潘四普 周宏平 蔣雪松 陳 青 李萍萍

(1.南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院， 南京 210037； 2.南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院， 南京 210037)

0 引言

近年來，我國設(shè)施園藝產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，2015年設(shè)施園藝總面積已達(dá)410.9萬hm2，產(chǎn)值近9 800億元[1]，已成為部分地區(qū)的支柱性產(chǎn)業(yè)。在設(shè)施園藝生產(chǎn)過程中，由于作物品種單一、復(fù)種指數(shù)高、肥料過度施用，導(dǎo)致土壤鹽類累積、理化性狀劣化、根結(jié)線蟲等土傳病蟲害頻發(fā)，從而引發(fā)連作障礙，造成作物減產(chǎn)甚至絕收[2-4]。連作障礙已成為制約我國設(shè)施園藝土壤資源持續(xù)高效利用的瓶頸。

優(yōu)質(zhì)土壤是設(shè)施園藝生產(chǎn)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(jù)消毒介質(zhì)不同，土壤消毒可分為化學(xué)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(dá)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(yōu)點：以高溫蒸汽為消毒介質(zhì)，綠色環(huán)保，不影響食品安全；效率高、效果優(yōu)；長期使用不會產(chǎn)生病蟲害抗藥性問題；可有效調(diào)節(jié)土壤理化特性，提高土壤呼吸能力，改善土壤板結(jié)狀況[9-14]。

目前國外已有較多關(guān)于土壤蒸汽消毒技術(shù)的研究報道， VAN LOENEN等[15]采用覆膜法進(jìn)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(jié)線蟲。RUNIA[16]通過抽取基質(zhì)中預(yù)埋管道內(nèi)的空氣產(chǎn)生負(fù)壓，將蒸汽吸入基質(zhì)，消毒深度可達(dá)45 cm。MORRA等[17-18]采用ECOSTAR SC600型自走式土壤蒸汽消毒機對設(shè)施蔬菜基質(zhì)進(jìn)行消毒試驗，在消毒1 h后，15 cm深的基質(zhì)仍有50～70℃，可有效殺滅大麗輪枝菌等有害真菌。GAY等[19-20]設(shè)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(yè)。文獻(xiàn)[21-24]將基質(zhì)土壤集中于消毒罐內(nèi)，通過向消毒罐內(nèi)通入蒸汽方式進(jìn)行消毒。文獻(xiàn)[25-26]設(shè)計了牽引式土壤蒸汽消毒設(shè)備，由動力機械牽引前進(jìn)，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(shè)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(nèi)外土壤蒸汽消毒設(shè)備所采用的蒸汽大都通過燃煤、燃油鍋爐直燃加熱方式產(chǎn)生，存在設(shè)備尺寸大、與設(shè)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(wěn)態(tài)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(tài)參數(shù)(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(fā)動機體積小、燃燒強度高、傳熱系數(shù)高、污染物排放低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于強化傳熱場合[30-34]。本文將脈動燃燒技術(shù)與土壤蒸汽消毒技術(shù)相結(jié)合，設(shè)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(fā)生裝置，通過燃油脈動燃燒加熱的方式產(chǎn)生蒸汽，以期為設(shè)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(jù)土壤蒸汽消毒作業(yè)對蒸汽量的需求，將蒸汽發(fā)生裝置的蒸汽產(chǎn)量設(shè)為130 kg/h，額定飽和蒸汽壓力為0.6 MPa，假設(shè)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(fā)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(zhì)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(fā)生裝置所需功率為96.47 kW。

假設(shè)蒸汽發(fā)生裝置的熱效率為90%，則脈動燃燒發(fā)動機所需功率為

Pf=Px/0.9=107.12 kW

(3)

根據(jù)前期研究經(jīng)驗，單化油器脈動燃燒發(fā)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(fā)動機。

2 脈動燃燒發(fā)動機設(shè)計

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

2.1 整機結(jié)構(gòu)及工作原理

Helmholtz型脈動燃燒發(fā)動機整機結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由油箱、化油器、高壓發(fā)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(fā)動機裝置結(jié)構(gòu)圖 Fig.1 Structure diagram of Helmholtz type pulse combustion 1.油箱 2.化油器 3.高壓發(fā)生器 4.燃燒室 5.尾管 6.喉管 7.打氣筒

啟動發(fā)動機之前，接通高壓發(fā)生器電路，火花塞開始點火。推動打氣筒向化油器內(nèi)注入空氣，化油器產(chǎn)生油氣混合氣，經(jīng)過喉管時被電火花點燃，在燃燒室內(nèi)爆炸燃燒，產(chǎn)生高溫尾氣。由于化油器內(nèi)設(shè)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(nèi)溫度降低，產(chǎn)生負(fù)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(nèi)遇到高溫尾氣又被點燃，完成新一輪燃燒過程。在發(fā)動機啟動之后，斷開高壓發(fā)生器電路，發(fā)動機可以實現(xiàn)自激、自吸，自主完成供油、供氣過程。

2.2 關(guān)鍵部件設(shè)計

通過上文計算，需要8組單化油器脈動燃燒發(fā)動機才能滿足功率需求，勢必會造成蒸汽發(fā)生裝置尺寸龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜?？紤]到設(shè)施園藝內(nèi)部作業(yè)空間有限，為縮小尺寸，簡化結(jié)構(gòu)，同時保證功率，設(shè)計了雙化油器脈動燃燒發(fā)動機結(jié)構(gòu)，即單組脈動燃燒發(fā)動機配備2個化油器。2個化油器同時進(jìn)油、進(jìn)氣，使得發(fā)動機功率得到提升，同時發(fā)動機所需數(shù)量縮減一半。為滿足雙化油器結(jié)構(gòu)需要，將連接化油器與燃燒室的喉管設(shè)計成“Y”型。

燃燒室呈圓柱形，其容積為

(4)

式中Pr——脈動燃燒發(fā)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(jīng)過計算、圓整，得出燃燒室內(nèi)徑為0.08 m，燃燒室長度為0.16 m。為保證結(jié)構(gòu)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(nèi)油氣混合氣爆炸燃燒產(chǎn)生的尾氣在壓力作用下噴進(jìn)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(fā)生裝置的主要換熱面之一。為了在保證發(fā)動機結(jié)構(gòu)緊湊的情況下盡量增大換熱面積，將尾管設(shè)計成3根螺旋形彎管組合形式。單根螺旋形彎管內(nèi)徑為0.02 m，由06Cr19Ni10不銹鋼管卷制而成。

3 脈動燃燒發(fā)動機可行性試驗

3.1 試驗設(shè)備和方法

試驗設(shè)備主要包括：脈動燃燒發(fā)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(mào)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(shè)計結(jié)果的可行性，試驗內(nèi)容主要分為3個部分。首先測試脈動燃燒發(fā)動機在空氣中的啟動性和工作穩(wěn)定性。若其在空氣中具有良好的啟動性和工作穩(wěn)定性，則對其功率進(jìn)行測試。最后測試脈動燃燒發(fā)動機在水中的啟動性及工作穩(wěn)定性。

啟動性及工作穩(wěn)定性測試裝置如圖2所示，取2組脈動燃燒發(fā)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(nèi)注滿水，保證脈動燃燒發(fā)動機的燃燒室及尾管全部浸沒在水中。通過脈動燃燒發(fā)動機的噪聲信號來分析其啟動性及工作穩(wěn)定性。具體方法為：接通高壓發(fā)生器電路，推動打氣筒向化油器內(nèi)打氣，觀察發(fā)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(wěn)定性測試裝置 Fig.2 Testing devices of start-up performance and working stability

脈動燃燒發(fā)動機的功率計算公式為

Pm=BQdw/t

(5)

式中Pm——脈動燃燒發(fā)動機功率，kW

B——燃油消耗量，kg

Qdw——燃油低位發(fā)熱量，kJ/kg

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

3.2 試驗結(jié)果分析

第60分鐘時在空氣中進(jìn)行試驗的脈動燃燒發(fā)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(jìn)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(nèi)脈動燃燒發(fā)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(biāo)準(zhǔn)差為0.03 Hz。因此該脈動燃燒發(fā)動機在空氣中具有良好的啟動性及工作穩(wěn)定性。

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

脈動燃燒發(fā)動機的功率測試結(jié)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(fā)動機的功率需求。

表1 脈動燃燒發(fā)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(fā)動機功率測試 Tab.2 Power test of pulse combustion engine

脈動燃燒發(fā)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(nèi)脈動燃燒發(fā)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(biāo)準(zhǔn)差為0.16 Hz。因此該脈動燃燒發(fā)動機在水中同樣具有良好的啟動性及工作穩(wěn)定性。

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

4 蒸汽發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計和工作原理

脈動燃燒蒸汽發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由4組Helmholtz型脈動燃燒發(fā)動機和鍋體兩大部分組成。脈動燃燒發(fā)動機的燃燒室及尾管全部浸沒在鍋體內(nèi)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(jìn)水口、出汽口等接口組成。汽包位于筒體之上，以實現(xiàn)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(fā)動機的喉管與波紋管連接，將主要發(fā)熱部件封閉在鍋體內(nèi)。后封頭設(shè)有手孔，方便對鍋體內(nèi)部檢修。

圖4 脈動燃燒蒸汽發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)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(fā)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(fā)動機啟動之后，高溫尾氣在經(jīng)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(nèi)的水，對其進(jìn)行加熱，實現(xiàn)熱量傳遞。當(dāng)鍋體內(nèi)的水溫度升至沸點時，產(chǎn)生蒸汽，經(jīng)汽包輸出，供土壤消毒設(shè)備使用。

5 蒸汽發(fā)生裝置性能試驗

根據(jù)GB/T 10820—2011要求，對蒸汽發(fā)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(shù)。

5.1 試驗設(shè)備和方法

試驗設(shè)備主要包括：脈動燃燒蒸汽發(fā)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(dǎo)率儀(深圳市柯迪達(dá)電子有限公司，精度1 μS/cm)、TES 1310型數(shù)顯溫度計(臺灣泰仕電子工業(yè)股份有限公司，精度0.1℃)。

根據(jù)GB/T 10820—2011采用正平衡法對蒸汽發(fā)生裝置的熱效率進(jìn)行試驗。在正式試驗開始前，保持蒸汽發(fā)生裝置穩(wěn)定運行1.5 h，使其達(dá)到熱工況穩(wěn)定狀態(tài)。連續(xù)試驗2 h，在試驗過程中每隔5 min記錄一次進(jìn)水溫度、蒸汽壓力，其余項目每隔10 min記錄一次。試驗結(jié)束時，鍋筒內(nèi)的水位應(yīng)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(jìn)行2次，分別計算其熱效率。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場圖 Fig.5 Photo of experiment

脈動燃燒蒸汽發(fā)生裝置的熱效率計算公式為

(6)

(7)

Qin=BQdw

(8)

式中Qout——蒸汽發(fā)生裝置有效利用熱量，kJ

Qin——蒸汽發(fā)生裝置輸入熱量，kJ

Dgs——蒸汽發(fā)生裝置蒸汽產(chǎn)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(fā)生裝置熱功率計算公式為

P=Qout/t

(9)

式中P——蒸汽發(fā)生裝置熱功率，kW

5.2 試驗結(jié)果分析

蒸汽發(fā)生裝置運行參數(shù)如表4所示。由表4可看出，脈動燃燒蒸汽發(fā)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(yuǎn)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(fā)生裝置熱工況較為穩(wěn)定。此外，尾氣溫度和過量空氣系數(shù)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(chǎn)量150 kg/h，滿足土壤蒸汽消毒蒸汽量的要求。

表4 蒸汽發(fā)生裝置運行參數(shù) Tab.4 Operation parameters of steam generator

6 結(jié)論

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

(2)脈動燃燒發(fā)動機在空氣中和水中均具有良好的啟動性和工作穩(wěn)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(fā)生裝置額定蒸汽產(chǎn)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。