小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱電解水增氧裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

莫嘉嗣，閆國(guó)琦，夏俊杰，金莫輝，魏德仙

小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱電解水增氧裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

莫嘉嗣，閆國(guó)琦※，夏俊杰，金莫輝，魏德仙

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，廣州 510642）

水產(chǎn)長(zhǎng)距離運(yùn)輸保證鮮活需要保持水產(chǎn)原生存環(huán)境的壓力、水質(zhì)、溶氧度等條件，其中溶氧度直接關(guān)系水產(chǎn)的存活，因此增氧裝置的設(shè)計(jì)成為活體水產(chǎn)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵技術(shù)之一。為了解決電解水增氧方式能耗大、難以小型化的問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了適用于小型水產(chǎn)運(yùn)輸箱的電解水增氧裝置。首先根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)軟件仿真計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)了裝置中可在正負(fù)電極間產(chǎn)生恒穩(wěn)均勻流場(chǎng)的整流結(jié)構(gòu)參數(shù)；然后通過(guò)試驗(yàn)探索水溶氧和裝置總能耗在電解電壓與水交換流量影響下的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明：在容積為8×10-3m3的箱體內(nèi)，采用直流電解，當(dāng)電解電壓為37 V、水交換流量為6.97×10-5m3/s時(shí)，總能耗最低為39.39 kJ。該裝置設(shè)計(jì)和試驗(yàn)結(jié)果可為電解水增氧方法在水產(chǎn)運(yùn)輸和養(yǎng)殖中的實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)。

設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；裝置；活體水產(chǎn)運(yùn)輸；電解水增氧

0 引 言

中國(guó)是世界上重要的水產(chǎn)品生產(chǎn)和出口大國(guó)，在農(nóng)產(chǎn)品貿(mào)易中，水產(chǎn)品一直保持較大順差[1-3]。鮮活水產(chǎn)品中富含大量蛋白質(zhì)、無(wú)機(jī)鹽等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，越來(lái)越被廣大消費(fèi)者所青睞[4]，據(jù)相關(guān)資料顯示，香港每年人均水產(chǎn)品消費(fèi)40 kg，其中90%是活鮮；日本市場(chǎng)活魚和活蝦的價(jià)格比普通冷凍產(chǎn)品高8～10倍[5-6]。隨著水產(chǎn)貿(mào)易的不斷擴(kuò)大，活體水產(chǎn)運(yùn)輸變的越來(lái)越普及，如何提高活體水產(chǎn)運(yùn)輸存活率、降低活體水產(chǎn)運(yùn)輸成本，是目前亟待解決的問(wèn)題[7-8]。

目前活體水產(chǎn)運(yùn)輸方式主要有充氧運(yùn)輸、麻醉運(yùn)輸以及無(wú)水運(yùn)輸[9-12]。其中，充氧運(yùn)輸以機(jī)械式增氧為主，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但體積大，所需功率大，產(chǎn)生的噪音和擾動(dòng)不同程度上影響到活體水產(chǎn)的存活率[13-15]。謝晶等研究了水產(chǎn)動(dòng)物?；钸\(yùn)輸中環(huán)境脅迫應(yīng)激及生理調(diào)控機(jī)制，運(yùn)輸過(guò)程的水產(chǎn)應(yīng)激反應(yīng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)直接造成水產(chǎn)組織器官不可逆損傷甚至導(dǎo)致死亡[16]。充氧運(yùn)輸過(guò)程采用微孔曝氣方式適合在封閉水域中應(yīng)用，能提高水溫，降低應(yīng)激反應(yīng)，提高存活率[17-19]，也可采用抗應(yīng)激劑降低魚類應(yīng)激反應(yīng)，提高存活率[20]，但是抗應(yīng)激劑的安全性還有待深入研究。

麻醉運(yùn)輸通過(guò)對(duì)魚類注射麻醉劑抑制其神經(jīng)中樞反射功能，從而降低其新陳代謝，提高運(yùn)輸存活率[21-23]，但是如果魚類麻醉劑種類和劑量選擇不當(dāng)，易損害活體水產(chǎn)健康，例如朱挺兵等發(fā)現(xiàn)MS-222濃度在60～70 mg/L時(shí)出現(xiàn)了異齒裂腹魚幼魚死亡[24]。麻醉劑也會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害，MS-222和丁香酚是常見(jiàn)的魚類麻醉劑[25]，MS-222雖然比較安全，但陽(yáng)光直射會(huì)產(chǎn)生毒性[26]。Ke等調(diào)研了中國(guó)水產(chǎn)市場(chǎng)中丁香酚類麻醉劑殘留量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)丁香酚類麻醉劑殘留的發(fā)生率為10.6%；在55個(gè)樣品中均檢出丁香酚殘留[27]。二氧化碳麻醉是相對(duì)健康，對(duì)人體無(wú)害的運(yùn)輸方式，但復(fù)蘇后的魚血漿生化指標(biāo)均下降，影響魚類的健康[28]。

無(wú)水運(yùn)輸技術(shù)通過(guò)控制溫度將運(yùn)輸環(huán)境的溫度降低到生態(tài)冰溫[29]，使活體水產(chǎn)處于半休眠或者完全休眠狀態(tài)，減少其新陳代謝、機(jī)械損傷，延長(zhǎng)存活時(shí)間，為水產(chǎn)活物的長(zhǎng)距離運(yùn)輸提供保障，但是無(wú)水運(yùn)輸降溫裝置能耗較大，保活時(shí)間不長(zhǎng)，實(shí)施條件要求高[30-31]。無(wú)水運(yùn)輸更適合如活蝦等可以短暫在陸上生存的水產(chǎn)[32]。對(duì)于魚類，無(wú)水運(yùn)輸操作難度較大，實(shí)施條件苛刻，不適用于小型的活體水產(chǎn)運(yùn)輸。

綜上可知，小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱由于體積和功耗的限制，更適用于采用充氧運(yùn)輸方式。而增氧裝置的效率、成本等因素制約了充氧運(yùn)輸方式的推廣應(yīng)用。為了研發(fā)一種能持續(xù)增氧、功耗小，體積小、使用靈活方便的活體水產(chǎn)運(yùn)輸裝置，本文設(shè)計(jì)了一種用于小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱的電解水增氧裝置，通過(guò)研究不同電解電壓、水交換流量下的裝置能耗變化規(guī)律，以確定在不同工作模式下的參數(shù)，擬為電解水增氧技術(shù)在活體水產(chǎn)運(yùn)輸領(lǐng)域應(yīng)用提供依據(jù)。

1 裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱采用增氧方式保證活體水產(chǎn)的存活和鮮度。電解水方法安全、無(wú)污染，過(guò)程可控，給小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱增氧提供了有利條件。當(dāng)在水體中插入正、負(fù)電極，水體便會(huì)在電流的作用下發(fā)生電解反應(yīng)，從而產(chǎn)生氧氣與氫氣。

電解水原理簡(jiǎn)單，但是要做到高效、可控，適用于活體水產(chǎn)運(yùn)輸?shù)葪l件，需要設(shè)計(jì)合適的裝置結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)目標(biāo)為：1）正負(fù)電極之間水流均勻恒定，以提供穩(wěn)定的電解電流通路；2）電解緩慢進(jìn)行，使氧氣充分溶解于水中而不至于溢出氣泡，減小電解能耗；3）氫氣排出后收集并安全處理；4）富氧水與乏氧水循環(huán)交換，提高氧氣利用率；5）具有3種工作模式，分別是快速增氧模式、無(wú)氣泡增氧模式與低能耗模式。

為了滿足以上條件，設(shè)計(jì)電解水增氧裝置結(jié)構(gòu)如圖 1所示，循環(huán)水泵用于富氧水與乏氧水之間進(jìn)行循環(huán)交換，所選用循環(huán)水泵通過(guò)旋鈕可選擇3檔流量（5.56×10-5、6.39×10-5、8.33×10-5m3/s），其尺寸為45 mm×50 mm×78 mm，體積小巧，便于集成。電解通路在水管中進(jìn)行，水管上固定有正負(fù)電極，水管內(nèi)徑60 mm，外徑65 mm，長(zhǎng)200 mm。為了使正負(fù)電極之間產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的均勻水流，采用擋流板和整流板配合的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水管內(nèi)流體整流。

1.循環(huán)水泵 2.擋流板 3.整流板 4.管道支架 5.水管 6.正極 7.負(fù)極隔離罩 8.氫氣排出口 9.負(fù)極

小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱尺寸為635 mm×485 mm×400 mm，設(shè)計(jì)成2個(gè)腔體的結(jié)構(gòu)（圖2），分為增氧腔和水產(chǎn)存放腔。2個(gè)腔體之間僅通過(guò)管道相連，循環(huán)水泵將水產(chǎn)存放腔的乏氧水泵進(jìn)增氧裝置，水體進(jìn)行氧交換后回流進(jìn)水產(chǎn)存放腔，實(shí)現(xiàn)不間斷供氧。設(shè)計(jì)成2個(gè)腔體的優(yōu)點(diǎn)是：1）防止活體水產(chǎn)的運(yùn)動(dòng)破壞增氧裝置；2）保證活體水產(chǎn)與電流通路隔離，防止活體水產(chǎn)因?yàn)榻佑|電流通路和產(chǎn)生應(yīng)激反應(yīng)；3）采用多腔體隔離，可減少運(yùn)輸過(guò)程的振動(dòng)和活體水產(chǎn)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的水體擾動(dòng)，降低對(duì)增氧裝置內(nèi)部流體的影響。

小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱增氧工作流程為：循環(huán)水泵將水產(chǎn)存放腔乏氧水泵入增氧裝置內(nèi)，水體經(jīng)過(guò)擋流板和整流板的作用，在水管中形成穩(wěn)定、均勻的水流，均勻的水流在正負(fù)電極之間開(kāi)始發(fā)生電解反應(yīng)，正極產(chǎn)生氧氣，溶解在水中，負(fù)極產(chǎn)生氫氣，經(jīng)過(guò)隔離罩和氫氣排出管道排放到箱體外進(jìn)行收集處理，在循環(huán)水泵的作用下，富氧水與乏氧水不間斷的進(jìn)行水體交換，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸箱水體增氧。

小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱具備3種工作模式，當(dāng)活體水產(chǎn)存在缺氧情況需要快速增氧的時(shí)候，電解電壓調(diào)節(jié)為最高電解電壓，啟動(dòng)快速增氧模式生成大量氧氣泡，實(shí)現(xiàn)快速增氧。一般使用采用無(wú)氣泡增氧模式，緩慢增氧，使氧氣充分溶于水中，不溢出氣泡。當(dāng)運(yùn)輸箱只運(yùn)輸小量水產(chǎn)或處于待機(jī)模式時(shí)，啟動(dòng)低功耗模式，實(shí)現(xiàn)節(jié)能。為了實(shí)現(xiàn)無(wú)氣泡增氧模式與低能耗模式，后文通過(guò)試驗(yàn)探索水溶氧規(guī)律和裝置總能耗在電解電壓與水交換流量雙變量影響下的關(guān)系。

1.增氧腔 2.電解水增氧裝置 3.水產(chǎn)存放腔 4.電池腔

2 關(guān)鍵部件參數(shù)設(shè)計(jì)

通過(guò)預(yù)試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，假如用循環(huán)水泵直接注入水流到增氧裝置水管內(nèi)，水管中會(huì)產(chǎn)生紊流，影響了正負(fù)電極之間的電流通路，導(dǎo)致電解效果較差，增氧效率較低，因此需要在管道內(nèi)正負(fù)電極之間創(chuàng)造一個(gè)穩(wěn)定的恒流場(chǎng)。雖然小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱在運(yùn)輸過(guò)程中也會(huì)由于振動(dòng)而使水體產(chǎn)生擾動(dòng)，但由于電解作用的電流通路只存在于正負(fù)電極之間的水體，只要保證增氧裝置的正負(fù)電極之間水流通路是均勻的即可。在水泵的帶動(dòng)下，運(yùn)輸過(guò)程振動(dòng)所產(chǎn)生的增氧裝置外部紊流被泵入增氧裝置的水管內(nèi)，并在整流結(jié)構(gòu)的作用下，在正負(fù)電極間產(chǎn)生穩(wěn)定的恒流場(chǎng)，使增氧裝置的水管中水流保持均勻，保證電解通路的有效生成。因此水管中的整流結(jié)構(gòu)是增氧裝置的關(guān)鍵部件，本裝置中的整流結(jié)構(gòu)由擋流板與整流板構(gòu)成，如圖3。

為了使水管中流場(chǎng)穩(wěn)定，減少紊流對(duì)電解水效果的影響，也為了使富氧水與乏氧水更充分的進(jìn)行交換，需要對(duì)水管中的整流結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的選擇。運(yùn)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）軟件Flow Simulation進(jìn)行仿真分析，整流裝置的結(jié)構(gòu)參數(shù)14作為設(shè)計(jì)變量。采用控制變量法確定參數(shù)取值范圍，即分別控制3個(gè)變量不變，調(diào)整另外一個(gè)變量從小到大進(jìn)行仿真試驗(yàn)。1為整流板孔徑，孔徑太小會(huì)減小流量，降低乏氧水與富氧水交換效率，太大會(huì)削弱整流效果。擋流板直徑2從循環(huán)水泵的出水口徑大?。? mm）開(kāi)始選取，逐漸增大。擋流板距離入水口距離3、整流板距離入水口距離4根據(jù)裝置整體尺寸約束的限制從小到大選取。

注：D1為整流板上小孔直徑，mm；D2為擋流板直徑，mm；D3為入水口與擋流板距離，mm；D4入水口與整流板距離，mm。

首先控制1、2、4保持不變，3從小到大進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)總體設(shè)計(jì)尺寸限制選擇3分別為10、15、30、45 mm。圖4a為3為15和45 mm的仿真對(duì)比圖，從流線可知，擋流板的作用會(huì)使水體在入水口與整流板之間形成強(qiáng)烈的漩渦，使水體壓縮儲(chǔ)存能量。擋流板距離入水口距離3越小，漩渦范圍越小，壓縮存儲(chǔ)的能量越大，經(jīng)過(guò)整流板后的水體整流效果越好，流線越趨于平行；3越大，漩渦范圍越大，水體有足夠的空間形成紊流而消耗能量，整流后流線不規(guī)則，整流效果差。

當(dāng)擋流板距離入水口距離3較?。ǜ鶕?jù)零件尺寸加工限制，最小設(shè)計(jì)為10 mm）時(shí)，整流板的距離4決定了整流范圍的大小?？刂?、2、3保持不變，根據(jù)總體設(shè)計(jì)尺寸限制，4分別設(shè)置為20、30、60 mm。從圖4b可知，4越小，整流范圍越大，流線基本可以覆蓋整個(gè)管道，且流線平行；4越大，雖然也能起到整流效果但是流線基本上集中在水管的中間部分，但流線不能覆蓋整個(gè)水管。所以，當(dāng)3和4均較小時(shí)，由于整流腔室空間較小，而入水口持續(xù)壓力使得流體在整流腔內(nèi)壓縮存儲(chǔ)能量，因此整流效果較好。根據(jù)以上分析可知3、4越小，整流效果越好，所以選擇擋流板距離3=10 mm，整流板距離4=20 mm。

保持2、3、4不變，1分別選取1、3、5 mm，對(duì)比1變化產(chǎn)生的效果。根據(jù)伯努利定律，流量一定的管道，管徑變細(xì)，流速增加，而循環(huán)水泵檔位選定后的流量是恒定的，因此整流板的孔徑縮小，會(huì)使整流后的水體流速增大。對(duì)比不同孔徑的整流仿真結(jié)果（圖4c），整流板孔徑越小，流速越高，流線密度越大，流線越均勻，整流效果越好。由于太小的孔難以加工，1的最小值定為1 mm，因此選擇整流板孔徑為1=1 mm。

在確定了3個(gè)參數(shù)3=10 mm，4=20 mm，1=1 mm后，保持這3個(gè)參數(shù)不變，分別選取2為8和15 mm發(fā)現(xiàn)，擋流板直徑2越大，水體的能量削減越快，通過(guò)整流板的水體越少，整流效果越差（圖4d），因此2不能太大，以恰好能遮擋水泵出水口（水泵出水口直徑8 mm）為宜。

圖4 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)整流效果的影響

綜合分析可得，擋流板距離3=10 mm，整流板距離4=20 mm，整流板的孔徑1=1 mm，擋流板直徑2=8 mm時(shí)，試驗(yàn)裝置能實(shí)現(xiàn)較好整流效果，可滿足增氧裝置正負(fù)電極之間所需均勻流場(chǎng)。

3 裝置與方法

3.1 試驗(yàn)裝置

搭建試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。根據(jù)試驗(yàn)裝置尺寸，設(shè)計(jì)電解裝置的正負(fù)電極間距為5 cm，正電極選用析氧型鈦基（IrO2-Ta2O5）電極，能夠高效、穩(wěn)定的析出氧氣，鈦基涂層在電解過(guò)程中其組分和表面形貌不會(huì)產(chǎn)生變化，與其他電極相比不會(huì)污染水質(zhì)[33]；負(fù)電極選用石墨電極，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不易與電解質(zhì)溶液發(fā)生反應(yīng)，并且導(dǎo)電性能好，放電速度快，適合在電解水增氧裝置上運(yùn)用[34]。裝置電源采用可調(diào)直流電源，可最高連續(xù)輸出電解電壓（電流）為60 V（10 A）。試驗(yàn)裝置放置于透明密封箱底部（尺寸31 cm×23 cm×16 cm，容積約8×10-3m3），便于觀察試驗(yàn)過(guò)程。

試驗(yàn)用水由廣州市自來(lái)水公司新塘水廠供應(yīng)，水中陰陽(yáng)離子能夠使電極之間形成電流回路。為了降低水體初始氧含量，采用煮沸去氧方式排出水體中的氧氣，從而制備乏氧水。首先將密封箱裝滿自來(lái)水，用電加熱器放入水中進(jìn)行加熱，直至水體沸騰，用塑料薄膜覆蓋密封，再蓋上密封蓋，放置在冷水中自然冷卻，直至水溫達(dá)到常溫后開(kāi)始試驗(yàn)。

1.萬(wàn)用表 2.電解水增氧裝置 3.密封箱 4.溶氧度測(cè)試儀 5.直流可控電源

3.2 試驗(yàn)方法

制備乏氧水，用溶氧度測(cè)試儀測(cè)試乏氧水初始溶氧度，將電解水增氧裝置放置在密封箱底部并密封箱體，調(diào)節(jié)電解電壓（V）和循環(huán)水泵流量（m3/s），每隔5 min記錄一次溶氧度（%）、電解電壓（V）和電解電流（A），直至水體溶氧度達(dá)到100%。

本文水體溶解氧的測(cè)定方法為采用熒光法溶氧度測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)定。圖5中采用型號(hào)為Y500-B便攜式熒光法溶解氧傳感器，內(nèi)置溫度傳感器，能自動(dòng)溫度補(bǔ)償。其結(jié)構(gòu)包括傳感器探頭和光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)，量程為0～20 mg/L或0～200%飽和度，精度1%。熒光法溶解氧儀是基于物理學(xué)中特定物質(zhì)對(duì)活性熒光的猝熄原理。通過(guò)測(cè)量激發(fā)紅光與參比光的相位差，并與內(nèi)部標(biāo)定值對(duì)比，從而可計(jì)算出水中氧分子的濃度。通過(guò)溶氧度測(cè)試儀測(cè)試，本方法制備的乏氧水溶氧度最低能夠達(dá)到30%左右，但由于在非真空狀態(tài)下，乏氧水掀開(kāi)密封膜后與空氣接觸會(huì)溶解部分氧氣，導(dǎo)致了各組試驗(yàn)的初始溶氧度有一定誤差，后續(xù)試驗(yàn)的乏氧水初始溶氧度為45%左右。

當(dāng)運(yùn)輸箱只運(yùn)輸少量水產(chǎn)或處于待機(jī)模式時(shí)，可啟動(dòng)低功耗模式，實(shí)現(xiàn)低功耗增氧。為了提高運(yùn)輸箱的續(xù)航能力，研究電解電壓與水交換流量影響下的能耗關(guān)系。

電解水增氧裝置的總能耗sum為電解水能耗e與水泵能耗p之和，即

式中e為電解電源做功，J；為電解電壓，V；為電流，A；為時(shí)間，s；*為水泵流量，m3/s；γ為水的重度(也稱為容重)，9.8 kN/m3；為水泵揚(yáng)程，m；是水泵效率，0.7；為安全系數(shù)，1.2。

4 結(jié)果與分析

4.1 水體溶氧變化

分別取電解電壓為30、40、50、60 V，流量分別為5.56×10-5、6.39×10-5、8.33×10-5m3/s進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)記錄的水體溶氧變化如圖6所示。

圖6 不同流量下不同電解電壓的溶氧度曲線

從圖6的曲線可以看出，溶氧度曲線在電解電壓較低（30～40 V）的時(shí)候呈現(xiàn)非線性，在電解電壓較高的時(shí)候線性度變好；在不同的流量下，隨著電解電壓的升高，溶氧度曲線斜率增加，電解電壓越高，增氧速度越快。隨著流量增大，增氧速率也隨之加快。但對(duì)比相同電解電壓，不同流量下的曲線斜率間隔發(fā)現(xiàn)，如圖6b中6.39×10-5m3/s流量下，40、50、60 V 3條曲線斜率間隔基本呈現(xiàn)等差排布；但當(dāng)循環(huán)水流量增大到8.33×10-5m3/s時(shí)（圖6c），60和50 V曲線的斜率間隔明顯小于50和40 V曲線的斜率間隔，說(shuō)明在電解電壓較高的時(shí)候，增大流量使得增氧速率增加的更快。而大流量反而不利于較低電解電壓的增氧，流量和電解電壓共同決定了水體增氧的速率。

為了進(jìn)一步得到流量和電解電壓對(duì)增氧速率的共同作用，計(jì)算溶氧度曲線每個(gè)時(shí)刻的斜率，斜率的大小反映了增氧速率的快慢，每個(gè)電解電壓、流量下的所有時(shí)刻平均斜率如表1，將表1數(shù)據(jù)擬合繪制曲面，得到增氧速率與電解電壓流量關(guān)系圖（圖7）。

表1 不同水泵流量下不同電解電壓的增氧平均速率

通過(guò)圖7的曲面可知，在電解電壓和流量共同作用下，增氧速率有一定非線性，當(dāng)電解電壓在40～60 V左右、流量在6×10-5～7×10-5m3/s左右時(shí)，增氧速率明顯放緩，呈局部飽和狀態(tài)。此狀態(tài)下，電解緩慢進(jìn)行，氧氣充分溶解于水中而不至于溢出大氣泡，此狀態(tài)可用于無(wú)氣泡增氧模式。實(shí)際上過(guò)快的增氧速率會(huì)導(dǎo)致氧氣泡溢出，能耗增大了，而增氧效果沒(méi)有明顯改善。但當(dāng)活體水產(chǎn)處于嚴(yán)重缺氧狀態(tài)的時(shí)候，加大流量和電解電壓?jiǎn)?dòng)快速增氧模式生成大量氧氣泡，是一種應(yīng)急的增氧方式。

圖7 增氧速率與電解電壓及流量關(guān)系曲面

4.2 增氧裝置能耗

根據(jù)3.2節(jié)試驗(yàn)方法，每隔5 min記錄試驗(yàn)過(guò)程中的電解電壓、電流，通過(guò)式（1）計(jì)算每個(gè)時(shí)間段內(nèi)電解水增氧裝置總能耗sum，得出在不同電解電壓、流量條件下，水體從初始氧飽和度45%至100%所需要的能耗，如表2所示，對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘擬合，得到數(shù)學(xué)模型(,Q)如式（2），根據(jù)模型繪制能耗規(guī)律曲面，分析能耗在不同的流量、電解電壓下的變化，繪制能耗曲面的等值線圖如圖8所示。

擬合模型的擬合度2=0.9682，擬合度較高。

通過(guò)所得數(shù)學(xué)模型求取氧飽和情況下的能耗最小值，可通過(guò)多元函數(shù)求極值的方法，對(duì)式（2）求偏導(dǎo)數(shù)

計(jì)算得-2＜0，所以曲面存在極值，運(yùn)用二元函數(shù)條件極值的求導(dǎo)方法可得，當(dāng)=37V，Q=6.97× 10-5m3/s時(shí)，式（2）取得最小值39.39 kJ，與圖8一致。將能耗最小值組合代入圖7的曲面函數(shù)計(jì)算其平均增氧速率為0.905。

表2 不同流量下不同電解電壓下達(dá)到氧飽和所需能耗

綜合水體溶氧試驗(yàn)和能耗試驗(yàn)分析，增氧速率并不是小型水產(chǎn)運(yùn)輸箱的關(guān)鍵指標(biāo)，實(shí)際上增氧速率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致氣泡溢出，增加了能耗，而水體實(shí)際增氧效果并無(wú)改善，因此增氧不宜過(guò)快。一般使用情況應(yīng)采用圖7的局部飽和狀態(tài)參數(shù)，也即是無(wú)氣泡增氧模式，此狀態(tài)下，電解緩慢進(jìn)行，氧氣充分溶解于水中而不至于溢出大氣泡。但在活體水產(chǎn)嚴(yán)重缺氧，需要應(yīng)急快速增氧的情況下，也可以提高電解電壓和水交換流量啟動(dòng)快速增氧模式。

圖8 能耗等值線（kJ）

長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)輸?shù)睦m(xù)航能力是小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵指標(biāo)，也就是電池的耐用度，因此能耗的變化很重要。綜上數(shù)據(jù)分析可得，在不考慮增氧速率的情況下，當(dāng)水體氧溶度達(dá)到飽和時(shí)，電解電壓控制在37 V、流量控制在6.97×10-5m3/s時(shí)能耗最低，此狀態(tài)定義為低能耗模式。

5 討論與結(jié)論

本文分析了活體水產(chǎn)運(yùn)輸裝置現(xiàn)狀，基于現(xiàn)有充氧運(yùn)輸方式，優(yōu)選電解水方式增氧，設(shè)計(jì)了適用于小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸?shù)碾娊馑鲅跹b置和運(yùn)輸箱。所設(shè)計(jì)增氧裝置基于電解水增氧，不增加額外的機(jī)械結(jié)構(gòu)，具有體積小，易于集成的特點(diǎn)；在保證持續(xù)增氧的過(guò)程中，控制電解電壓和水交換流量，可以實(shí)現(xiàn)3種工作模式：1）最大水交換流量和電解電壓，實(shí)現(xiàn)大量氧氣泡溢出的快速增氧模式；2）采用圖7中局部飽和增氧速率狀態(tài)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)無(wú)氣泡增氧模式；3）在只有小量水產(chǎn)或者待機(jī)時(shí)，采用圖8的能耗最低組合參數(shù)，實(shí)現(xiàn)低能耗模式。

本文所設(shè)計(jì)小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱，保證了活體水產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程持續(xù)不間斷增氧，最大限度保留活體水產(chǎn)原生存環(huán)境，電解水裝置與水產(chǎn)隔離，電流通路較短，不會(huì)對(duì)水產(chǎn)產(chǎn)生不良影響。電解水過(guò)程會(huì)伴隨部分臭氧的產(chǎn)生，有一定的殺菌消毒作用，對(duì)保持水體潔凈有一定作用，有利于長(zhǎng)距離運(yùn)輸。但由于電解過(guò)程還會(huì)對(duì)水體中其他物質(zhì)產(chǎn)生作用，因此不適用于原水質(zhì)較差的水體作為運(yùn)輸水體的情況。

通過(guò)對(duì)電解水增氧裝置進(jìn)行試驗(yàn)，分析了電解電壓、水交換流量雙變量下的水體溶氧、增氧速率和裝置能耗變化。得到了如下結(jié)論：

1）為提高電解水增氧有效性和水體交換效率，設(shè)計(jì)了一種產(chǎn)生恒穩(wěn)均勻流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，通過(guò)仿真分析，合理選擇了結(jié)構(gòu)參數(shù)，即整流板孔徑和距離分別為1、20 mm；擋流板直徑和距離分別為8、10 mm。此結(jié)構(gòu)能對(duì)電解水增氧裝置中的水體進(jìn)行有效整流，使水管中產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定的電解水環(huán)境，減少紊流對(duì)電解通路的影響，提高富氧水與乏氧水的交換效率，為電解水增氧裝置穩(wěn)定運(yùn)行、有效增氧提供了基礎(chǔ)，也提高了后續(xù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性。

2）通過(guò)試驗(yàn)，建立增氧速率與電解電壓及流量的關(guān)系曲面，得到了增氧速率飽和狀態(tài)參數(shù)。擬合得到了能耗與流量以及電解電壓之間的數(shù)學(xué)模型，可以通過(guò)同時(shí)控制流量和電解電壓來(lái)達(dá)到最低工作能耗要求。水體從初始氧飽和度45%至水體氧飽和100%，控制電解電壓在37 V、流量在6.97×10-5m3/s時(shí)耗能最低。

本試驗(yàn)采用的是直流電解水反應(yīng)，直流電在反應(yīng)過(guò)程中會(huì)發(fā)生極化反應(yīng)而影響電解效率，在今后的研究中，仍需對(duì)交流電解和脈動(dòng)直流電解進(jìn)行相應(yīng)研究；另外由于每次試驗(yàn)用水難以保證水質(zhì)完全一致，會(huì)造成電流值變化而產(chǎn)生誤差；且本試驗(yàn)暫未進(jìn)行活體研究，在今后的研究將配合活體水產(chǎn)進(jìn)行試驗(yàn)，探究電解水增氧裝置對(duì)活體水產(chǎn)生理特性方面的影響。

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Design and test of electrolytic water oxygen increasing device for small transport box of living aquatic products

Mo Jiasi, Yan Guoqi※, Xia Junjie, Jin Mohui, Wei Dexian

(,,510642,)

Fresh aquatic products are more and more favored by the market, with the continuous expansion of aquatic trade, living aquatic transportation becomes more and more important. How to improve the survival rate of living aquatic transportation and reduce the cost of living aquatic transportation is an urgent problem to be solved. To ensure the survival of aquatic transport process, it is necessary to maintain the original aquatic survival environment, such as pressure, water quality, dissolved oxygen degree and so on. The dissolved oxygen degree is the key parameter for the survival of aquatic products, then the oxygen increasing device becomes the key technology for small transport box. In order to develop a transportation device for living aquatic products that can continuously increase oxygen, consume less power, have small size, use flexibly and conveniently, a electrolytic water oxygen increasing device was designed for small living aquatic products transportation box. Firstly, a stable constant flow field needed to be created between positive and negative electrodes in the pipeline. Therefore, the structure of transport box and oxygen increasing device were designed, and the structure in the electrolytic water oxygen increasing device which can generate steady and uniform flow field was designed by computational fluid dynamics simulation software. The structural parameters of the flow straightening unit were design with different variables. The control variable method was used to determine range of the parameter, that is, the three variables were respectively controlled unchanged and the other variable was adjusted from small to large for the simulation test. The parameters selection via simulation results was convenient for efficient exchange of water and oxygen. Then, hypoxic water was prepared and the initial oxygen-solubility of hypoxic water was tested by a dissolved oxygen meter. The concrete experimental method was that the electrolytic water oxygen increasing device was placed at the bottom of the sealed box and seal the box body, then adjusting the electrolytic voltage and circulating pump flow rate and recording the dissolved oxygen degree, electrolytic voltage and electrolytic current every 5 minutes until the dissolved oxygen degree of the water reaches 100%. Surface of the relation between oxygen increasing rate and electrolytic voltage under different flow rate were drawn, and the influences of the bivariate of electrolytic voltage and water exchange flow rate were explored. The test results indicated that the lowest total energy consumption was 39.39 kJ when the electrolytic voltage was 37 V and the water exchange flow rate was 6.97×10-5m3/s for the box volume of 8×10-3m3using direct current electrolysis. In the process of ensuring continuous oxygen increasing, three working modes as follows could be realized through controlling the electrolytic voltage and water exchange flow rate. Maximum water exchange flow rate and electrolytic voltage could realize rapid oxygen increasing mode of large amount of oxygen bubble overflow; The local saturation oxygen increasing rate state parameter was adopted to realize the bubble-free oxygen increasing mode; When there was only a small amount of aquatic products or standby, the lowest combined parameter of energy consumption was adopted to realize the low energy consumption mode. The design method and test results for the electrolytic water oxygen increasing device in this study can provide a basis for the application of electrolytic water oxygen increasing method in living aquatic transportation and aquaculture.

design; test; device; transportation of living aquatic products; electrolytic water oxygen increasing

莫嘉嗣，閆國(guó)琦，夏俊杰，等. 小型活體水產(chǎn)運(yùn)輸箱電解水增氧裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(18)：26-33.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.004 http://www.tcsae.org

Mo Jiasi, Yan Guoqi, Xia Junjie, et al. Design and test of electrolytic water oxygen increasing device for small transport box of living aquatic products[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(18): 26-33. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.004 http://www.tcsae.org

2020-05-20

2020-09-07

廣東省特色農(nóng)產(chǎn)品（鰻魚、茶枝柑）智能裝備關(guān)鍵技術(shù)研究與推廣（粵財(cái)科教〔2019〕170號(hào)）；廣東省教育廳青年人才類項(xiàng)目（2018KQNCX021）

莫嘉嗣，博士，主要從事水產(chǎn)自動(dòng)化養(yǎng)殖裝備研究。Email：mo_jiasi@scau.edu.cn

閆國(guó)琦，博士，副教授，主要從事水產(chǎn)自動(dòng)化化養(yǎng)殖裝備研究。Email：ygq1978@scau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.004

S981.14

A

1002-6819(2020)-18-0026-08