《河北渔业 ̄2015年第4期(总第256期) o调查与分析 DOI:1 0.3969/j.issn.1 004—6755.201 5.04.0 16 工厂化养殖池中两种材质盘管 调温效果的经济性比较 刁劭最 ,丁 玲 (1.中国水产科学研究院渔业工程研究所,北京100141;2.北京理工大学,北京100081) 摘 要:目前我国工厂化水产养殖模式还处于初级阶段,在设施、工艺、产量、效益等方面都有待提高。本文 通过对现有工厂化养殖调温系统进行调研,总结出典型的标准的换热器调温系统应为盘管式系统。通过理 论研究的方法,推导出盘管式换热器的选型公式以及总投资公式。根据换热管道与养殖水体间以及养殖水 体与空气和池壁之间的热交换特点,建立流动与传热的数学模型。采用CFD(Computational Fluid Dynamics 计算流体力学)方法模拟得到养殖池内水温的三维场分布,从而直观地得出温度场分布,将数值模拟数据用 SPSS进行回归分析,可得加热时间和管径的函数关系,可以对加热所需时间进行精确的计算。结合微观经济 学消费者理论,得出两种不同盘管的预算约束式和预算线(budget line),根据不同的管径,确定不同的材质和 数量,得出不同边界条件下的初步经济分析,为实践工程设计依据设备选型提供设计依据。 关键词:工厂化养殖;盘管系统;温度调节 0 引言 工厂化养殖水产品是世界水产养殖业发展的 新趋势,许多发达国家以及发展中国家都在积极 发展工厂化水产养殖,以期能够将水产养殖业推 向更高层次,使其能够适应高科技时代的发展。 一目前我国工厂化水产养殖模式还处于初级阶 段,养殖工艺简单,养殖设备单产低、耗能大、效率 低,与发达国家技术密集型的封闭式循环水养殖 相比,我国在设施、工艺、产量、效益等方面还存在 着相当大的差距l3]。 当前我国的工厂化养殖正面临着一场变革, 养殖池从露天型逐步向温室型发展是发展趋向。 般所指的工厂化养殖主要是在人工小水体中进 行高密度养殖的生产模式_】]。世界发达国家水产 养殖工厂以大型和特大型为主,有的已经形成了 集团和跨国公司。对于这些企业而言,如何实现 规模效益是大家关注的焦点[2]。 我国在工厂化水产养殖方面起步比较晚,在 2O世纪80年代曾经有少数发电厂利用海水发电 余温养殖过牙鲆、河纯等鱼类。90年代山东荣成 和威海根据日本、韩国的经验开始在陆地养殖池 采用温室型养殖池利用时间差和空间差的交错组 合实行加温养殖,可以形成多层次多功能的高效 养殖系统。目前学术界对于工厂化养殖采用温室 型养殖池,有关温度场分布及规律特点的研究还 未见报道。本文研究了养殖温室内温度场的分布 情况,以及其差异性对温室内加热设施、养殖池水 温、设施经济性及养殖环境影响。 内养殖牙鲆。随着大菱鲆的引进,工厂化养殖逐 渐在山东半岛和辽东半岛普及,此后向河北、天津 等省市推广,并且延伸到浙江、福建沿海地区。从 l研究内容及技术路线 1.1 技术路线 工厂化水产养殖主要内容是建立一个水体循 环的封闭养殖工厂,通过一系列的生物和物理方 此,我国北方的陆地养殖和南方的网箱养殖逐步 形成了工厂化养殖开端。 法对养殖水体进行监测和控制,设计出最适宜鱼 基金项目:中国水产科学研究院院本级基本科研业务费项目资助,编号:2011COIO。 作者简介:刁劭-N(1982一),男,汉族,祖籍河北。E—mail:diaoshx@ca{s.ac.cn 43— 《河北渔业92015年第4期(总第256期) o调查与分析 几何模型。根据换热管道与养殖水体间以及养殖 水体与空气和池壁之间的热交换特点,建立流动 与传热的数学模型。 第四,采用CFD(Computational Fluid Dy— namics)方法模拟得到养殖池内水温的三维场分 类生长的水体环境。实现工厂化养殖关键是水体 循环处理和控制系统,即控制水体温度、浊度、氨 氮等具有重要意义的水质参数。 本文主要研究温度控制参数,目前国内用于 控制温度的设备主要有热交换器、气体或电力加 热单元、热泵等,工程中比较常用的是盘管型换热 器,通过调整加热时间来控制温度。 本研究技术路线如下:首先对现有调温系统 布,分析不同形式热源和换热器对养殖池温度分 布均匀度的影响。 第五,采用经济比选的方法就盘管换热器的 (煤、电、油、气锅炉和热泵等热源)进行综合调研, 收集各项技术参数资料,总结分析典型的标准的 盘管换热器调温系统的特点,为下一步分析建立 标准化模型奠定基础。 不同种类所带来的初始投资、运行费用等影响进 行全面分析,并在此基础上对盘管换热器的类型, 相关参数进行优化选择,以求出具有符合工程实 际的结论。 1.2现有调温系统调研结果 第二,根据传热学、工程热力学等理论框架, 推导出供热量与养殖池需热量之间的热量对应关 现有调温系统有三种类型(见表1),调研、收 系,为进行数值模拟建立理论基础。 第三,根据对现有典型养殖池及盘管换热器 进行广泛调研的结果,建立养殖池及盘换热器的 集资料后,总结分析典型的标准的盘管换热器调 温系统,为下一步进行分析建立标准化模型。 表1 现有调温系统的类型 综合三种类型的特点,此次以盘管形式作为研究对象。 1.3对流热交换的算法[4 表面传热系数,(对流换热系数) h== ̄/AzSt 对流换热是指流体流经固体时流体与固体表 面之间的热量传递现象,既有热对流,也有导热。 对流换热的特点是必须有流体的宏观运动,必须 有温差;对流换热既有热对流,也有热传导;流体 对流换热过程微分方程式 [w/(m ・K)] ,与壁面必须有直接接触。 对流换热的基本计算式 一q一一^ l 换热微分方程式确定了对流换热表面传热系 数与流体温度场之间的关系。 从热平衡可知,通过壁面流体层传导的热流 量最终是以对流换热的方式传递到流体中去的, 整理得二维、常物性、无内热源的能量微分方程 + 2ta£I hA(t 一t。。) I V l q—hA(t 一t。。) EW/m ] h一一为对流换热系数 A一一为换热面积 m /m ・℃, t 一为固体壁面温度 ℃, t 一一为流体温度 ℃ 十 + Ot十 一 一 A [332t。 。/\az。。ay。/ z ̄44—— 《河北渔业}2015年第4期(总第256期) o调查与分析 1.4建立模拟实验模型 第四,模拟设置说明。本次模拟,采用CFD 第一,设定鱼池模型的边界尺寸。根据调研 (Computational Fluid Dynamics)方法模拟得到 收集资料的结果,总结出经典的鱼池尺寸,大小: 养殖池内水温的三维场分布,将温度图设置为低 3.2 m×2.4 m×1.2 m;池内管道管径:20 mm; 于温度标尺最低刻度的点的温度不显示,所以模 管壁距墙壁均为0.2 m,将这些尺寸作为鱼池的 拟图中水池内各点处的温度均不低于温度标尺最 模拟用边界尺寸。 低点的温度,否则即为空白缺口。 第二,分别对水管和鱼池划分网格。水管网 第五,此次研究未考虑金属材料的耐腐蚀因 格采用五面体,网格数量为258 264个。鱼池网 素影响。此次研究是以两种材料的耐腐蚀程度相 格采用四面体网格,网格数量为1 252 061个。水 同为前提的,但是实际运行中耐腐蚀性能并不是 管进出口处网格自动加密。 相同的,所以再深人研究时应将耐腐蚀性能作为 第三,设定边界条件。鱼池六个面均为绝热, 重要的影响因素加以考虑。 水的初始温度为15℃。盘管水的入口处采用速 1.5实验模拟结果 度入口边界类型,进口水温度60℃,流速2 m/s。 通过模拟三维非稳态求解,监测各个方程的 出水口设为自由出流。盘管材质分别采用铝管和 收敛残差,形成温度场模拟图,模拟结果描述如表 无缝钢管,厚度均为0.003 m。 2所示。 表2温度场模拟结果 铝管 无缝钢管 采用铝管做水管,在盘管向鱼池供热3 000 s后, 采用无缝钢管做水管,在盘管向鱼池供热 鱼池的温度达到了平均290 k(17℃),已经有了 3 000 s后,鱼池的温度也达到了平均290 k 明显的温度梯度。 (17℃),但从颜色上看,温度较铝管稍低。 鱼池的温度达到了平均管向 92 池 ℃ 后, 辜喜 但从颜 看’ 荔 低。 鱼池的温度平均90 A 1盘管向鱼池…。M.[Ol op 3 oa s后, 篇 ~“。从颜色 看, 荔 低。 。 采用铝管,传热11 500 s后鱼池内温度均达到 采用无缝钢管,在传热12 115 s后,鱼池内温 295 k(22℃) 度均达到295 k(22 oC) 水管内水的 顺着水的流向,水温逐渐变低,管内水有明显的温度梯度。材质不同对盘管进出口水的温差影 温度变化 响不大,在达到22℃时,采用铝管和无缝钢管出水温度均为323℃,与进口水有1O℃的温差。 1.6换热器盘管的算法改进 At(管内进出水温差℃),F(盘管表面积m )。 根据现行海水工厂化养殖体系工程技术 中 已知A(管每米长表面积m /m),管长度为: 的盘管选型方法,其方法没有参数化,改进成~ L==F/A 般形式,进行参数化处理,整理得以下公式: 可求管段重量: F一4167・V・(t2一t1)/E K・(At—t2)・h3 M一0。V 其中:V(有效水体m )、h(换热时间,h)、t 已知单价d(元)和加工费损耗系数1.15~ (初始水温oC)、t (目标水温℃)、K(导热系数)、 1.3,则总投资为: D一(1.15~1.3)・M・d 45— 《河北渔业}2015年第4期(总第256期) o调查与分析 2研究结论 格条件下,管径的平衡点在150.83处,得出当管 径为150时为效果平衡点,管径低于150,铝管经 采用CFD(Computational Fluid E’ynamics) 济性优于钢管,管径大于15O,钢管经济性优于 方法模拟得到养殖池内水温的三维场分布,从而 铝管。 直观地得出温度场分布图。通过不同实验条件下 根据西方微观经济学消费者理论 ],得出两 温度场的展示,可以总结出不同材质盘管换热器 种不同盘管的预算约束式和预算线(budget 的调温效果规律特点,如下表3所示。 line),相应的预算等式为以I表示消费者的既定 表3不同材质的盘管换热器的调温效果比较 收人(支付水平),以P1和P2分别表示商品1(铝 管)和商品2(钢管)的价格,以X1和X2分别表示 商品1(铝管)和商品2(钢管)的数量关系,并且 得出I、P1、P2变动后的变化结果:1一PIX1+ 单位长度表 面积/n12 P2X2。将管径为150作为预算等式的边界条件 临界点,在满足预算约束的条件下,根据不同的管 到达目标温度 径,确定不同的材质和数量,得出不同边界条件下 所需时间/s 的初步经济分析,为实践工程设计依据设备选型 将数值模拟数据用SPSS进行回归分析,可 提供设计依据。 得加热时间和管径的函数关系: 参考文献: 铝管Y===一124.235・X+11 456.633 钢管Y一一128.536・X+12 105.357 [1]丁永良,世界养鱼工业综述[J1.现代渔业信息,1995(03):l 根据换热管道与养殖水体间以及养殖水体与 8 E2]彭树锋,王云新,叶富良,张海发,国内外工厂化养殖简述 空气和池壁之间的热交换特点,建立流动与传热 FJ].渔业现代化,2007(o4):12—13 的数学模型。采用CFD(Computational Fluid E33李鲁晶,海水工厂化健康养殖技术[J].科技致富向导,201o Dynamics计算流体力学)方法模拟得到养殖池内 (28):35 水温的三维场分布,从而直观地得出温度场分布, E4]章熙民,传热学,中国建筑工业出版社[M].北京:2007:8 将数值模拟数据用SPSS进行回归分析,可得加 10 [5]曲克明,杜守恩,海水工厂化高效养殖体系构建工程技术 热时间和管径的函数关系。建立养殖池及盘换热 [M].海洋出版社:北京,2010:95—96 器的几何模型可以对加热所需时间进行精确的计 [6]哈尔・R・范里安,微观经济学现代观点[M].上海人民出版 算。以盘管材质和加热时间为衡量标准,同等规 社:E海,2003:30—31 Economical Comparison for Temperature Adj ustment Effect of Coil Tubes of TWO Kinds of Material in Industrial Breeding Tank DIAO Shao—xuan ,DING Ling (1.Chinese Academy of Fishery Sciences of Fishery Engineering Research Institutes,Beiiing 100141,China;2.Beiiing Institute of Technology,Beijing 100081,China) Abstract:At present,our factory aquaculture mode is still in its infancy,in facilities,process,output, efficiency,etc.are yet to be improved.This article through to the existing factory farming thermal control system for research,SU mmed up the typical standards shall be the coil tube type heat ex— changer thermal control system.Through theoretical research methods,acquired tube heat exchanger was derived formula for selection formula and the total investment.According to the beat exchange pipes and the aquaculture water aquaculture water and air and the wall between the heat transfer char— acteristics of flow and heat transfer mathematical model was set up.Using the CFD(Computational Fluid Dynamics)method to simulate water temperature 3 d field distribution in (下转第48页) 46 《河北渔业>)2015年第4期(总第256期) o调查与分析 m ,产量1 196.73 t;海上其他类面积100 hm , 4全省水产技术推广机构单位性质 全省水产技术推广机构单位性质:行政性事 业单位有5个,比上年减少1个;全额拨款事业单 位196个,比上年减少4个,占机构总数的80 ; 差额拨款事业单位26个,比上年增加1个,占机 构总数的10.6 ;自收自支事业单位18个,比上 年减少1个,占机构总数的7.3 。从单位性质 产量80 t;海水陆基池塘面积2 783.33 hm ,产量 5 862.36 t。总产量共7 139.09 t,新增产量 2 540.09 t。总产值30 388.58万元,新增产值 9 256.28万元。 7全省水产技术推广机构培训和信息 服务 全省水产技术推广机构共举办渔民技术培 训420期,比上年减少¨期,培训人数24 552 人次,比上年减少3 416人次;拥有信息网站12 个,比上年增加4个(廊坊市站、廊坊大厂、廊坊 香河、张家口市站各减少1个;沧州黄骅、廊坊 看,全额事业单位数量下降但比例不变,而差额和 自收自支单位的数量基本保持稳定。 5全省水产技术推广机构经费 全省水产技术推广机构总经费4 379.56万 元,比上年增加795.4l万元,增加比例为 22.19 ,人均49 655元,其中:人员经费 2 949.33万元,比上年增加42.22万元,增加了 1.45 。人均33 439元,比上年人均增加2 147 三河、保定阜平、秦皇岛桃林口、秦皇岛青龙、秦 皇岛山海关、唐山市站、唐山丰南各增加1个); 提供手机信息服务用户1 044户,比上年增加 448户;提供技术资料72 241份,比上年增加 5 108份;全省水产技术推广机构人员自身再教 育和业务培训1 297人次,比上年增加188人 元;省级机构人均66 769元,比上年增加8 232 元;地市级人均53 875元,比上年增加1 860元; 县级人均28 798元,比上年增加2 942元;区域站 次,自身学历教育98人次,比上年减少8人次。 推广机构提供的培训、信息服务等有所减少,其 中渔民技术培训减少12.2 9/6,技术资料增加 7.6 9/6。 人均22 405元,比上年增加9 161元;乡镇站人均 21 735元,比上年增加7O元。整体看来,经费总 量增加,主要是丁资上涨,项目业务经费增加,各 级别机构人员经费均有所增涨。 6全省项目实施情况 全省淡水推广规模:池塘面积2 308.8 hm , 产量4 764.7 t;大水面面积1 300 hm ,产量300 8全省水产技术推广机构推广和指导渔 民情况 全省水产技术推广机构技术指导面积88 009 hm ,受益农户12 501户,其中:淡水技术指导渔 民9 808户,指导面积41 625.3 hm ;海水技术指 导渔民2 693户,指导面积46 383.7 hm。。 (收稿日期:2015—02—06;修回日期:2015—04—02) t。总产量5 064.7 t,新增产量1 145.3 t。产值 16 329.46万元,其中新增产值为6 134.63万元。 全省海水推广规模:海上网箱规模55 650 (上接第46页) the breeding,the numerical simulation data using SPSS regression analysis,heating time and can be a function of pipe diameter,the time needed for heating can be accurate calculation.Combining with the microeconomic theory of consumer,draw two different coil of budget constraints and budget line.Ac— cording to different pipe diameter,different material and quantity,to obtain a preliminary economic a— nalysis of the different boundary conditions,provides the design basis for the practical engineering de— sign based on the equipment type selection. Key words:Factory farming;Coil system;Adj ust the temperature (收稿日期:2015—02 17) 48