刁劭譞　丁玲

摘 要：目前我國工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖模式還處于初級階段，在設(shè)施、工藝、產(chǎn)量、效益等方面都有待提高。本文通過對現(xiàn)有工廠化養(yǎng)殖調(diào)溫系統(tǒng)進行調(diào)研，總結(jié)出典型的標準的換熱器調(diào)溫系統(tǒng)應(yīng)為盤管式系統(tǒng)。通過理論研究的方法，推導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，建立流動與傳熱的數(shù)學模型。采用CFD（Computational Fluid Dynamics 計算流體力學）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場分布，從而直觀地得出溫度場分布，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)用SPSS進行回歸分析，可得加熱時間和管徑的函數(shù)關(guān)系，可以對加熱所需時間進行精確的計算。結(jié)合微觀經(jīng)濟學消費者理論，得出兩種不同盤管的預算約束式和預算線（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)濟分析，為實踐工程設(shè)計依據(jù)設(shè)備選型提供設(shè)計依據(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，許多發(fā)達國家以及發(fā)展中國家都在積極發(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行高密度養(yǎng)殖的生產(chǎn)模式[1]。世界發(fā)達國家水產(chǎn)養(yǎng)殖工廠以大型和特大型為主，有的已經(jīng)形成了集團和跨國公司。對于這些企業(yè)而言，如何實現(xiàn)規(guī)模效益是大家關(guān)注的焦點[2]。

我國在工廠化水產(chǎn)養(yǎng)殖方面起步比較晚，在20世紀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)殖過牙鲆、河鲀等魚類。90年代山東榮成和威海根據(jù)日本、韓國的經(jīng)驗開始在陸地養(yǎng)殖池內(nèi)養(yǎng)殖牙鲆。隨著大菱鲆的引進，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。

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

當前我國的工廠化養(yǎng)殖正面臨著一場變革，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)殖池利用時間差和空間差的交錯組合實行加溫養(yǎng)殖，可以形成多層次多功能的高效養(yǎng)殖系統(tǒng)。目前學術(shù)界對于工廠化養(yǎng)殖采用溫室型養(yǎng)殖池，有關(guān)溫度場分布及規(guī)律特點的研究還未見報道。本文研究了養(yǎng)殖溫室內(nèi)溫度場的分布情況，以及其差異性對溫室內(nèi)加熱設(shè)施、養(yǎng)殖池水溫、設(shè)施經(jīng)濟性及養(yǎng)殖環(huán)境影響。

1 研究內(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)容是建立一個水體循環(huán)的封閉養(yǎng)殖工廠，通過一系列的生物和物理方法對養(yǎng)殖水體進行監(jiān)測和控制，設(shè)計出最適宜魚類生長的水體環(huán)境。實現(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，通過調(diào)整加熱時間來控制溫度。本研究技術(shù)路線如下：首先對現(xiàn)有調(diào)溫系統(tǒng)（煤、電、油、氣鍋爐和熱泵等熱源）進行綜合調(diào)研，收集各項技術(shù)參數(shù)資料，總結(jié)分析典型的標準的盤管換熱器調(diào)溫系統(tǒng)的特點，為下一步分析建立標準化模型奠定基礎(chǔ)。

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

第三，根據(jù)對現(xiàn)有典型養(yǎng)殖池及盤管換熱器進行廣泛調(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，建立流動與傳熱的數(shù)學模型。

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

第五，采用經(jīng)濟比選的方法就盤管換熱器的不同種類所帶來的初始投資、運行費用等影響進行全面分析，并在此基礎(chǔ)上對盤管換熱器的類型，相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化選擇，以求出具有符合工程實際的結(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)分析典型的標準的盤管換熱器調(diào)溫系統(tǒng)，為下一步進行分析建立標準化模型。

1.3 對流熱交換的算法[4]

對流換熱是指流體流經(jīng)固體時流體與固體表面之間的熱量傳遞現(xiàn)象，既有熱對流，也有導熱。對流換熱的特點是必須有流體的宏觀運動，必須有溫差；對流換熱既有熱對流，也有熱傳導；流體與壁面必須有直接接觸。

1.4 建立模擬實驗模型

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?。?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。魚池網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量為1 252 061個。水管進出口處網(wǎng)格自動加密。

第三，設(shè)定邊界條件。魚池六個面均為絕熱，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)分別采用鋁管和無縫鋼管，厚度均為0.003 m。

第四，模擬設(shè)置說明。本次模擬，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場分布，將溫度圖設(shè)置為低于溫度標尺最低刻度的點的溫度不顯示，所以模擬圖中水池內(nèi)各點處的溫度均不低于溫度標尺最低點的溫度，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，但是實際運行中耐腐蝕性能并不是相同的，所以再深入研究時應(yīng)將耐腐蝕性能作為重要的影響因素加以考慮。

1.5 實驗模擬結(jié)果

通過模擬三維非穩(wěn)態(tài)求解，監(jiān)測各個方程的收斂殘差，形成溫度場模擬圖，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)水溫的三維場分布，從而直觀地得出溫度場分布圖。通過不同實驗條件下溫度場的展示，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，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，建立流動與傳熱的數(shù)學模型。采用CFD（Computational Fluid Dynamics 計算流體力學）方法模擬得到養(yǎng)殖池內(nèi)水溫的三維場分布，從而直觀地得出溫度場分布，將數(shù)值模擬數(shù)據(jù)用SPSS進行回歸分析，可得加熱時間和管徑的函數(shù)關(guān)系。建立養(yǎng)殖池及盤換熱器的幾何模型可以對加熱所需時間進行精確的計算。以盤管材質(zhì)和加熱時間為衡量標準，同等規(guī)格條件下，管徑的平衡點在150.83處，得出當管徑為150時為效果平衡點，管徑低于150，鋁管經(jīng)濟性優(yōu)于鋼管，管徑大于150，鋼管經(jīng)濟性優(yōu)于鋁管。

根據(jù)西方微觀經(jīng)濟學消費者理論[6]，得出兩種不同盤管的預算約束式和預算線（budget line），相應(yīng)的預算等式為以I表示消費者的既定收入（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變動后的變化結(jié)果：I=P1X1+P2X2。將管徑為150作為預算等式的邊界條件臨界點，在滿足預算約束的條件下，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)濟分析，為實踐工程設(shè)計依據(jù)設(shè)備選型提供設(shè)計依據(jù)。

參考文獻：

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[2] 彭樹鋒，王云新，葉富良，張海發(fā)，國內(nèi)外工廠化養(yǎng)殖簡述[J].漁業(yè)現(xiàn)代化，2007（04）：12-13

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[5] 曲克明，杜守恩，海水工廠化高效養(yǎng)殖體系構(gòu)建工程技術(shù)[M].海洋出版社：北京，2010：95-96

[6] 哈爾·R·范里安，微觀經(jīng)濟學現(xiàn)代觀點[M].上海人民出版社：上海，2003：30-31

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）