吸能力，改善土壤板結狀況[9-14]。

目前國外已有較多關于土壤蒸汽消毒技術的研究報道， VAN LOENEN等[15]采用覆膜法進行土壤蒸汽消毒，可殺死土壤中絕大部分雜草種子、病菌及根結線蟲。RUNIA[16]通過抽取基質中預埋管道內的空氣產生負壓，將蒸汽吸入基質，消毒深度可達45 cm。MORRA等[17-18]采用ECOSTAR SC600型自走式土壤蒸汽消毒機對設施蔬菜基質進行消毒試驗，在消毒1 h后，15 cm深的基質仍有50～70℃，可有效殺滅大麗輪枝菌等有害真菌。GAY等[19-20]設計的Sterilter S系列自走式土壤蒸汽消毒機，采用罩蓋式消毒方式，單個消毒盤裝配99個長18 cm的注射器，蒸汽通過注射器通入土壤完成消毒作業。文獻[21-24]將基質土壤集中于消毒罐內，通過向消毒罐內通入蒸汽方式進行消毒。文獻[25-26]設計了牽引式土壤蒸汽消毒設備，由動力機械牽引前進，在通入蒸汽的同時采用旋耕刀片破碎、拋起土壤顆粒，增大蒸汽與土壤顆粒的接觸面積，增強消毒效果。

設施園藝土壤蒸汽消毒需要解決的首要問題是蒸汽來源。目前國內外土壤蒸汽消毒設備所采用的蒸汽大都通過燃煤、燃油鍋爐直燃加熱方式產生，存在設備尺寸大、與設施園藝尺寸不匹配、熱效率低、污染物排放高等問題。

脈動燃燒是一種介于穩態燃燒和爆炸燃燒之間的特殊燃燒方式，在其燃燒過程中，表征燃燒過程的狀態參數(如燃燒室壓力、溫度、尾氣流速)隨時間呈周期性變化[27-29]，具有發動機體積小、燃燒強度高、傳熱系數高、污染物排放低等優點，被廣泛應用于強化傳熱場合[30-34]。本文將脈動燃燒技術與土壤蒸汽消毒技術相結合，設計一種功率高、體積小、可用于土壤蒸汽消毒的脈動燃燒蒸汽發生裝置，通過燃油脈動燃燒加熱的方式產生蒸汽，以期為設施園藝土壤蒸汽消毒蒸汽來源問題提供一種新的解決方法。

1 功率計算

根據土壤蒸汽消毒作業對蒸汽量的需求，將蒸汽發生裝置的蒸汽產量設為130 kg/h，額定飽和蒸汽壓力為0.6 MPa，假設水溫初始為20℃。查表可得0.6 MPa下飽和蒸汽溫度為158.8℃，比焓為2 755.37 kJ/kg，20℃飽和水的比焓為83.86 kJ/kg。則蒸汽發生裝置所需要的功率為

Px=Qx/t

(1)

其中

Qx=m(hg(158.8)-hg(20))

(2)

式中Px——所需功率，kW

t——時間，s

Qx——所需熱量，kJ

m——蒸汽質量，kg

hg(158.8)——158.8℃飽和蒸汽比焓，kJ/kg

hg(20)——20℃飽和水比焓，kJ/kg

計算可得，蒸汽發生裝置所需功率為96.47 kW。

假設蒸汽發生裝置的熱效率為90%，則脈動燃燒發動機所需功率為

Pf=Px/0.9=107.12 kW

(3)

根據前期研究經驗，單化油器脈動燃燒發動機功率范圍為14～17 kW。因此，為滿足蒸汽量需求，至少需要8組單化油器脈動燃燒發動機。

2 脈動燃燒發動機設計

Helmholtz型脈動燃燒發動機依靠Helmholtz諧振器原理工作，是聲學脈動與燃燒過程相互耦合的結果。目前對脈動燃燒發動機的驅動機理認識尚不完善，在其研制過程中還缺乏完整的理性化設計方法，只能依靠試驗法進行[35]。因此，本文針對影響脈動燃燒發動機耦合過程的關鍵部件進行初步設計，然后通過試驗確定設計結果的可行性。

2.1 整機結構及工作原理

Helmholtz型脈動燃燒發動機整機結構如圖1所示，主要由油箱、化油器、高壓發生器、燃燒室、尾管、喉管以及打氣筒組成。

圖1 Helmholtz型脈動燃燒發動機裝置結構圖 Fig.1 Structure diagram of Helmholtz type pulse combustion 1.油箱 2.化油器 3.高壓發生器 4.燃燒室 5.尾管 6.喉管 7.打氣筒

啟動發動機之前，接通高壓發生器電路，火花塞開始點火。推動打氣筒向化油器內注入空氣，化油器產生油氣混合氣，經過喉管時被電火花點燃，在燃燒室內爆炸燃燒，產生高溫尾氣。由于化油器內設有單向閥膜片，體積急劇膨脹的高溫尾氣只能向尾管方向運動。在排出高溫尾氣過程中，燃燒室內溫度降低，產生負壓，吸回部分高溫尾氣，同時從化油器吸取新的油氣混合氣。新的油氣混合氣在燃燒室內遇到高溫尾氣又被點燃，完成新一輪燃燒過程。在發動機啟動之后，斷開高壓發生器電路，發動機可以實現自激、自吸，自主完成供油、供氣過程。

2.2 關鍵部件設計

通過上文計算，需要8組單化油器脈動燃燒發動機才能滿足功率需求，勢必會造成蒸汽發生裝置尺寸龐大、結構復雜。考慮到設施園藝內部作業空間有限，為縮小尺寸，簡化結構，同時保證功率，設計了雙化油器脈動燃燒發動機結構，即單組脈動燃燒發動機配備2個化油器。2個化油器同時進油、進氣，使得發動機功率得到提升，同時發動機所需數量縮減一半。為滿足雙化油器結構需要，將連接化油器與燃燒室的喉管設計成“Y”型。

燃燒室呈圓柱形，其容積為

(4)

式中Pr——脈動燃燒發動機功率，為26 kW

qr——燃燒室容積熱強度，為30 000 kW/m3

Vr——燃燒室容積，m3

燃燒室長徑比為2，經過計算、圓整，得出燃燒室內徑為0.08 m，燃燒室長度為0.16 m。為保證結構強度及密封性，燃燒室采用2 mm厚度的06Cr19Ni10不銹鋼板卷制，整體采用焊接方式。

燃燒室內油氣混合氣爆炸燃燒產生的尾氣在壓力作用下噴進尾管，此時的尾氣仍具有較高溫度，同時高速脈動的尾氣氣流削弱了邊界層的影響，有助于提高對流換熱強度，使得尾管成為蒸汽發生裝置的主要換熱面之一。為了在保證發動機結構緊湊的情況下盡量增大換熱面積，將尾管設計成3根螺旋形彎管組合形式。單根螺旋形彎管內徑為0.02 m，由06Cr19Ni10不銹鋼管卷制而成。

3 脈動燃燒發動機可行性試驗

3.1 試驗設備和方法

試驗設備主要包括：脈動燃燒發動機、測試臺架、測試水槽、MPA201型傳聲器(北京BSWA公司)、NI-9234型噪聲與振動信號采集卡(美國National Instruments公司，4通道，單通道最大采樣頻率51.2 kHz)、PC2810型秒表(深圳市惠波工貿有限公司，精度0.01 s)以及LQ-C100001型電子秤(浙江五鑫衡器有限公司，精度0.1 g)。燃料采用92號汽油。

為驗證設計結果的可行性，試驗內容主要分為3個部分。首先測試脈動燃燒發動機在空氣中的啟動性和工作穩定性。若其在空氣中具有良好的啟動性和工作穩定性，則對其功率進行測試。最后測試脈動燃燒發動機在水中的啟動性及工作穩定性。

啟動性及工作穩定性測試裝置如圖2所示，取2組脈動燃燒發動機，一組固定在測試臺架上，一組固定在測試水槽中。水槽內注滿水，保證脈動燃燒發動機的燃燒室及尾管全部浸沒在水中。通過脈動燃燒發動機的噪聲信號來分析其啟動性及工作穩定性。具體方法為：接通高壓發生器電路，推動打氣筒向化油器內打氣，觀察發動機啟動情況，每隔5 min采集化油器附近的噪聲信號，采集時間為5 s，測試時間為60 min。

圖2 啟動性和工作穩定性測試裝置 Fig.2 Testing devices of start-up performance and working stability

脈動燃燒發動機的功率計算公式為

Pm=BQdw/t

(5)

式中Pm——脈動燃燒發動機功率，kW

B——燃油消耗量，kg

Qdw——燃油低位發熱量，kJ/kg

在脈動燃燒發動機工作過程中，記錄一段時間內油箱的初始及終了時刻質量，二者之差即為燃油消耗量。功率測試重復3次，取其平均值。

3.2 試驗結果分析

第60分鐘時在空氣中進行試驗的脈動燃燒發動機噪聲時域信號如圖3所示。對在不同時刻采集到的噪聲信號進行傅里葉變換，得到不同時刻的頻率如表1所示。從表1可以看出，在60 min內脈動燃燒發動機頻率保持在90.80～90.89 Hz之間，平均頻率90.86 Hz，極差為0.09 Hz，標準差為0.03 Hz。因此該脈動燃燒發動機在空氣中具有良好的啟動性及工作穩定性。

圖3 脈動燃燒發動機噪聲時域信號 Fig.3 Time domain signal of pulse combustion engine noise

脈動燃燒發動機的功率測試結果如表2所示。從表2可看出，3次測試平均功率為26.8 kW，滿足上文所計算的對脈動燃燒發動機的功率需求。

表1 脈動燃燒發動機在空氣中的工作頻率 Tab.1 Working frequency of pulse combustion engine in air

表2 脈動燃燒發動機功率測試 Tab.2 Power test of pulse combustion engine

脈動燃燒發動機在水中的工作頻率如表3所示。從表3可以看出，在60 min內脈動燃燒發動機頻率保持在87.27～87.81 Hz之間，平均頻率為87.51 Hz，極差為0.54 Hz，標準差為0.16 Hz。因此該脈動燃燒發動機在水中同樣具有良好的啟動性及工作穩定性。

表3 脈動燃燒發動機在水中的工作頻率 Tab.3 Working frequency of pulse combustion engine in water

4 蒸汽發生裝置結構設計和工作原理

脈動燃燒蒸汽發生裝置的結構如圖4所示，主要由4組Helmholtz型脈動燃燒發動機和鍋體兩大部分組成。脈動燃燒發動機的燃燒室及尾管全部浸沒在鍋體內部水中。鍋體呈圓筒形，主要由筒體、前封頭、后封頭、汽包以及進水口、出汽口等接口組成。汽包位于筒體之上，以實現汽、水分離。前、后封頭均為橢圓型封頭，且都開有孔，分別與脈動燃燒發動機的喉管與波紋管連接，將主要發熱部件封閉在鍋體內。后封頭設有手孔，方便對鍋體內部檢修。

圖4 脈動燃燒蒸汽發生裝置結構圖 Fig.4 Structure diagram of pulse combustion steam generator 1.油箱 2.火花塞 3.化油器 4.高壓發生器 5.打氣筒 6.喉管 7.燃燒室 8.尾管 9.排氣去耦室 10.波紋管 11.后封頭 12.液位計 13.汽包 14.筒體 15.前封頭

脈動燃燒發動機啟動之后，高溫尾氣在經尾管、排氣去耦室、波紋管排出過程中，所攜帶的熱量通過對流換熱傳遞給鍋體內的水，對其進行加熱，實現熱量傳遞。當鍋體內的水溫度升至沸點時，產生蒸汽，經汽包輸出，供土壤消毒設備使用。

5 蒸汽發生裝置性能試驗

根據GB/T 10820—2011要求，對蒸汽發生裝置的性能測試項目主要包括：熱效率、尾氣溫度及過量空氣系數。

5.1 試驗設備和方法

試驗設備主要包括：脈動燃燒蒸汽發生裝置、LDG電磁流量計(上海馳控自動化儀表有限公司，精度等級0.5級)、電子秤、AUTOplus 5-2型手持式尾氣分析儀(英國Kane公司)、CT3030型電導率儀(深圳市柯迪達電子有限公司，精度1 μS/cm)、TES 1310型數顯溫度計(臺灣泰仕電子工業股份有限公司，精度0.1℃)。

根據GB/T 10820—2011采用正平衡法對蒸汽發生裝置的熱效率進行試驗。在正式試驗開始前，保持蒸汽發生裝置穩定運行1.5 h，使其達到熱工況穩定狀態。連續試驗2 h，在試驗過程中每隔5 min記錄一次進水溫度、蒸汽壓力，其余項目每隔10 min記錄一次。試驗結束時，鍋筒內的水位應與試驗開始時保持一致。試驗在額定工況和非額定工況下進行2次，分別計算其熱效率。試驗現場如圖5所示。

圖5 試驗現場圖 Fig.5 Photo of experiment

脈動燃燒蒸汽發生裝置的熱效率計算公式為

(6)

(7)

Qin=BQdw

(8)

式中Qout——蒸汽發生裝置有效利用熱量，kJ

Qin——蒸汽發生裝置輸入熱量，kJ

Dgs——蒸汽發生裝置蒸汽產量，kg/h

hgq——飽和蒸汽比焓，kJ/kg

hgs——飽和水比焓，kJ/kg

r——飽和蒸汽汽化潛熱，kJ/kg

ω——飽和蒸汽濕度，%

Gs——鍋水取樣量，kg/h

蒸汽發生裝置熱功率計算公式為

P=Qout/t

(9)

式中P——蒸汽發生裝置熱功率，kW

5.2 試驗結果分析

蒸汽發生裝置運行參數如表4所示。由表4可看出，脈動燃燒蒸汽發生裝置在額定工況和非額定工況下都具有較高的熱效率，2次試驗熱效率分別為95.5%、95.8%，遠高于GB/T 10820—2011所要求的燃油鍋爐最低熱效率86%。2次熱效率之差為0.3%，小于GB/T 10820—2011所要求的2%，表明蒸汽發生裝置熱工況較為穩定。此外，尾氣溫度和過量空氣系數均小于GB/T 10820—2011所要求的210℃和1.3。額定功率110.8 kW，大于所需功率107.12 kW，滿足功率需求。額定蒸汽產量150 kg/h，滿足土壤蒸汽消毒蒸汽量的要求。

表4 蒸汽發生裝置運行參數 Tab.4 Operation parameters of steam generator

6 結論

(1)通過功率計算，得到額定蒸汽壓力0.6 MPa、蒸汽產量130 kg/h，需要功率107.12 kW，8組脈動燃燒發動機可以滿足功率需求。

(2)脈動燃燒發動機在空氣中和水中均具有良好的啟動性和工作穩定性。在空氣中平均工作頻率為90.86 Hz，在水中平均工作頻率為87.51 Hz。

(3)蒸汽發生裝置額定蒸汽產量150 kg/h，額定功率110.8 kW，額定工況下熱效率95.5%，可以滿足土壤蒸汽消毒蒸汽量的要求。