工厂化养殖池中两种材质盘管调温效果的经济性比较
刁劭譞 丁玲
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[1]。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20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、河鲀等鱼类。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。
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[3]。
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。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。
1 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法对养殖水体进行监测和控制，设计出最适宜鱼类生长的水体环境。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（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。
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 Dynamics）方法模拟得到养殖池内水温的三维场分布，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
现有调温系统有三种类型（见表1），调研、收集资料后，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。
1.3 对流热交换的算法[4]
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；流体与壁面必须有直接接触。
1.4 建立模拟实验模型
第一，设定鱼池模型的边界尺寸。根据调研收集资料的结果，总结出经典的鱼池尺寸，大小： 3.2 m×2.4 m×1.2 m；池内管道管径：20 mm；管壁距墙壁均为0.2 m，将这些尺寸作为鱼池的模拟用边界尺寸。
第二，分别对水管和鱼池划分网格。水管网格采用五面体，网格数量为258 264个。鱼池网格采用四面体网格，网格数量为1 252 061个。水管进出口处网格自动加密。
第三，设定边界条件。鱼池六个面均为绝热，水的初始温度为15 ℃。盘管水的入口处采用速度入口边界类型，进口水温度60 ℃，流速2 m/s。出水口设为自由出流。盘管材质分别采用铝管和无缝钢管，厚度均为0.003 m。
第四，模拟设置说明。本次模拟，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法模拟得到养殖池内水温的三维场分布，将温度图设置为低于温度标尺最低刻度的点的温度不显示，所以模拟图中水池内各点处的温度均不低于温度标尺最低点的温度，否则即为空白缺口。
第五，此次研究未考虑金属材料的耐腐蚀因素影响。此次研究是以两种材料的耐腐蚀程度相同为前提的，但是实际运行中耐腐蚀性能并不是相同的，所以再深入研究时应将耐腐蚀性能作为重要的影响因素加以考虑。
1.5 实验模拟结果
通过模拟三维非稳态求解，监测各个方程的收敛残差，形成温度场模拟图，模拟结果描述如表2所示。
2 研究结论
采用CFD（Computational Fluid Dynamics）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图。通过不同实验条件下温度场的展示，可以总结出不同材质盘管换热器的调温效果规律特点，如下表3所示。
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。建立养殖池及盘换热器的几何模型可以对加热所需时间进行精确的计算。以盘管材质和加热时间为衡量标准，同等规格条件下，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，铝管经济性优于钢管，管径大于150，钢管经济性优于铝管。
根据西方微观经济学消费者理论[6]，得出两种不同盘管的预算约束式和预算线（budget line），相应的预算等式为以I表示消费者的既定收入（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：I=P1X1+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。
参考文献：
[1]丁永良，世界养鱼工业综述[J].现代渔业信息，1995（03）： 1-8
[2] 彭树锋，王云新，叶富良，张海发，国内外工厂化养殖简述[J].渔业现代化，2007（04）：12-13
[3] 李鲁晶，海水工厂化健康养殖技术[J].科技致富向导， 2010（28）：35
[4] 章熙民，传热学，中国建筑工业出版社[M].北京：2007：8-10
[5] 曲克明，杜守恩，海水工厂化高效养殖体系构建工程技术[M].海洋出版社：北京，2010：95-96
[6] 哈尔·R·范里安，微观经济学现代观点[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）
