楊毓博，張殿光，2，盧 奇，刁瑞瑩，胡進(jìn)熙，徐敬皓，練智博，陳煜然

(1.大連海洋大學(xué) 海洋與土木工程學(xué)院，遼寧 大連 116023;2.遼寧省漁業(yè)裝備工程技術(shù)研究中心，遼寧 大連 116023)

水產(chǎn)養(yǎng)殖對(duì)水溫有極高的要求，水溫是影響水產(chǎn)養(yǎng)殖的重要因素，水溫升降會(huì)對(duì)水生物生長(zhǎng)發(fā)育、新陳代謝產(chǎn)生直接或間接的影響[1]。如蝦、貝育苗通常要求水溫在22～25 ℃，熱帶品種石斑魚最適生長(zhǎng)溫度在25～28 ℃[2]，海參育苗最佳溫度約20 ℃[3]，而冷水魚類要求水溫一般低于20 ℃[4]。目前多數(shù)養(yǎng)殖企業(yè)的經(jīng)營(yíng)并不理想，北方地區(qū)因氣候影響，養(yǎng)殖企業(yè)每年有 6 個(gè)月左右的時(shí)間需要將水體升溫至 15～28 ℃[5-6]。養(yǎng)殖水體的溫度控制，能夠保證養(yǎng)殖水質(zhì)良好、降低運(yùn)行成本、提高養(yǎng)殖效率，達(dá)到最小排放或零排放。

我國(guó)作為水產(chǎn)大國(guó)，在水產(chǎn)養(yǎng)殖上應(yīng)做到節(jié)水、節(jié)電、節(jié)能，但是，目前國(guó)內(nèi)海水養(yǎng)殖溫度調(diào)節(jié)方面仍采用傳統(tǒng)的方式，即采用燃煤、燃電、鍋爐對(duì)水體進(jìn)行加熱[7-8]。隨著煤炭?jī)r(jià)格的增加，加熱成本不斷增加，傳統(tǒng)加熱方式成本越來(lái)越高，且效率低、設(shè)備落后、工作量大。除加熱方式落后外，養(yǎng)殖過(guò)程中水體產(chǎn)生的大量熱量會(huì)不經(jīng)過(guò)回收直接排入大海，造成熱量的浪費(fèi)，如何回收這部分熱量，也是水產(chǎn)養(yǎng)殖中需要解決的問(wèn)題。

毛細(xì)管規(guī)格一般為4.3 mm×0.8 mm、3.4 mm×0.55 mm，單片毛細(xì)管席上的兩根毛細(xì)管之間距離一般為10～30 mm[9]，生產(chǎn)原料為PPR或PE-RT，這兩種材料安全衛(wèi)生，性能可靠，制作的管材安裝方便，采用熱熔連接，其連接部位的強(qiáng)度大于管材本身強(qiáng)度，在正常工作條件下，使用壽命可達(dá)50年以上，在生活給水、熱水供應(yīng)管道中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)毛細(xì)管換熱器技術(shù)的研究和利用主要集中在建筑行業(yè)對(duì)空氣溫度的調(diào)節(jié)[10]，毛細(xì)管換熱器由于其管徑小、換熱面積大、工作時(shí)無(wú)噪音、無(wú)吹風(fēng)感以及不占空間等優(yōu)點(diǎn)，作為空調(diào)系統(tǒng)的輻射末端已經(jīng)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。目前工程上常用的毛細(xì)管換熱器的寬度為1 m，管間距為10 mm，毛細(xì)管管長(zhǎng)需要考慮實(shí)際工程敷設(shè)和毛細(xì)管換熱特性進(jìn)行確定。據(jù)文獻(xiàn)可知，當(dāng)毛細(xì)管管長(zhǎng)為4 m，管內(nèi)介質(zhì)流速大于0.1 m/s 時(shí)，毛細(xì)管在水中的席面積傳熱系數(shù)約為75 W/(m2·℃)[11]。青島理工大學(xué)劉國(guó)丹、施志鋼等人研發(fā)出一種用于海水養(yǎng)殖的毛細(xì)管海水源熱泵系統(tǒng)[12]，可利用低品位能源，克服海水養(yǎng)殖中供水溫度的問(wèn)題。。

毛細(xì)管換熱器在養(yǎng)殖水體溫度調(diào)節(jié)的研究較少，本文利用在水中鋪設(shè)毛細(xì)管換熱器為養(yǎng)殖水體升溫或降溫，具有極大的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。針對(duì)大連地區(qū)的天氣條件，搭建小型試驗(yàn)臺(tái)，從整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)移狀況出發(fā)，就毛細(xì)管換熱器在養(yǎng)殖中的應(yīng)用進(jìn)行探討，計(jì)算毛細(xì)管換熱量，并研究毛細(xì)管換熱器在養(yǎng)殖水體調(diào)溫上應(yīng)用的可行性。

1 毛細(xì)管換熱量計(jì)算

毛細(xì)管換熱器管內(nèi)換熱介質(zhì)與周圍海水存在溫差，產(chǎn)生熱量的傳遞。由傳熱學(xué)可知，在穩(wěn)定工況下，換熱介質(zhì)在毛細(xì)管換熱器內(nèi)流動(dòng)，吸收或放出的熱量Q

Q=MCρΔt=AkTm

(1)

式中Q——換熱量/W；

M——換熱介質(zhì)流量/kg·s-1；

Cρ——換熱介質(zhì)比熱容/J·(kg·℃)-1；

Δt——換熱器進(jìn)出口溫差/℃；

A——換熱面積/m2；

k——傳熱系數(shù)/W·(m2·℃)-1；

Tm——對(duì)數(shù)平均溫差/℃。

對(duì)數(shù)平均溫差法的計(jì)算公式為

(2)

式中 ΔTmax=T2-Tw/℃；

ΔTmin=T1-Tw/℃；

Tw——環(huán)境溫度/℃；

T1——出水溫度/℃；

T2——進(jìn)水溫度/℃。

2 毛細(xì)管換熱器制熱性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)系統(tǒng)介紹

為研究毛細(xì)管換熱器在海水養(yǎng)殖中對(duì)溫度的調(diào)節(jié)作用，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行小型毛細(xì)管換熱器換熱性能測(cè)試，系統(tǒng)主要由毛細(xì)管換熱器、循環(huán)水系統(tǒng)、溫度控制和溫度檢測(cè)等組成。為模擬海水與養(yǎng)殖水水溫，水體加熱與降溫采用加熱棒和加冰方式進(jìn)行水溫調(diào)節(jié)；溫度檢測(cè)由SH-X型溫度巡檢儀搭配熱電偶傳感器進(jìn)行溫度測(cè)量，測(cè)量范圍為-50～300℃；循環(huán)水系統(tǒng)由水泵和兩個(gè)儲(chǔ)水池組成，試驗(yàn)用水池設(shè)計(jì)為2 m×1 m×1 m和0.5 m×0.5 m×0.5 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)選用PP板材質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)為0.25 W/(m2·℃)，四周均包裹保溫材料。試驗(yàn)用毛細(xì)管為PPR材質(zhì)，密度900 kg/m3、導(dǎo)熱系數(shù)0.24 W/(m2·℃)、比熱容2 000 J/(kg·℃)。實(shí)驗(yàn)原理圖如圖1所示。

圖1 毛細(xì)管換熱器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)原理圖

2.2 試驗(yàn)方法

2.2.1 管長(zhǎng)、管間距及流量對(duì)毛細(xì)管換熱的影響實(shí)驗(yàn)

試驗(yàn)選用五種型號(hào)的毛細(xì)管換熱器：長(zhǎng)1 m間距10 mm、20 mm、30 mm，長(zhǎng)1.2 m間距20 mm和長(zhǎng)1.5 m間距20 mm，毛細(xì)管換熱器內(nèi)介質(zhì)流量設(shè)置為0.01 L/s、0.02 L/s、0.03 L/s、0.04 L/s、0.05 L/s和0.06 L/s，以此研究不同管內(nèi)介質(zhì)流量、管長(zhǎng)、管間距對(duì)換熱的影響。將毛細(xì)管換熱器放置在水池中，池內(nèi)海水溫度為20℃，管內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為水，初始溫度為34℃。

開(kāi)啟水泵，待水泵穩(wěn)定工作后，測(cè)量進(jìn)出口溫度，每種型號(hào)毛細(xì)管在每一流量條件下均連續(xù)測(cè)溫3次，取其平均值。

2.2.2 海水溫度和管內(nèi)介質(zhì)溫度變化對(duì)進(jìn)出口溫差的影響實(shí)驗(yàn)

海水作為換熱器的冷熱源，它的溫度對(duì)換熱器的換熱會(huì)產(chǎn)生直接的影響，管內(nèi)介質(zhì)溫度的變化也會(huì)影響毛細(xì)管換熱器的換熱效果?，F(xiàn)取管長(zhǎng)1 m、管間距20 mm的毛細(xì)管換熱器，管內(nèi)介質(zhì)流量為0.01 L/s、0.02 L/s和0.04 L/s，分別測(cè)試海水溫度為18℃、20℃、22℃和24℃，進(jìn)口溫度為28℃、30℃、32℃、34℃、36℃時(shí)，進(jìn)出口溫差的變化情況。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

毛細(xì)管內(nèi)介質(zhì)在流動(dòng)過(guò)程中與外界海水存在溫差產(chǎn)生熱量交換，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)得不同流量、管長(zhǎng)、管間距的進(jìn)出口溫差，根據(jù)公式(1)計(jì)算毛細(xì)管換熱器換熱量，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 毛細(xì)管換熱器換熱量

3.1.1 毛細(xì)管管內(nèi)介質(zhì)流量與管長(zhǎng)對(duì)換熱的影響

現(xiàn)以管間距為10 mm，管長(zhǎng)分別為1 m、1.2 m和1.5 m的毛細(xì)管為例，管內(nèi)介質(zhì)流量0.01 L/s、0.02 L/s、0.03 L/s、0.04 L/s、0.05 L/s和0.06 L/s為例研究毛細(xì)管換熱量的變化情況。

從圖2可知，在同一管長(zhǎng)下，隨著管內(nèi)介質(zhì)流量的增加，毛細(xì)管換熱量呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。流經(jīng)毛細(xì)管內(nèi)的流量增大，管內(nèi)介質(zhì)與外界海水換熱時(shí)間減小，海水在單位時(shí)間內(nèi)與更多的管內(nèi)介質(zhì)接觸從而帶走更多的熱量。當(dāng)流量處于0.02～0.03 L/s、0.03～0.04 L/s與0.05～0.06 L/s這三個(gè)過(guò)程中，雖然換熱量逐漸增加，但增量卻逐漸減小，說(shuō)明隨著流量的增加，毛細(xì)管換熱量將不再有較大變化。

圖2 管長(zhǎng)與流量對(duì)毛細(xì)管換熱量的影響變化

由圖2還可知，在各個(gè)流量下，隨著管長(zhǎng)的增加，換熱量逐漸增加。管長(zhǎng)越長(zhǎng)，換熱介質(zhì)與外界池水換熱時(shí)間越長(zhǎng)，換熱越充分。隨著管長(zhǎng)的逐漸增長(zhǎng)，換熱最終將達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，即隨著管長(zhǎng)的無(wú)限增長(zhǎng)，換熱量將不再增加。針對(duì)本次實(shí)驗(yàn)，對(duì)比管長(zhǎng)1.2 m與1.5 m的毛細(xì)管換熱量，從圖2中可以看出，在0.06 L/s的流量下，管長(zhǎng)1.2 m的毛細(xì)管換熱量為1 036.1 W,管長(zhǎng)1.5 m的毛細(xì)管換熱量為1 092.1 W,兩者差距不大，說(shuō)明本次實(shí)驗(yàn)中在管長(zhǎng)1.2 m至1.5 m之間已經(jīng)接近充分換熱。

3.1.2 毛細(xì)管管間距對(duì)換熱量的影響

現(xiàn)以管長(zhǎng)為1 m，管間距分別為10 mm、20 mm和30 mm的毛細(xì)管為例，管內(nèi)介質(zhì)流量為0.01 L/s、0.02 L/s、0.03 L/s、0.04 L/s、0.05 L/s和0.06 L/s為例研究毛細(xì)管換熱量的變化情況。

由圖3可知，在同一流量下，隨著管間距的增大，毛細(xì)管換熱器的換熱量逐漸減少。針對(duì)1 m2毛細(xì)管換熱器來(lái)說(shuō)，管間距為10 mm的換熱器共有34根支管，展開(kāi)面積為0.863 m2，其換熱量相對(duì)較大。間距20 mm的毛細(xì)管換熱器展開(kāi)面積0.457 m2，間距30 mm的換熱器其展開(kāi)面積為0.305 m2，在0.01 L/s的流量下，管間距20 mm的毛細(xì)管換熱量為385.8 W, 管間距30 mm的毛細(xì)管換熱量為364.1 W；在0.06 L/s的流量下，管間距20 mm的毛細(xì)管換熱量為924.1 W, 管間距30 mm的毛細(xì)管換熱量為840.1 W。管間距的變化代表著支管展開(kāi)面積的變化，因此在同一流量下，間距為10 mm的毛細(xì)管換熱明顯，20 mm與30 mm的毛細(xì)管換熱量相差不大。

圖3 管間距與流量對(duì)毛細(xì)管換熱量的影響變化

3.2 進(jìn)出口溫差

3.2.1 管內(nèi)介質(zhì)溫度、管內(nèi)介質(zhì)流量對(duì)進(jìn)出口溫差的影響

管內(nèi)介質(zhì)溫度及流量的改變會(huì)對(duì)換熱產(chǎn)生影響，為探究其對(duì)進(jìn)出口溫差的影響程度，以海水溫度20℃為例，測(cè)定溫度變化。

由圖4可知，在同一進(jìn)口溫度下，進(jìn)出口溫差隨著流量的增大而減小。流量增大使得管內(nèi)介質(zhì)與外界海水的換熱時(shí)間縮短，因此進(jìn)出口溫差變小。以進(jìn)口溫度34℃為例，管內(nèi)介質(zhì)流量由0.01 L/s升至0.04 L/s時(shí)，進(jìn)出口溫差從10.1℃降至5.2℃。結(jié)果表明，管內(nèi)介質(zhì)流量的變化對(duì)毛細(xì)管換熱器進(jìn)出口溫差存在顯著影響。

圖4 海水20℃，不同管內(nèi)介質(zhì)溫度、流量對(duì)進(jìn)出口溫差的影響

由圖4還可知，在同一流量的條件下，隨著進(jìn)口溫度的增加，毛細(xì)管換熱器進(jìn)出口溫差逐漸增大。進(jìn)口溫度的提高，使海水與管內(nèi)介質(zhì)間存在較大溫差，毛細(xì)管換熱加強(qiáng)，效果明顯。在本次試驗(yàn)條件下，以流量0.01 L/s為例，進(jìn)口溫度由28℃升至36℃，進(jìn)出口溫差由6.3℃增長(zhǎng)至10.8℃，表明進(jìn)口溫度對(duì)毛細(xì)管換熱也存在影響。

3.2.2 海水溫度對(duì)進(jìn)出口溫差的影響

海水作為換熱器重要的冷熱源，其溫度變化是試驗(yàn)中一重要參數(shù)，海水溫度對(duì)換熱效果產(chǎn)生影響。為測(cè)定不同海水溫度對(duì)毛細(xì)管進(jìn)出口溫差的影響，以在28℃與34℃的進(jìn)口溫度為例，比較不同溫度海水的換熱效果。

由圖5、圖6可知，在管內(nèi)介質(zhì)溫度與流量相同的條件下，不同海水溫度對(duì)進(jìn)出口溫度的變化趨勢(shì)基本相同，即進(jìn)出口溫差隨海水溫度升高而降低。這是由于海水溫度較低時(shí)，周圍海水與管內(nèi)介質(zhì)可利用的溫差較大。因此，其換熱效果加強(qiáng)。

圖5 進(jìn)口28℃，海水溫度對(duì)溫差的影響

圖6 進(jìn)口34℃，海水溫度對(duì)溫差的影響

4 結(jié)論

本文以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)搭建小型實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試不同型號(hào)毛細(xì)管對(duì)換熱的影響。由試驗(yàn)可知：

(1)管內(nèi)介質(zhì)流量、管長(zhǎng)對(duì)毛細(xì)管換熱效果有顯著影響，以管長(zhǎng)1 m為例，流量從0.01 L/s升至0.06 L/s，其換熱量增加538.3 W，但是隨著流量的增加，換熱量的變化量逐漸減小，在海水養(yǎng)殖中為在短時(shí)間內(nèi)獲得較大換熱量時(shí)，可考慮選擇大流量；毛細(xì)管換熱量隨著管長(zhǎng)的增長(zhǎng)而增加，但在本次實(shí)驗(yàn)中，管長(zhǎng)1.2 m與1.5 m中，兩者的換熱量相差很小。在實(shí)際海水養(yǎng)殖中為減少初投資可根據(jù)實(shí)際情況單片毛細(xì)管管長(zhǎng)不需要過(guò)長(zhǎng)；

(2)毛細(xì)管換熱量隨著管間距的增加而減小，管間距的變化實(shí)際為支管展開(kāi)面積的變化，在養(yǎng)殖中可選取間距為10 mm的毛細(xì)管；

(3)海水溫度和管內(nèi)介質(zhì)溫度變化都是影響進(jìn)出口溫差的因素，管內(nèi)介質(zhì)溫度與海水溫度溫差越大，進(jìn)出口溫差越明顯；但是在同一進(jìn)口溫度下，隨著流量的增大，進(jìn)出口溫差反而減小。因此，在海水養(yǎng)殖中，若蓄水池或育苗池需要降低溫度，可適當(dāng)選擇減小管內(nèi)介質(zhì)流量并增加海水與管內(nèi)介質(zhì)溫差。

毛細(xì)管換熱器具有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益，但在水產(chǎn)養(yǎng)殖上還未大量推廣使用，可針對(duì)不同物種生長(zhǎng)繁殖需要，對(duì)毛細(xì)管換熱器進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)，以便于應(yīng)用在更多水產(chǎn)領(lǐng)域。