三七土壤水蒸氣消毒針結構設計與試驗

王鳳花 宋 彥 賴慶輝 趙 威

(昆明理工大學農業與食品學院， 昆明 650500)

0 引言

三七是一種名貴中藥材，廣泛種植于云南省，但連作障礙嚴重制約了三七產業的可持續發展。近年來，土壤消毒成為解決設施農業重茬連作障礙的有效措施[1-4]。土壤蒸汽消毒是將高溫水蒸氣通入土壤中，將土壤中的細菌以及大部分雜草種高溫殺滅[5-11]。根據病害死亡臨界溫度梯度[12-13]及前期相關研究[14-16]，溫度需達到90℃以上并保持10 min、消毒深度需達到15～20 cm后，才能達到三七土壤消毒的農藝要求。目前缺乏針對三七中藥材的土壤蒸汽消毒裝備，為克服三七連作障礙急需對此問題進行研究。

關于土壤蒸汽消毒國內外已有大量研究[17-19]，GAY等[20-21]設計的自走式土壤蒸汽消毒機使用注射器將蒸汽通入土壤，能在8 min內將所有土層加熱到80℃以上，且能將土壤保持在70℃以上至少1 h，但加熱溫度達不到90℃。RUNIA[22]將基質中預埋管道內的空氣抽取，使其產生負壓，將蒸汽吸入基質，但工藝流程復雜。汪小旵等[23-24]設計的移動式土壤旋耕消毒機，機具在行走過程中通過消毒毛管將蒸汽通入土壤中，土壤消毒后溫度在 58.9～70.6℃之間，作業效率高，但土壤加熱溫度較低，且不能保溫。蔣雪松等[25]對注射器進行了仿真優化，取得最佳消毒區域大小和注射器結構參數，但未考慮加熱交互作用。

本文設計一種針式蒸汽輸出裝置，主要通過消毒針將高溫蒸汽注射到土壤內，從而達到土壤消毒的目的，重點對消毒針進行Fluent模擬仿真及土壤熱傳導試驗驗證，找出加熱規律，優化其結構參數，使其滿足將15～20 cm深的土壤加熱到90℃并保持10 min的農藝要求，為整機的設計提供理論基礎。

1 蒸汽輸出裝置結構

1.1 裝置結構

為克服三七連作障礙設計的針式土壤蒸汽消毒輸出裝置如圖1所示，主要由蒸汽罩、主蒸汽管、副蒸汽管、消毒針和支撐架組成，主副蒸汽管由支撐架固定并安裝在消毒罩內，消毒針安裝在副蒸汽管上。蒸汽罩及各器件為不銹鋼材質以防止水蒸氣的腐蝕。根據三七種植基地的農藝要求，單行試驗田幅寬為1.5 m，為了留有作業余量，確定蒸汽罩尺寸為1.4 m×1.0 m，罩厚1.5 mm，根據消毒針長度確定蒸汽罩高100 mm。

圖1 蒸汽輸出裝置示意圖Fig.1 Schematic of steam output device1.副蒸汽管 2.消毒針 3.支撐架 4.主蒸汽管 5.蒸汽罩

1.2 消毒針設計

消毒針是蒸汽消毒機實現土壤蒸汽消毒的核心部件，考慮到土壤的結構復雜且消毒針內部為高溫高壓的水蒸氣[25]，所以消毒針采用強度高、耐熱、耐腐蝕的20鋼精密無縫鋼管，其結構和尺寸如圖2所示。

圖2 消毒針結構示意圖Fig.2 Disinfection needle structure diagram

消毒針通過螺紋與副蒸汽管連接，插入土壤中的有效深度為200 mm。針頭采用淬火工藝來提高其硬度和耐磨性，從而保證了消毒針在土壤消毒作業過程中保持較長的使用壽命。

2 仿真

2.1 土壤參數獲取

為了獲取三七種植的土壤相關參數，2018年3月22日在石林基地三七仿生種植工廠進行了土樣的采集。試驗田長45 m，寬1.5 m，用環刀每隔5 m在試驗田兩側各取一土樣，共取20個，標號1～20，用環刀盒和試樣袋密封以減小水分蒸發，從而進行土壤參數測量及計算。根據指測法確定土壤的質地為沙壤土。

2.2 水蒸氣出口流速

蒸汽發生裝置選用LHSO.2-0.7-Y(Q)型蒸汽發生器(張家港市尚億熱能設備有限公司)，其額定蒸發量為0.2 t/h，蒸汽軟管直徑為33 mm，其飽和水蒸氣通過蒸汽管的出口流速計算式為[23-24]

(1)

式中ρ——水蒸氣密度，kg/m3

uw——水蒸氣流速，m/s

t——時間，取1 h

d——蒸汽軟管直徑，mm

由式(1)求得出口流速為uw=22.2 m/s。

2.3 仿真及參數設置

選用ICEM軟件對模型進行網格劃分，劃分網格單元數為551 398個，節點數為100 040個，選用Fluent仿真軟件對消毒針內部結構進行流體力學仿真，確定消毒針內水蒸氣的流速、壓強及溫度的變化，進行仿真設置，檢驗設置是否正確，開始仿真。測得土壤參數及仿真參數設置如表1所示。網格圖如圖3所示。

表1 模擬參數設置Tab.1 Simulation parameter setting

圖3 消毒針網格圖Fig.3 Disinfection needle grid diagram

2.4 消毒針內部及孔口流速分析

消毒針內部流速仿真結果如圖4所示，從圖4a中可以看出，當進口速度與壓力一定時，消毒針內部上方蒸汽流速介于40～60 m/s，而消毒針下方蒸汽流速在20 m/s以下，從圖4b中可以直觀看出消毒針內部上方蒸汽流速遠大于下方的蒸汽流速。

圖4 消毒針內部流速場及速度矢量圖Fig.4 Internal velocity field and velocity vector of disinfection needle

消毒針從上到下的孔口(孔口1、孔口2、孔口3、孔口4)蒸汽出口流速矢量圖如圖5所示。從圖中可以看出，越下方的孔口，速度矢量箭頭顏色越淺，蒸汽流速越低。孔口蒸汽流速最低為13 m/s，最高可達264 m/s，而入口設置流速為22.2 m/s，說明消毒針內部構造有增大孔口出口流速的作用。

圖5 孔口流速矢量圖Fig.5 Diagram of orifice flow vector

蒸汽流速越大，蒸汽噴射距離越遠，土壤加熱效果越好，可以預知上層土壤加熱效果優于下層土壤。

2.5 消毒針內部壓強及溫度變化

圖6 消毒針內部壓力及溫度Fig.6 Internal pressure and temperature of disinfection needle

消毒針內部壓力變化如圖6a所示，消毒針內部壓力小幅增大，增幅最大為0.014 MPa，最大值為0.114 MPa，孔口處壓力減小至0.102 MPa但依然大于進口壓力；由于壓力增大，消毒針內部蒸汽溫度也小幅增大，并在孔口處降溫到100℃附近，如圖6b。

3 土壤熱傳導試驗

3.1 試驗裝置

為了探究土壤的升溫規律，進行了土壤熱傳導試驗。根據三七種植基地的農藝要求及前期工作研究，設計出一種試驗裝置，如圖7所示。試驗裝置有4根消毒針，每根消毒針的最大輻射半徑為125 mm，消毒深度為200 mm，消毒時長為10 min。蒸汽發生器的試驗參數為：額定蒸發量為200 kg/h，額定壓力為0.1 MPa，出口飽和水蒸氣溫度為99℃。

圖7 試驗裝置及其管道布局示意圖Fig.7 Experimental device and its pipeline layout1.蒸汽罩殼 2.消毒針 3.主蒸汽管 4.副蒸汽管

為了防止主副蒸汽管破裂而造成蒸汽損失和安全隱患，對其管道壁厚進行了理論計算，公式為

(2)

(3)

式中δ1——主蒸汽管道理論壁厚，mm

pd——管道的計算壓力，MPa

D0——主蒸汽管道管道外徑，mm

[σ]——鋼管在計算溫度下的基本許用應力，MPa

Φ——基本許用應力修正系數(無縫鋼管Φ=1)

δ2——消毒針管道理論壁厚，mm

D1——消毒針外徑，mm

由于消毒針頂部需要焊接以及加工螺紋，壁厚不能低于1.5 mm，所以確定主副蒸汽管道和消毒針壁厚為2 mm，試驗裝置參數如表2所示。

3.2 試驗及分析

試驗土槽為長705 mm、寬450 mm、高300 mm的箱體，在試驗土槽兩側從下至上依次在距離箱底5、65、125、185 mm處各開一個孔位，在孔位中各插入四通道HT9815型溫度傳感器(鴻泰儀表有限公司)，進行實時的溫度檢測，如圖8所示，探究土壤升降溫的普遍規律及檢驗仿真試驗的正確性。

表2 試驗裝置參數Tab.2 Experimental device parameters mm

圖8 土壤熱傳導試驗Fig.8 Soil heat transfer experiment

在含水率為19%、土壤孔隙度為16%、土壤初始溫度為13℃的情況下，蒸汽發生器開啟，當消毒針孔口開始有水蒸氣時，將試驗裝置插入土壤中，開始計時，在10 min后斷絕水蒸氣來源，進行3組試驗求平均值，不同土層試驗升溫情況如表3所示。

表3 不同土層溫度變化情況Tab.3 Different soil layers test heating rate ℃

由表3可以看出，試驗進行5 min后，試驗土壤各層溫度都已經達到90℃，底層185 cm處土壤加熱較慢；這與仿真分析預測結果一致，即由于消毒針下方孔口流出速度較慢導致土壤加熱效率低。10 min后土壤開始降溫，相同起始溫度下，表層5 cm處土壤和底層185 cm處土壤熱量散失最快，但土壤仍能將溫度保持在90℃以上5～10 min。為整機的實際田間作業效率和可行性提供了理論依據。

4 正交試驗及驗證

4.1 試驗設計及結果

為了探究消毒針孔口結構參數對土壤升溫到90℃所需時長的影響及確定消毒針孔口最優結構參數組合，選取消毒針單側孔口數量(A)、孔口直徑(B)和水蒸氣出射角(C)為試驗因素，每個因素選取4個水平，土壤升溫到90℃所需時間作為試驗指標，采用L16(45)正交表進行土槽試驗，因素水平如表4所示。水蒸氣出射角示意圖如圖9所示，以主蒸汽管為0°線。

表4 試驗因素水平Tab.4 Factors and levels of orthogonal test

圖9 水蒸氣出射角示意圖Fig.9 Schematics of steam exit angle

試驗結果如表5所示，X1、X2、X3為孔口數量、孔口直徑、水蒸氣出射角水平值。由極差分析得出因素對土壤升溫到90℃時長的影響主次順序為單側孔口數量A、孔口直徑B、水蒸氣出射角度C。應用Design-Expert軟件對試驗因素進行方差分析，如表6所示。結果表明單側孔口數量A對時長影響極顯著(P<0.01)，孔口直徑B對時長影響顯著(P<0.05)，水蒸氣出射角C對時長影響不顯著(P>0.05)。土壤升溫到90℃的時長越短，消毒針結構加熱效果越好。由Design-Expert軟件自動分析出消毒針最優參數組合為：A2B2C2，即單側孔口數量為4個、孔口直徑為2 mm、水蒸氣出射角為45°。

4.2 試驗驗證

對優化后的消毒針結構參數進行試驗驗證，選取單側孔口數量為4個，孔口直徑為2 mm，水蒸氣出射角度為45°，在相同條件下進行試驗，共重復3次，通過試驗驗證得到土壤升溫到90℃所需時間為116 s。

表5 試驗方案與結果Tab.5 Experimental scheme and results

表6 方差分析結果Tab.6 Results of variance analysis

注：*表示差異顯著(P<0.05)，** 表示差異極顯著(P<0.01)。

5 消毒針數量分析

為了優化消毒針數量及排布方式，為整機的制造提供理論基礎，進行16、25、36、49、64根針布置比較，即縱向×橫向為4×4、5×5、6×6、7×7、8×8的布局，消毒針橫向間距依次為375、300、250、215、188 mm，對不同的技術方案進行仿真，觀測土壤的升溫情況，從而得出最優的消毒針數量參數。試驗后發現消毒針8×8布局水蒸氣熱能利用不完全且對整機的工藝要求極高，不予以考慮。

5.1 數值模擬

使用Fluent多孔介質傳熱模型進行仿真，對網格進行均勻劃分，土壤粘性阻力系數和慣性阻力系數由土壤特性確定，參數如表1所示，模擬時間步長為0.01 s，模擬時間為200 s。

5.2 試驗分析

由圖10a可以看出，消毒針4×4布局時，消毒針之間間距為375 mm，由于消毒針之間間距過大，消毒針之間的土壤未被完全加熱，溫度最低處為32～37℃之間。加熱效率較低，加熱時間較長。由圖10b可以看出，消毒針5×5布局時，由于消毒針間距離縮小，土壤中心溫度有所提升，但加熱效率仍然很低，溫度最低處為37～42℃之間。由圖10c可以看出，消毒針6×6布局時，土壤溫度升溫明顯，大部分區域溫度在90～97℃之間，土壤升溫速度較快，加熱效率較高。由圖10d可以看出，當消毒針7×7排布時，土壤全部區域已經達到90℃以上，加熱效率高，完全符合三七土壤消毒的要求，但7×7排布時，雖然水蒸氣對土壤的加熱效果最好，但是消毒針過多。為保證水蒸氣消毒機整機的精簡程度，選取消毒針6×6布局，既提高了水蒸氣的加熱效率，又精簡了機器的結構。

圖10 消毒針布局方式Fig.10 Disinfection needle layouts

6 土壤成分變化分析

為了探究土壤水蒸氣消毒對土壤有機質和pH值的影響，分別采用水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法和電位法對消毒前后的土樣有機質含量和pH值進行測量，觀測其變化情況。

6.1 土壤有機質含量變化

配置含碳量為0、2.5、5.0、7.5、10.0、12.5、15.0 mg的對比液，測出吸光度，并繪制出標準曲線，如圖11所示。得出線性回歸方程為

y=0.014 33x-0.001 32

(4)

圖11 含碳對比液標準曲線Fig.11 Carbon-containing contrast liquid standard curve

取消毒前箱體內3份土樣每份1 g，分別標定為A1、A2、A3，消毒后箱體內3份土樣每份1 g，分別標定為B1、B2、B3。測得消毒前后各土樣吸光度按順序分別為0.249、0.235、0.259、0.245、0.230、0.255，代入線性回歸方程(4)得到含碳量分別為17.468、16.491、18.166、17.174、16.175、17.872 mg，根據有機質計算公式

(5)

式中SOM——土壤有機質質量比，g/kg

m1——標準曲線或回歸方程求得的待測液含碳量，mg

?——氧化校正系數，為1.32

μ——有機碳換算成有機質的系數，為1.724

m——烘干土樣的質量，g

求得有機質含量按土樣標號順序分別為39.752、37.528、41.34、39.082、36.808、40.672 g/kg。可以看出，消毒使土壤有機質含量平均值從39.54 g/kg下降到38.854 g/kg。根據全國第二次土壤普查有機質含量和分級標準[26]，消毒過后的土壤有機質含量仍滿足三七以及各種農作物的生長要求。

6.2 土壤pH值變化

三七喜中偏酸性沙壤土，pH值以4.5～8為宜，取A1、A2、A3、B1、B2、B3土樣，將土樣研磨，并按照土水1∶2.5的比例進行充分攪勻，沉淀15 min取上層清液，使用雷磁pHS-3C pH計進行pH值測量，測得pH值按土樣標號順序分別為4.84、4.82、4.82、5.52、5.55、5.51。可以看出，試驗土樣為酸性土壤，消毒后pH值小幅增加，但土壤pH值仍為酸性，符合三七生長的要求。

7 結論

(1)針對三七土壤消毒的農藝要求設計了一種針式土壤消毒裝置，通過Fluent流體力學仿真模型驗證消毒針結構的可行性。仿真結果表明，消毒針內部構造有增大孔口出口流速的作用，且上層孔口出流速度大于下方孔口出流速度，上層土壤加熱效果優于下層土壤；消毒針內部壓力和溫度增大。

(2)土壤熱傳導試驗表明，在5 min以內即可將土壤加熱到90℃，上層土壤升溫速度大于下層土壤升溫速度，驗證了仿真試驗的正確性；表層和底層土壤熱量散失較快，但土壤仍能將90℃以上溫度保持5～10 min。

(3)通過正交試驗，探尋消毒針結構參數對土壤升溫時長的影響，尋求最優結構參數組合，得到了消毒針最優結構參數組合，即單側孔口數量為4個、孔口直徑為2 mm、水蒸氣出射角為45°。此時土壤升溫到90℃時間最短，為116 s。

(4)為了優化消毒針的排布方式，進行了Fluent多孔介質傳熱仿真，仿真結果表明，消毒針的最佳排布方式為6×6，最佳數量為36根，間距為250 mm。

(5)通過水合熱重鉻酸鉀氧化-比色法和電位法測量土壤消毒前后的有機質含量和pH值，結果表明，消毒后土壤有機質含量平均值降低、pH值增大，但仍符合三七生長的要求，故水蒸氣消毒對三七土壤環境影響較小。