工廠化養(yǎng)殖池中兩種材質(zhì)盤管調(diào)溫效果的經(jīng)濟(jì)性比較

刁劭譞　丁玲

摘 要：目前我國(guó)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式還處于初級(jí)階段，在設(shè)施、工藝、產(chǎn)量、效益等方面都有待提高。本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)有工廠化養(yǎng)殖調(diào)溫系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)研，總結(jié)出典型的標(biāo)準(zhǔn)的換熱器調(diào)溫系統(tǒng)應(yīng)為盤管式系統(tǒng)。通過(guò)理論研究的方法，推導(dǎo)出盤管式換熱器的選型公式以及總投資公式。根據(jù)換熱管道與養(yǎng)殖水體間以及養(yǎng)殖水體與空氣和池壁之間的熱交換特點(diǎn)，建立流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型。采用CFD（Computational Fluid Dynamics 計(jì)算流體力學(xué)）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場(chǎng)分布，從而直觀地得出溫度場(chǎng)分布，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)用SPSS進(jìn)行回歸分析，可得加熱時(shí)間和管徑的函數(shù)關(guān)系，可以對(duì)加熱所需時(shí)間進(jìn)行精確的計(jì)算。結(jié)合微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)消費(fèi)者理論，得出兩種不同盤管的預(yù)算約束式和預(yù)算線（budget line），根據(jù)不同的管徑，確定不同的材質(zhì)和數(shù)量，得出不同邊界條件下的初步經(jīng)濟(jì)分析，為實(shí)踐工程設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)備選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：工廠化養(yǎng)殖；盤管系統(tǒng)；溫度調(diào)節(jié)

0 引言

工廠化養(yǎng)殖水產(chǎn)品是世界水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展的新趨勢(shì)，許多發(fā)達(dá)國(guó)家以及發(fā)展中國(guó)家都在積極發(fā)展工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖，以期能夠?qū)⑺a(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)推向更高層次，使其能夠適應(yīng)高科技時(shí)代的發(fā)展。一般所指的工廠化養(yǎng)殖主要是在人工小水體中進(jìn)行高密度養(yǎng)殖的生產(chǎn)模式[1]。世界發(fā)達(dá)國(guó)家水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠以大型和特大型為主，有的已經(jīng)形成了集團(tuán)和跨國(guó)公司。對(duì)于這些企業(yè)而言，如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益是大家關(guān)注的焦點(diǎn)[2]。

我國(guó)在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖方面起步比較晚，在20世紀(jì)80年代曾經(jīng)有少數(shù)發(fā)電廠利用海水發(fā)電余溫養(yǎng)殖過(guò)牙鲆、河鲀等魚類。90年代山東榮成和威海根據(jù)日本、韓國(guó)的經(jīng)驗(yàn)開始在陸地養(yǎng)殖池內(nèi)養(yǎng)殖牙鲆。隨著大菱鲆的引進(jìn)，工廠化養(yǎng)殖逐漸在山東半島和遼東半島普及，此后向河北、天津等省市推廣，并且延伸到浙江、福建沿海地區(qū)。從此，我國(guó)北方的陸地養(yǎng)殖和南方的網(wǎng)箱養(yǎng)殖逐步形成了工廠化養(yǎng)殖開端。

目前我國(guó)工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式還處于初級(jí)階段，養(yǎng)殖工藝簡(jiǎn)單，養(yǎng)殖設(shè)備單產(chǎn)低、耗能大、效率低，與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)密集型的封閉式循環(huán)水養(yǎng)殖相比，我國(guó)在設(shè)施、工藝、產(chǎn)量、效益等方面還存在著相當(dāng)大的差距[3]。

當(dāng)前我國(guó)的工廠化養(yǎng)殖正面臨著一場(chǎng)變革，養(yǎng)殖池從露天型逐步向溫室型發(fā)展是發(fā)展趨向。采用溫室型養(yǎng)殖池利用時(shí)間差和空間差的交錯(cuò)組合實(shí)行加溫養(yǎng)殖，可以形成多層次多功能的高效養(yǎng)殖系統(tǒng)。目前學(xué)術(shù)界對(duì)于工廠化養(yǎng)殖采用溫室型養(yǎng)殖池，有關(guān)溫度場(chǎng)分布及規(guī)律特點(diǎn)的研究還未見報(bào)道。本文研究了養(yǎng)殖溫室內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況，以及其差異性對(duì)溫室內(nèi)加熱設(shè)施、養(yǎng)殖池水溫、設(shè)施經(jīng)濟(jì)性及養(yǎng)殖環(huán)境影響。

1 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)路線

1.1 技術(shù)路線

工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖主要內(nèi)容是建立一個(gè)水體循環(huán)的封閉養(yǎng)殖工廠，通過(guò)一系列的生物和物理方法對(duì)養(yǎng)殖水體進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，設(shè)計(jì)出最適宜魚類生長(zhǎng)的水體環(huán)境。實(shí)現(xiàn)工廠化養(yǎng)殖關(guān)鍵是水體循環(huán)處理和控制系統(tǒng)，即控制水體溫度、濁度、氨氮等具有重要意義的水質(zhì)參數(shù)。

本文主要研究溫度控制參數(shù)，目前國(guó)內(nèi)用于控制溫度的設(shè)備主要有熱交換器、氣體或電力加熱單元、熱泵等，工程中比較常用的是盤管型換熱器，通過(guò)調(diào)整加熱時(shí)間來(lái)控制溫度。本研究技術(shù)路線如下：首先對(duì)現(xiàn)有調(diào)溫系統(tǒng)（煤、電、油、氣鍋爐和熱泵等熱源）進(jìn)行綜合調(diào)研，收集各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)資料，總結(jié)分析典型的標(biāo)準(zhǔn)的盤管換熱器調(diào)溫系統(tǒng)的特點(diǎn)，為下一步分析建立標(biāo)準(zhǔn)化模型奠定基礎(chǔ)。

第二，根據(jù)傳熱學(xué)、工程熱力學(xué)等理論框架，推導(dǎo)出供熱量與養(yǎng)殖池需熱量之間的熱量對(duì)應(yīng)關(guān)系，為進(jìn)行數(shù)值模擬建立理論基礎(chǔ)。

第三，根據(jù)對(duì)現(xiàn)有典型養(yǎng)殖池及盤管換熱器進(jìn)行廣泛調(diào)研的結(jié)果，建立養(yǎng)殖池及盤換熱器的幾何模型。根據(jù)換熱管道與養(yǎng)殖水體間以及養(yǎng)殖水體與空氣和池壁之間的熱交換特點(diǎn)，建立流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型。

第四，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場(chǎng)分布，分析不同形式熱源和換熱器對(duì)養(yǎng)殖池溫度分布均勻度的影響。

第五，采用經(jīng)濟(jì)比選的方法就盤管換熱器的不同種類所帶來(lái)的初始投資、運(yùn)行費(fèi)用等影響進(jìn)行全面分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)盤管換熱器的類型，相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化選擇，以求出具有符合工程實(shí)際的結(jié)論。

1.2 現(xiàn)有調(diào)溫系統(tǒng)調(diào)研結(jié)果

現(xiàn)有調(diào)溫系統(tǒng)有三種類型（見表1），調(diào)研、收集資料后，總結(jié)分析典型的標(biāo)準(zhǔn)的盤管換熱器調(diào)溫系統(tǒng)，為下一步進(jìn)行分析建立標(biāo)準(zhǔn)化模型。

1.3 對(duì)流熱交換的算法[4]

對(duì)流換熱是指流體流經(jīng)固體時(shí)流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，既有熱對(duì)流，也有導(dǎo)熱。對(duì)流換熱的特點(diǎn)是必須有流體的宏觀運(yùn)動(dòng)，必須有溫差；對(duì)流換熱既有熱對(duì)流，也有熱傳導(dǎo)；流體與壁面必須有直接接觸。

1.4 建立模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

第一，設(shè)定魚池模型的邊界尺寸。根據(jù)調(diào)研收集資料的結(jié)果，總結(jié)出經(jīng)典的魚池尺寸，大小： 3.2 m×2.4 m×1.2 m；池內(nèi)管道管徑：20 mm；管壁距墻壁均為0.2 m，將這些尺寸作為魚池的模擬用邊界尺寸。

第二，分別對(duì)水管和魚池劃分網(wǎng)格。水管網(wǎng)格采用五面體，網(wǎng)格數(shù)量為258 264個(gè)。魚池網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1 252 061個(gè)。水管進(jìn)出口處網(wǎng)格自動(dòng)加密。

第三，設(shè)定邊界條件。魚池六個(gè)面均為絕熱，水的初始溫度為15 ℃。盤管水的入口處采用速度入口邊界類型，進(jìn)口水溫度60 ℃，流速2 m/s。出水口設(shè)為自由出流。盤管材質(zhì)分別采用鋁管和無(wú)縫鋼管，厚度均為0.003 m。

第四，模擬設(shè)置說(shuō)明。本次模擬，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場(chǎng)分布，將溫度圖設(shè)置為低于溫度標(biāo)尺最低刻度的點(diǎn)的溫度不顯示，所以模擬圖中水池內(nèi)各點(diǎn)處的溫度均不低于溫度標(biāo)尺最低點(diǎn)的溫度，否則即為空白缺口。

第五，此次研究未考慮金屬材料的耐腐蝕因素影響。此次研究是以兩種材料的耐腐蝕程度相同為前提的，但是實(shí)際運(yùn)行中耐腐蝕性能并不是相同的，所以再深入研究時(shí)應(yīng)將耐腐蝕性能作為重要的影響因素加以考慮。

1.5 實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

通過(guò)模擬三維非穩(wěn)態(tài)求解，監(jiān)測(cè)各個(gè)方程的收斂殘差，形成溫度場(chǎng)模擬圖，模擬結(jié)果描述如表2所示。

2 研究結(jié)論

采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場(chǎng)分布，從而直觀地得出溫度場(chǎng)分布圖。通過(guò)不同實(shí)驗(yàn)條件下溫度場(chǎng)的展示，可以總結(jié)出不同材質(zhì)盤管換熱器的調(diào)溫效果規(guī)律特點(diǎn)，如下表3所示。

根據(jù)換熱管道與養(yǎng)殖水體間以及養(yǎng)殖水體與空氣和池壁之間的熱交換特點(diǎn)，建立流動(dòng)與傳熱的數(shù)學(xué)模型。采用CFD（Computational Fluid Dynamics 計(jì)算流體力學(xué)）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場(chǎng)分布，從而直觀地得出溫度場(chǎng)分布，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)用SPSS進(jìn)行回歸分析，可得加熱時(shí)間和管徑的函數(shù)關(guān)系。建立養(yǎng)殖池及盤換熱器的幾何模型可以對(duì)加熱所需時(shí)間進(jìn)行精確的計(jì)算。以盤管材質(zhì)和加熱時(shí)間為衡量標(biāo)準(zhǔn)，同等規(guī)格條件下，管徑的平衡點(diǎn)在150.83處，得出當(dāng)管徑為150時(shí)為效果平衡點(diǎn)，管徑低于150，鋁管經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于鋼管，管徑大于150，鋼管經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于鋁管。

根據(jù)西方微觀經(jīng)濟(jì)學(xué)消費(fèi)者理論[6]，得出兩種不同盤管的預(yù)算約束式和預(yù)算線（budget line），相應(yīng)的預(yù)算等式為以I表示消費(fèi)者的既定收入（支付水平），以P1和P2分別表示商品1（鋁管）和商品2（鋼管）的價(jià)格，以X1和X2分別表示商品1（鋁管）和商品2（鋼管） 的數(shù)量關(guān)系，并且得出I、P1、P2變動(dòng)后的變化結(jié)果：I=P1X1+P2X2。將管徑為150作為預(yù)算等式的邊界條件臨界點(diǎn)，在滿足預(yù)算約束的條件下，根據(jù)不同的管徑，確定不同的材質(zhì)和數(shù)量，得出不同邊界條件下的初步經(jīng)濟(jì)分析，為實(shí)踐工程設(shè)計(jì)依據(jù)設(shè)備選型提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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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 exchanger thermal control system. Through theoretical research methods， acquired tube heat exchanger was derived formula for selection formula and the total investment. According to the heat exchange pipes and the aquaculture water aquaculture water and air and the wall between the heat transfer characteristics 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 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. According to different pipe diameter， different material and quantity， to obtain a preliminary economic analysis of the different boundary conditions， provides the design basis for the practical engineering design based on the equipment type selection.

Key words：Factory farming； Coil system； Adjust the temperature

（收稿日期：2015-02-17）