毛细管换热器在养殖水体温度调节中的应用

杨毓博，张殿光，2，卢 奇，刁瑞莹，胡进熙，徐敬皓，练智博，陈煜然

(1.大连海洋大学 海洋与土木工程学院，辽宁 大连 116023;2.辽宁省渔业装备工程技术研究中心，辽宁 大连 116023)

水产养殖对水温有极高的要求，水温是影响水产养殖的重要因素，水温升降会对水生物生长发育、新陈代谢产生直接或间接的影响[1]。如虾、贝育苗通常要求水温在22～25 ℃，热带品种石斑鱼最适生长温度在25～28 ℃[2]，海参育苗最佳温度约20 ℃[3]，而冷水鱼类要求水温一般低于20 ℃[4]。目前多数养殖企业的经营并不理想，北方地区因气候影响，养殖企业每年有 6 个月左右的时间需要将水体升温至 15～28 ℃[5-6]。养殖水体的温度控制，能够保证养殖水质良好、降低运行成本、提高养殖效率，达到最小排放或零排放。

我国作为水产大国，在水产养殖上应做到节水、节电、节能，但是，目前国内海水养殖温度调节方面仍采用传统的方式，即采用燃煤、燃电、锅炉对水体进行加热[7-8]。随着煤炭价格的增加，加热成本不断增加，传统加热方式成本越来越高，且效率低、设备落后、工作量大。除加热方式落后外，养殖过程中水体产生的大量热量会不经过回收直接排入大海，造成热量的浪费，如何回收这部分热量，也是水产养殖中需要解决的问题。

毛细管规格一般为4.3 mm×0.8 mm、3.4 mm×0.55 mm，单片毛细管席上的两根毛细管之间距离一般为10～30 mm[9]，生产原料为PPR或PE-RT，这两种材料安全卫生，性能可靠，制作的管材安装方便，采用热熔连接，其连接部位的强度大于管材本身强度，在正常工作条件下，使用寿命可达50年以上，在生活给水、热水供应管道中得到了越来越广泛的应用。国内对毛细管换热器技术的研究和利用主要集中在建筑行业对空气温度的调节[10]，毛细管换热器由于其管径小、换热面积大、工作时无噪音、无吹风感以及不占空间等优点，作为空调系统的辐射末端已经得到了越来越广泛的应用。目前工程上常用的毛细管换热器的宽度为1 m，管间距为10 mm，毛细管管长需要考虑实际工程敷设和毛细管换热特性进行确定。据文献可知，当毛细管管长为4 m，管内介质流速大于0.1 m/s 时，毛细管在水中的席面积传热系数约为75 W/(m2·℃)[11]。青岛理工大学刘国丹、施志钢等人研发出一种用于海水养殖的毛细管海水源热泵系统[12]，可利用低品位能源，克服海水养殖中供水温度的问题。。

毛细管换热器在养殖水体温度调节的研究较少，本文利用在水中铺设毛细管换热器为养殖水体升温或降温，具有极大的实用性和经济性。针对大连地区的天气条件，搭建小型试验台，从整个系统的能量转移状况出发，就毛细管换热器在养殖中的应用进行探讨，计算毛细管换热量，并研究毛细管换热器在养殖水体调温上应用的可行性。

1 毛细管换热量计算

毛细管换热器管内换热介质与周围海水存在温差，产生热量的传递。由传热学可知，在稳定工况下，换热介质在毛细管换热器内流动，吸收或放出的热量Q

Q=MCρΔt=AkTm

(1)

式中Q——换热量/W；

M——换热介质流量/kg·s-1；

Cρ——换热介质比热容/J·(kg·℃)-1；

Δt——换热器进出口温差/℃；

A——换热面积/m2；

k——传热系数/W·(m2·℃)-1；

Tm——对数平均温差/℃。

对数平均温差法的计算公式为

(2)

式中 ΔTmax=T2-Tw/℃；

ΔTmin=T1-Tw/℃；

Tw——环境温度/℃；

T1——出水温度/℃；

T2——进水温度/℃。

2 毛细管换热器制热性能试验

2.1 试验系统介绍

为研究毛细管换热器在海水养殖中对温度的调节作用，在实验室内进行小型毛细管换热器换热性能测试，系统主要由毛细管换热器、循环水系统、温度控制和温度检测等组成。为模拟海水与养殖水水温，水体加热与降温采用加热棒和加冰方式进行水温调节；温度检测由SH-X型温度巡检仪搭配热电偶传感器进行温度测量，测量范围为-50～300℃；循环水系统由水泵和两个储水池组成，试验用水池设计为2 m×1 m×1 m和0.5 m×0.5 m×0.5 m，围护结构选用PP板材质，导热系数为0.25 W/(m2·℃)，四周均包裹保温材料。试验用毛细管为PPR材质，密度900 kg/m3、导热系数0.24 W/(m2·℃)、比热容2 000 J/(kg·℃)。实验原理图如图1所示。

图1 毛细管换热器系统实验原理图

2.2 试验方法

2.2.1 管长、管间距及流量对毛细管换热的影响实验

试验选用五种型号的毛细管换热器：长1 m间距10 mm、20 mm、30 mm，长1.2 m间距20 mm和长1.5 m间距20 mm，毛细管换热器内介质流量设置为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，以此研究不同管内介质流量、管长、管间距对换热的影响。将毛细管换热器放置在水池中，池内海水温度为20℃，管内流动介质为水，初始温度为34℃。

开启水泵，待水泵稳定工作后，测量进出口温度，每种型号毛细管在每一流量条件下均连续测温3次，取其平均值。

2.2.2 海水温度和管内介质温度变化对进出口温差的影响实验

海水作为换热器的冷热源，它的温度对换热器的换热会产生直接的影响，管内介质温度的变化也会影响毛细管换热器的换热效果。现取管长1 m、管间距20 mm的毛细管换热器，管内介质流量为0.01 L/s、0.02 L/s和0.04 L/s，分别测试海水温度为18℃、20℃、22℃和24℃，进口温度为28℃、30℃、32℃、34℃、36℃时，进出口温差的变化情况。

3 实验结果分析

毛细管内介质在流动过程中与外界海水存在温差产生热量交换，通过试验测得不同流量、管长、管间距的进出口温差，根据公式(1)计算毛细管换热器换热量，并对数据进行分析。

3.1 毛细管换热器换热量

3.1.1 毛细管管内介质流量与管长对换热的影响

现以管间距为10 mm，管长分别为1 m、1.2 m和1.5 m的毛细管为例，管内介质流量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为例研究毛细管换热量的变化情况。

从图2可知，在同一管长下，随着管内介质流量的增加，毛细管换热量呈现上升趋势。流经毛细管内的流量增大，管内介质与外界海水换热时间减小，海水在单位时间内与更多的管内介质接触从而带走更多的热量。当流量处于0.02～0.03 L/s、0.03～0.04 L/s与0.05～0.06 L/s这三个过程中，虽然换热量逐渐增加，但增量却逐渐减小，说明随着流量的增加，毛细管换热量将不再有较大变化。

图2 管长与流量对毛细管换热量的影响变化

由图2还可知，在各个流量下，随着管长的增加，换热量逐渐增加。管长越长，换热介质与外界池水换热时间越长，换热越充分。随着管长的逐渐增长，换热最终将达到一个稳定状态，即随着管长的无限增长，换热量将不再增加。针对本次实验，对比管长1.2 m与1.5 m的毛细管换热量，从图2中可以看出，在0.06 L/s的流量下，管长1.2 m的毛细管换热量为1 036.1 W,管长1.5 m的毛细管换热量为1 092.1 W,两者差距不大，说明本次实验中在管长1.2 m至1.5 m之间已经接近充分换热。

3.1.2 毛细管管间距对换热量的影响

现以管长为1 m，管间距分别为10 mm、20 mm和30 mm的毛细管为例，管内介质流量为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为例研究毛细管换热量的变化情况。

由图3可知，在同一流量下，随着管间距的增大，毛细管换热器的换热量逐渐减少。针对1 m2毛细管换热器来说，管间距为10 mm的换热器共有34根支管，展开面积为0.863 m2，其换热量相对较大。间距20 mm的毛细管换热器展开面积0.457 m2，间距30 mm的换热器其展开面积为0.305 m2，在0.01 L/s的流量下，管间距20 mm的毛细管换热量为385.8 W, 管间距30 mm的毛细管换热量为364.1 W；在0.06 L/s的流量下，管间距20 mm的毛细管换热量为924.1 W, 管间距30 mm的毛细管换热量为840.1 W。管间距的变化代表着支管展开面积的变化，因此在同一流量下，间距为10 mm的毛细管换热明显，20 mm与30 mm的毛细管换热量相差不大。

图3 管间距与流量对毛细管换热量的影响变化

3.2 进出口温差

3.2.1 管内介质温度、管内介质流量对进出口温差的影响

管内介质温度及流量的改变会对换热产生影响，为探究其对进出口温差的影响程度，以海水温度20℃为例，测定温度变化。

由图4可知，在同一进口温度下，进出口温差随着流量的增大而减小。流量增大使得管内介质与外界海水的换热时间缩短，因此进出口温差变小。以进口温度34℃为例，管内介质流量由0.01 L/s升至0.04 L/s时，进出口温差从10.1℃降至5.2℃。结果表明，管内介质流量的变化对毛细管换热器进出口温差存在显著影响。

图4 海水20℃，不同管内介质温度、流量对进出口温差的影响

由图4还可知，在同一流量的条件下，随着进口温度的增加，毛细管换热器进出口温差逐渐增大。进口温度的提高，使海水与管内介质间存在较大温差，毛细管换热加强，效果明显。在本次试验条件下，以流量0.01 L/s为例，进口温度由28℃升至36℃，进出口温差由6.3℃增长至10.8℃，表明进口温度对毛细管换热也存在影响。

3.2.2 海水温度对进出口温差的影响

海水作为换热器重要的冷热源，其温度变化是试验中一重要参数，海水温度对换热效果产生影响。为测定不同海水温度对毛细管进出口温差的影响，以在28℃与34℃的进口温度为例，比较不同温度海水的换热效果。

由图5、图6可知，在管内介质温度与流量相同的条件下，不同海水温度对进出口温度的变化趋势基本相同，即进出口温差随海水温度升高而降低。这是由于海水温度较低时，周围海水与管内介质可利用的温差较大。因此，其换热效果加强。

图5 进口28℃，海水温度对温差的影响

图6 进口34℃，海水温度对温差的影响

4 结论

本文以在实验室内搭建小型实验台，测试不同型号毛细管对换热的影响。由试验可知：

(1)管内介质流量、管长对毛细管换热效果有显著影响，以管长1 m为例，流量从0.01 L/s升至0.06 L/s，其换热量增加538.3 W，但是随着流量的增加，换热量的变化量逐渐减小，在海水养殖中为在短时间内获得较大换热量时，可考虑选择大流量；毛细管换热量随着管长的增长而增加，但在本次实验中，管长1.2 m与1.5 m中，两者的换热量相差很小。在实际海水养殖中为减少初投资可根据实际情况单片毛细管管长不需要过长；

(2)毛细管换热量随着管间距的增加而减小，管间距的变化实际为支管展开面积的变化，在养殖中可选取间距为10 mm的毛细管；

(3)海水温度和管内介质温度变化都是影响进出口温差的因素，管内介质温度与海水温度温差越大，进出口温差越明显；但是在同一进口温度下，随着流量的增大，进出口温差反而减小。因此，在海水养殖中，若蓄水池或育苗池需要降低温度，可适当选择减小管内介质流量并增加海水与管内介质温差。

毛细管换热器具有显著的节能优势和经济效益，但在水产养殖上还未大量推广使用，可针对不同物种生长繁殖需要，对毛细管换热器进行适当改进，以便于应用在更多水产领域。