小型活体水产运输箱电解水增氧装置设计与试验
2020-12-02莫嘉嗣闫国琦夏俊杰金莫辉魏德仙
莫嘉嗣,闫国琦,夏俊杰,金莫辉,魏德仙
小型活体水产运输箱电解水增氧装置设计与试验
莫嘉嗣,闫国琦※,夏俊杰,金莫辉,魏德仙
(华南农业大学工程学院,广州 510642)
水产长距离运输保证鲜活需要保持水产原生存环境的压力、水质、溶氧度等条件,其中溶氧度直接关系水产的存活,因此增氧装置的设计成为活体水产运输的关键技术之一。为了解决电解水增氧方式能耗大、难以小型化的问题,该研究设计了适用于小型水产运输箱的电解水增氧装置。首先根据计算流体力学软件仿真计算结果设计了装置中可在正负电极间产生恒稳均匀流场的整流结构参数;然后通过试验探索水溶氧和装置总能耗在电解电压与水交换流量影响下的关系。试验结果表明:在容积为8×10-3m3的箱体内,采用直流电解,当电解电压为37 V、水交换流量为6.97×10-5m3/s时,总能耗最低为39.39 kJ。该装置设计和试验结果可为电解水增氧方法在水产运输和养殖中的实际应用提供了依据。
设计;试验;装置;活体水产运输;电解水增氧
0 引 言
中国是世界上重要的水产品生产和出口大国,在农产品贸易中,水产品一直保持较大顺差[1-3]。鲜活水产品中富含大量蛋白质、无机盐等营养物质,越来越被广大消费者所青睐[4],据相关资料显示,香港每年人均水产品消费40 kg,其中90%是活鲜;日本市场活鱼和活虾的价格比普通冷冻产品高8~10倍[5-6]。随着水产贸易的不断扩大,活体水产运输变的越来越普及,如何提高活体水产运输存活率、降低活体水产运输成本,是目前亟待解决的问题[7-8]。
目前活体水产运输方式主要有充氧运输、麻醉运输以及无水运输[9-12]。其中,充氧运输以机械式增氧为主,结构简单,但体积大,所需功率大,产生的噪音和扰动不同程度上影响到活体水产的存活率[13-15]。谢晶等研究了水产动物保活运输中环境胁迫应激及生理调控机制,运输过程的水产应激反应严重时会直接造成水产组织器官不可逆损伤甚至导致死亡[16]。充氧运输过程采用微孔曝气方式适合在封闭水域中应用,能提高水温,降低应激反应,提高存活率[17-19],也可采用抗应激剂降低鱼类应激反应,提高存活率[20],但是抗应激剂的安全性还有待深入研究。
麻醉运输通过对鱼类注射麻醉剂抑制其神经中枢反射功能,从而降低其新陈代谢,提高运输存活率[21-23],但是如果鱼类麻醉剂种类和剂量选择不当,易损害活体水产健康,例如朱挺兵等发现MS-222浓度在60~70 mg/L时出现了异齿裂腹鱼幼鱼死亡[24]。麻醉剂也会对人体产生危害,MS-222和丁香酚是常见的鱼类麻醉剂[25],MS-222虽然比较安全,但阳光直射会产生毒性[26]。Ke等调研了中国水产市场中丁香酚类麻醉剂残留量,结果发现丁香酚类麻醉剂残留的发生率为10.6%;在55个样品中均检出丁香酚残留[27]。二氧化碳麻醉是相对健康,对人体无害的运输方式,但复苏后的鱼血浆生化指标均下降,影响鱼类的健康[28]。
无水运输技术通过控制温度将运输环境的温度降低到生态冰温[29],使活体水产处于半休眠或者完全休眠状态,减少其新陈代谢、机械损伤,延长存活时间,为水产活物的长距离运输提供保障,但是无水运输降温装置能耗较大,保活时间不长,实施条件要求高[30-31]。无水运输更适合如活虾等可以短暂在陆上生存的水产[32]。对于鱼类,无水运输操作难度较大,实施条件苛刻,不适用于小型的活体水产运输。
综上可知,小型活体水产运输箱由于体积和功耗的限制,更适用于采用充氧运输方式。而增氧装置的效率、成本等因素制约了充氧运输方式的推广应用。为了研发一种能持续增氧、功耗小,体积小、使用灵活方便的活体水产运输装置,本文设计了一种用于小型活体水产运输箱的电解水增氧装置,通过研究不同电解电压、水交换流量下的装置能耗变化规律,以确定在不同工作模式下的参数,拟为电解水增氧技术在活体水产运输领域应用提供依据。
1 装置结构与工作原理
小型活体水产运输箱采用增氧方式保证活体水产的存活和鲜度。电解水方法安全、无污染,过程可控,给小型活体水产运输箱增氧提供了有利条件。当在水体中插入正、负电极,水体便会在电流的作用下发生电解反应,从而产生氧气与氢气。
电解水原理简单,但是要做到高效、可控,适用于活体水产运输等条件,需要设计合适的装置结构,设计目标为:1)正负电极之间水流均匀恒定,以提供稳定的电解电流通路;2)电解缓慢进行,使氧气充分溶解于水中而不至于溢出气泡,减小电解能耗;3)氢气排出后收集并安全处理;4)富氧水与乏氧水循环交换,提高氧气利用率;5)具有3种工作模式,分别是快速增氧模式、无气泡增氧模式与低能耗模式。
为了满足以上条件,设计电解水增氧装置结构如图 1所示,循环水泵用于富氧水与乏氧水之间进行循环交换,所选用循环水泵通过旋钮可选择3档流量(5.56×10-5、6.39×10-5、8.33×10-5m3/s),其尺寸为45 mm×50 mm×78 mm,体积小巧,便于集成。电解通路在水管中进行,水管上固定有正负电极,水管内径60 mm,外径65 mm,长200 mm。为了使正负电极之间产生一个稳定的均匀水流,采用挡流板和整流板配合的结构实现水管内流体整流。
1.循环水泵 2.挡流板 3.整流板 4.管道支架 5.水管 6.正极 7.负极隔离罩 8.氢气排出口 9.负极
小型活体水产运输箱尺寸为635 mm×485 mm×400 mm,设计成2个腔体的结构(图2),分为增氧腔和水产存放腔。2个腔体之间仅通过管道相连,循环水泵将水产存放腔的乏氧水泵进增氧装置,水体进行氧交换后回流进水产存放腔,实现不间断供氧。设计成2个腔体的优点是:1)防止活体水产的运动破坏增氧装置;2)保证活体水产与电流通路隔离,防止活体水产因为接触电流通路和产生应激反应;3)采用多腔体隔离,可减少运输过程的振动和活体水产运动导致的水体扰动,降低对增氧装置内部流体的影响。
小型活体水产运输箱增氧工作流程为:循环水泵将水产存放腔乏氧水泵入增氧装置内,水体经过挡流板和整流板的作用,在水管中形成稳定、均匀的水流,均匀的水流在正负电极之间开始发生电解反应,正极产生氧气,溶解在水中,负极产生氢气,经过隔离罩和氢气排出管道排放到箱体外进行收集处理,在循环水泵的作用下,富氧水与乏氧水不间断的进行水体交换,从而实现运输箱水体增氧。
小型活体水产运输箱具备3种工作模式,当活体水产存在缺氧情况需要快速增氧的时候,电解电压调节为最高电解电压,启动快速增氧模式生成大量氧气泡,实现快速增氧。一般使用采用无气泡增氧模式,缓慢增氧,使氧气充分溶于水中,不溢出气泡。当运输箱只运输小量水产或处于待机模式时,启动低功耗模式,实现节能。为了实现无气泡增氧模式与低能耗模式,后文通过试验探索水溶氧规律和装置总能耗在电解电压与水交换流量双变量影响下的关系。
1.增氧腔 2.电解水增氧装置 3.水产存放腔 4.电池腔
2 关键部件参数设计
通过预试验结果发现,假如用循环水泵直接注入水流到增氧装置水管内,水管中会产生紊流,影响了正负电极之间的电流通路,导致电解效果较差,增氧效率较低,因此需要在管道内正负电极之间创造一个稳定的恒流场。虽然小型活体水产运输箱在运输过程中也会由于振动而使水体产生扰动,但由于电解作用的电流通路只存在于正负电极之间的水体,只要保证增氧装置的正负电极之间水流通路是均匀的即可。在水泵的带动下,运输过程振动所产生的增氧装置外部紊流被泵入增氧装置的水管内,并在整流结构的作用下,在正负电极间产生稳定的恒流场,使增氧装置的水管中水流保持均匀,保证电解通路的有效生成。因此水管中的整流结构是增氧装置的关键部件,本装置中的整流结构由挡流板与整流板构成,如图3。
为了使水管中流场稳定,减少紊流对电解水效果的影响,也为了使富氧水与乏氧水更充分的进行交换,需要对水管中的整流结构进行合理的选择。运用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)软件Flow Simulation进行仿真分析,整流装置的结构参数14作为设计变量。采用控制变量法确定参数取值范围,即分别控制3个变量不变,调整另外一个变量从小到大进行仿真试验。1为整流板孔径,孔径太小会减小流量,降低乏氧水与富氧水交换效率,太大会削弱整流效果。挡流板直径2从循环水泵的出水口径大小(8 mm)开始选取,逐渐增大。挡流板距离入水口距离3、整流板距离入水口距离4根据装置整体尺寸约束的限制从小到大选取。
注:D1为整流板上小孔直径,mm;D2为挡流板直径,mm;D3为入水口与挡流板距离,mm;D4入水口与整流板距离,mm。
首先控制1、2、4保持不变,3从小到大进行试验,根据总体设计尺寸限制选择3分别为10、15、30、45 mm。图4a为3为15和45 mm的仿真对比图,从流线可知,挡流板的作用会使水体在入水口与整流板之间形成强烈的漩涡,使水体压缩储存能量。挡流板距离入水口距离3越小,漩涡范围越小,压缩存储的能量越大,经过整流板后的水体整流效果越好,流线越趋于平行;3越大,漩涡范围越大,水体有足够的空间形成紊流而消耗能量,整流后流线不规则,整流效果差。
当挡流板距离入水口距离3较小(根据零件尺寸加工限制,最小设计为10 mm)时,整流板的距离4决定了整流范围的大小。控制1、2、3保持不变,根据总体设计尺寸限制,4分别设置为20、30、60 mm。从图4b可知,4越小,整流范围越大,流线基本可以覆盖整个管道,且流线平行;4越大,虽然也能起到整流效果但是流线基本上集中在水管的中间部分,但流线不能覆盖整个水管。所以,当3和4均较小时,由于整流腔室空间较小,而入水口持续压力使得流体在整流腔内压缩存储能量,因此整流效果较好。根据以上分析可知3、4越小,整流效果越好,所以选择挡流板距离3=10 mm,整流板距离4=20 mm。
保持2、3、4不变,1分别选取1、3、5 mm,对比1变化产生的效果。根据伯努利定律,流量一定的管道,管径变细,流速增加,而循环水泵档位选定后的流量是恒定的,因此整流板的孔径缩小,会使整流后的水体流速增大。对比不同孔径的整流仿真结果(图4c),整流板孔径越小,流速越高,流线密度越大,流线越均匀,整流效果越好。由于太小的孔难以加工,1的最小值定为1 mm,因此选择整流板孔径为1=1 mm。
在确定了3个参数3=10 mm,4=20 mm,1=1 mm后,保持这3个参数不变,分别选取2为8和15 mm发现,挡流板直径2越大,水体的能量削减越快,通过整流板的水体越少,整流效果越差(图4d),因此2不能太大,以恰好能遮挡水泵出水口(水泵出水口直径8 mm)为宜。
图4 不同结构参数对整流效果的影响
综合分析可得,挡流板距离3=10 mm,整流板距离4=20 mm,整流板的孔径1=1 mm,挡流板直径2=8 mm时,试验装置能实现较好整流效果,可满足增氧装置正负电极之间所需均匀流场。
3 装置与方法
3.1 试验装置
搭建试验平台如图5所示。根据试验装置尺寸,设计电解装置的正负电极间距为5 cm,正电极选用析氧型钛基(IrO2-Ta2O5)电极,能够高效、稳定的析出氧气,钛基涂层在电解过程中其组分和表面形貌不会产生变化,与其他电极相比不会污染水质[33];负电极选用石墨电极,化学性质稳定,不易与电解质溶液发生反应,并且导电性能好,放电速度快,适合在电解水增氧装置上运用[34]。装置电源采用可调直流电源,可最高连续输出电解电压(电流)为60 V(10 A)。试验装置放置于透明密封箱底部(尺寸31 cm×23 cm×16 cm,容积约8×10-3m3),便于观察试验过程。
试验用水由广州市自来水公司新塘水厂供应,水中阴阳离子能够使电极之间形成电流回路。为了降低水体初始氧含量,采用煮沸去氧方式排出水体中的氧气,从而制备乏氧水。首先将密封箱装满自来水,用电加热器放入水中进行加热,直至水体沸腾,用塑料薄膜覆盖密封,再盖上密封盖,放置在冷水中自然冷却,直至水温达到常温后开始试验。
1.万用表 2.电解水增氧装置 3.密封箱 4.溶氧度测试仪 5.直流可控电源
3.2 试验方法
制备乏氧水,用溶氧度测试仪测试乏氧水初始溶氧度,将电解水增氧装置放置在密封箱底部并密封箱体,调节电解电压(V)和循环水泵流量(m3/s),每隔5 min记录一次溶氧度(%)、电解电压(V)和电解电流(A),直至水体溶氧度达到100%。
本文水体溶解氧的测定方法为采用荧光法溶氧度测试仪进行测定。图5中采用型号为Y500-B便携式荧光法溶解氧传感器,内置温度传感器,能自动温度补偿。其结构包括传感器探头和光学检测系统,量程为0~20 mg/L或0~200%饱和度,精度1%。荧光法溶解氧仪是基于物理学中特定物质对活性荧光的猝熄原理。通过测量激发红光与参比光的相位差,并与内部标定值对比,从而可计算出水中氧分子的浓度。通过溶氧度测试仪测试,本方法制备的乏氧水溶氧度最低能够达到30%左右,但由于在非真空状态下,乏氧水掀开密封膜后与空气接触会溶解部分氧气,导致了各组试验的初始溶氧度有一定误差,后续试验的乏氧水初始溶氧度为45%左右。
当运输箱只运输少量水产或处于待机模式时,可启动低功耗模式,实现低功耗增氧。为了提高运输箱的续航能力,研究电解电压与水交换流量影响下的能耗关系。
电解水增氧装置的总能耗sum为电解水能耗e与水泵能耗p之和,即
式中e为电解电源做功,J;为电解电压,V;为电流,A;为时间,s;*为水泵流量,m3/s;γ为水的重度(也称为容重),9.8 kN/m3;为水泵扬程,m;是水泵效率,0.7;为安全系数,1.2。
4 结果与分析
4.1 水体溶氧变化
分别取电解电压为30、40、50、60 V,流量分别为5.56×10-5、6.39×10-5、8.33×10-5m3/s进行试验。试验记录的水体溶氧变化如图6所示。
图6 不同流量下不同电解电压的溶氧度曲线
从图6的曲线可以看出,溶氧度曲线在电解电压较低(30~40 V)的时候呈现非线性,在电解电压较高的时候线性度变好;在不同的流量下,随着电解电压的升高,溶氧度曲线斜率增加,电解电压越高,增氧速度越快。随着流量增大,增氧速率也随之加快。但对比相同电解电压,不同流量下的曲线斜率间隔发现,如图6b中6.39×10-5m3/s流量下,40、50、60 V 3条曲线斜率间隔基本呈现等差排布;但当循环水流量增大到8.33×10-5m3/s时(图6c),60和50 V曲线的斜率间隔明显小于50和40 V曲线的斜率间隔,说明在电解电压较高的时候,增大流量使得增氧速率增加的更快。而大流量反而不利于较低电解电压的增氧,流量和电解电压共同决定了水体增氧的速率。
为了进一步得到流量和电解电压对增氧速率的共同作用,计算溶氧度曲线每个时刻的斜率,斜率的大小反映了增氧速率的快慢,每个电解电压、流量下的所有时刻平均斜率如表1,将表1数据拟合绘制曲面,得到增氧速率与电解电压流量关系图(图7)。
表1 不同水泵流量下不同电解电压的增氧平均速率
通过图7的曲面可知,在电解电压和流量共同作用下,增氧速率有一定非线性,当电解电压在40~60 V左右、流量在6×10-5~7×10-5m3/s左右时,增氧速率明显放缓,呈局部饱和状态。此状态下,电解缓慢进行,氧气充分溶解于水中而不至于溢出大气泡,此状态可用于无气泡增氧模式。实际上过快的增氧速率会导致氧气泡溢出,能耗增大了,而增氧效果没有明显改善。但当活体水产处于严重缺氧状态的时候,加大流量和电解电压启动快速增氧模式生成大量氧气泡,是一种应急的增氧方式。
图7 增氧速率与电解电压及流量关系曲面
4.2 增氧装置能耗
根据3.2节试验方法,每隔5 min记录试验过程中的电解电压、电流,通过式(1)计算每个时间段内电解水增氧装置总能耗sum,得出在不同电解电压、流量条件下,水体从初始氧饱和度45%至100%所需要的能耗,如表2所示,对表2数据进行最小二乘拟合,得到数学模型(,Q)如式(2),根据模型绘制能耗规律曲面,分析能耗在不同的流量、电解电压下的变化,绘制能耗曲面的等值线图如图8所示。
拟合模型的拟合度2=0.9682,拟合度较高。
通过所得数学模型求取氧饱和情况下的能耗最小值,可通过多元函数求极值的方法,对式(2)求偏导数
计算得-2<0,所以曲面存在极值,运用二元函数条件极值的求导方法可得,当=37V,Q=6.97× 10-5m3/s时,式(2)取得最小值39.39 kJ,与图8一致。将能耗最小值组合代入图7的曲面函数计算其平均增氧速率为0.905。
表2 不同流量下不同电解电压下达到氧饱和所需能耗
综合水体溶氧试验和能耗试验分析,增氧速率并不是小型水产运输箱的关键指标,实际上增氧速率过大会导致气泡溢出,增加了能耗,而水体实际增氧效果并无改善,因此增氧不宜过快。一般使用情况应采用图7的局部饱和状态参数,也即是无气泡增氧模式,此状态下,电解缓慢进行,氧气充分溶解于水中而不至于溢出大气泡。但在活体水产严重缺氧,需要应急快速增氧的情况下,也可以提高电解电压和水交换流量启动快速增氧模式。
图8 能耗等值线(kJ)
长时间运输的续航能力是小型活体水产运输的关键指标,也就是电池的耐用度,因此能耗的变化很重要。综上数据分析可得,在不考虑增氧速率的情况下,当水体氧溶度达到饱和时,电解电压控制在37 V、流量控制在6.97×10-5m3/s时能耗最低,此状态定义为低能耗模式。
5 讨论与结论
本文分析了活体水产运输装置现状,基于现有充氧运输方式,优选电解水方式增氧,设计了适用于小型活体水产运输的电解水增氧装置和运输箱。所设计增氧装置基于电解水增氧,不增加额外的机械结构,具有体积小,易于集成的特点;在保证持续增氧的过程中,控制电解电压和水交换流量,可以实现3种工作模式:1)最大水交换流量和电解电压,实现大量氧气泡溢出的快速增氧模式;2)采用图7中局部饱和增氧速率状态参数,实现无气泡增氧模式;3)在只有小量水产或者待机时,采用图8的能耗最低组合参数,实现低能耗模式。
本文所设计小型活体水产运输箱,保证了活体水产运输过程持续不间断增氧,最大限度保留活体水产原生存环境,电解水装置与水产隔离,电流通路较短,不会对水产产生不良影响。电解水过程会伴随部分臭氧的产生,有一定的杀菌消毒作用,对保持水体洁净有一定作用,有利于长距离运输。但由于电解过程还会对水体中其他物质产生作用,因此不适用于原水质较差的水体作为运输水体的情况。
通过对电解水增氧装置进行试验,分析了电解电压、水交换流量双变量下的水体溶氧、增氧速率和装置能耗变化。得到了如下结论:
1)为提高电解水增氧有效性和水体交换效率,设计了一种产生恒稳均匀流场结构,通过仿真分析,合理选择了结构参数,即整流板孔径和距离分别为1、20 mm;挡流板直径和距离分别为8、10 mm。此结构能对电解水增氧装置中的水体进行有效整流,使水管中产生一个稳定的电解水环境,减少紊流对电解通路的影响,提高富氧水与乏氧水的交换效率,为电解水增氧装置稳定运行、有效增氧提供了基础,也提高了后续试验数据采集的准确性。
2)通过试验,建立增氧速率与电解电压及流量的关系曲面,得到了增氧速率饱和状态参数。拟合得到了能耗与流量以及电解电压之间的数学模型,可以通过同时控制流量和电解电压来达到最低工作能耗要求。水体从初始氧饱和度45%至水体氧饱和100%,控制电解电压在37 V、流量在6.97×10-5m3/s时耗能最低。
本试验采用的是直流电解水反应,直流电在反应过程中会发生极化反应而影响电解效率,在今后的研究中,仍需对交流电解和脉动直流电解进行相应研究;另外由于每次试验用水难以保证水质完全一致,会造成电流值变化而产生误差;且本试验暂未进行活体研究,在今后的研究将配合活体水产进行试验,探究电解水增氧装置对活体水产生理特性方面的影响。
[1] 蔡鑫,陈永福,陈洁. 我国水产品国际竞争力影响因素的实证分析[J]. 大连理工大学学报:社会科学版,2018,39(2):47-54. Cai Xin, Chen Yongfu, Chen Jie. An empirical analysis on the influencing factors of international competitiveness of aquatic products in China[J]. Journal of Dalian University of Technology: Social Science Edition, 2018, 39(2): 47-54. (in Chinese with English abstract)
[2] Suuronen P, Pitcher C R,Mcconnaughey R A, et al. A path to a sustainable trawl fishery in Southeast Asia[J]. Reviews in Fisheries Science & Aquaculture. 2020, 28(4): 499-517.
[3] 于会娟,牛敏,韩立民. 我国“蓝色粮仓”建设思路与产业链重构[J]. 农业经济问题,2019(11):72-81. Yu Huijuan, Niu Min, Han Limin. Development strategy and industrial chain reconstruction of “blue food system”in china: an analysis based on food consumption demand upgrading [J]. Issues in Agricultural Economy, 2019(11): 72-81. (in Chinese with English abstract)
[4] 闫国琦,倪小辉,莫嘉嗣. 深远海养殖装备技术研究现状与发展趋势[J]. 大连海洋大学学报,2018,33(1):123-129. Yan Guoqi, Ni Xiaohui, Mo Jiasi. Research status and development trend of far-reaching aquaculture equipment technology[J]. Journal of Dalian Ocean University, 2018, 33(1): 123-129. (in Chinese with English abstract)
[5] 孙琛,王威巍,梁鸽峰. 中国水产品市场供求平衡分析[J]. 中国渔业经济,2017,35(2):4-11. Sun Chen, Wang Weiwei, Liang Gefeng. An analysis of supply and demand balance in Chinese aquatic product market[J]. Chinese Fishery Economy, 2017, 35(2): 4-11. (in Chinese with English abstract)
[6] 熊敏思,王茜,崔雪森. 国际渔业动态[J]. 渔业信息与战略,2019,34(3):227-233.
[7] 施永海,严银龙,张海明,等. 美洲鲥鱼种运输试验[J]. 水产科技情报,2019,46(2):86-90.
[8] 陈康健,徐彬彬,刘唤明,等. 水产品保活技术研究进展[J]. 科技经济导刊,2019,27(3):11-12.
[9] 谢蒙蒙. 淡水活鱼运输现状及发展前景[J]. 现代食品,2018(6):184-186. Xie Mengmeng. Current situation and development prospect of fresh water live fish transport[J]. Modern Food, 2018(6): 184-186. (in Chinese with English abstract)
[10] 刘畅子. 活鱼运输可行性方法初探[J]. 广西水产科技,2017(2):22-24.
[11] 张晓林,王秋荣,刘贤德. 鱼类保活运输技术研究现状及展望[J]. 渔业现代化,2017,44(1):40-44. Zhang Xiaolin, Wang Qiurong, Liu Xiande. Research status and prospect of fish preservation transport technology[J]. Fishery Modernization, 2017, 44(1): 40-44. (in Chinese with English abstract)
[12] 张世羊,李谷,陶玲,等. 不同增氧方式对精养池塘溶氧的影响[J]. 农业工程学报,2013,29(17):169-175. Zhang Shiyang, Li Gu, Tao Ling, et al. Impact of different aeration approaches on dissolved oxygen for intensive culture ponds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(17): 169-175.(in Chinese with English abstract)
[13] 程香菊,谢宇宁,朱丹彤,等. 微孔扩散器形状对曝气增氧性能影响的试验[J]. 农业工程学报,2017,33(16):226-233. Cheng Xiangju, Xie Yuning, Zhu Dantong, et al. Test on the influence of microporous diffuser shape on aeration oxygenation performance[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(16): 226-233. (in Chinese with English abstract)
[14] 顾海涛,刘兴国,何雅萍,等. 微孔曝气式增氧机的性能及应用效果[J]. 渔业现代化,2017,44(3):25-28. Gu Haitao, Liu Xingguo, He Yaping, et al. Performance and application effect of microporous aeration aerator[J]. Fishery Modernization, 2017, 44(3): 25-28. (in Chinese with English abstract)
[15] 左倬,陈煜权,卿杰,等. 微气泡曝气技术对微污染水体增氧效果的中试研究[J]. 环境工程,2016,34(5):11-14. Zuo Zhuo, Chen Yuquan, Qing Jie, et al. A pilot study on the effect of micro-bubble aeration on the oxygenation of micro-polluted water body[J]. Environmental Engineering, 2016, 34(5): 11-14. (in Chinese with English abstract)
[16] 谢晶,王琪. 水产动物保活运输中环境胁迫应激及生理调控机制的研究进展[J]. 食品科学,2020. https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20200601.1239.008.html. Xie Jing, Wang Qi. Research progress of environmental stress and physiological regulation mechanism in aquatic animal preservation transportation[J]. Food Science, 2020 :https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2206.TS.20200601.1239.008.html. (in Chinese with English abstract)
[17] 石绍龙,何德权,柴天武,等. 微孔曝气增氧机在养殖上的应用试验初报[J]. 云南农业,2018(3):76-77.
[18] 程香菊, 曾映雪, 谢骏, 等. 微孔曝气流量与曝气管长度对水体增氧性能的影响[J]. 农业工程学报, 2014,30(22):209-217. Cheng Xiangju, Zeng Yingxue, Xie Jun, et al. Impact of microporous aeration flow and aeration tube length on oxygen transfer performance in water[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(22):209-217.(in Chinese with English abstract)
[19] 谷坚,徐皓,丁建乐,等. 池塘微孔曝气和叶轮式增氧机的增氧性能比较[J]. 农业工程学报,2013,29(22):212-217. Gu Jian, Xu Hao, Ding Jianle, et al. Comparison of oxygen-enriched performances of micropore and impeller aerators in pond[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2013, 29(22):212-217.(in Chinese with English abstract)
[20] 张晓林,王秋荣,刘贤德. 抗应激制剂在水产动物活体运输中的应用研究进展[J]. 渔业现代化,2018,45(3):75-80. Zhang Xiaolin, Wang Qiurong, Liu Xiande. Research progress on the application of anti-stress agents in live aquatic animal transportation[J]. Fishery Modernization, 2018, 45(3): 75-80. (in Chinese with English abstract)
[21] 申彤. 水产运输中抗生素检测技术的研究[D]. 南京:南京理工大学,2019. Shen Tong. Research on Antibiotic Detection Technology in Aquatic Products Transportation[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)
[22] 方晓磊,柯常亮,李刘冬,等. 丁香酚辅助鲜活草鱼处理和运输的剂量研究[J]. 食品工业科技,2017,38(17):275-278. Fang Xiaolei, Ke Changliang, Li Liudong, et al. Study on the dosage of eugenol in the treatment and transportation of fresh grass carp[J]. Science and Technology of Food Industry, 2017, 38(17): 275-278. (in Chinese with English abstract)
[23] 王昊龙,徐弘,安苗,等. MS-222对杂交鲟幼鱼的麻醉效果及模拟运输试验[J]. 山地农业生物学报,2016,35(1):40-44. Wang Haolong, Xu Hong, An Miao, et al. Anaesthesia effect of MS-222 on juvenile hybrid sturgeons and its simulated transport[J]. Acta Montane Agrobio, 2016, 35(1): 40-44. (in Chinese with English abstract)
[24] 朱挺兵,龚进玲,刘艳超,等. 异齿裂腹鱼幼鱼模拟麻醉运输研究[J]. 生物资源,2020,42(3):302-306. Zhu Tingbing, Gong Jinling, Liu Yanchao, et al. Study on simulated anesthesia transport of juvenile schizothorax heterodontidis[J]. Biotic Resources, 2020, 42(3): 302-306. (in Chinese with English abstract)
[25] 梁克,王剑科,滕忠作,等. 长丰鲢大规格鱼种运输试验[J]. 科学养鱼,2019(2):79-80.
[26] 符映英,徐闪浪. 浅析三种渔用麻醉剂应用研究现状[J]. 食品安全导刊,2019(9):148-150.
[27] Ke Changliang, Liu Qi, Li Le, et al. Residual levels and risk assessment of eugenol and its isomers in fish from China markets[J]. Aquaculture, 2018, 484: 338-342.
[28] 周翠平,白洋,秦小明,等. 二氧化碳麻醉技术在罗非鱼无水保活运输中的应用研究[J]. 渔业现代化,2014,41(4):21-25. Zhou Cuiping, Bai Yang, Qin Xiaoming, etal. Study on the application of carbon oxide anaesthesia technology in tilapia non-aquatic transport[J]. Fishery Modernization, 2014, 41(4): 21-25. (in Chinese with English abstract)
[29] 高一兰. 三亚水产冷链物流发展现状和趋势研究[J]. 物流科技,2017,40(5):66-69. Gao Yilan. Research on the development status and trend of sanya aquatic cold-chain logistics[J]. Logistics Sci-Tech, 2017, 40(5): 66-69. (in Chinese with English abstract)
[30] 陆有飞,郑艳波,马瑞宁,等. 延长鲮鱼和鲤鱼无水保活时间的条件研究[J]. 农村经济与科技,2019,303(14):23-29.
[31] 徐中平. 星斑川鲽无水保活运输技术研究[J]. 科技创新导报,2017,14(4):75-76.
[32] 孙宁. 罗氏沼虾活虾无水运输研究[J]. 海洋科学,2009,33(5):41-46. Sun Ning. Study on the anhydrous transport of macrobrachium rosenbergii living Shrimp[J]. Marine Science, 2009, 33(5): 41-46. (in Chinese with English abstract)
[33] 肖凤. 钛基析氧阳极材料的制备及应用[D]. 绵阳:西南科技大学,2019. Xiao Feng. Preparation and Application of Titanium Anodes[D]. Mianyang: Southwest University of Science and Technology, 2019. (in Chinese with English abstract)
[34] 钱莉,丁伟. 利用手持技术探究石墨电极电解水的试验[J]. 化学教育,2020,41(13):96-100. Qian Li, Ding Wei. Research on water electrolysis with graphite electrode using handheld technology[J]. Chinese Journal of Chemical Education, 2020, 41(13): 96-100. (in Chinese with English abstract)
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,闫国琦,夏俊杰,等. 小型活体水产运输箱电解水增氧装置设计与试验[J]. 农业工程学报,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
广东省特色农产品(鳗鱼、茶枝柑)智能装备关键技术研究与推广(粤财科教〔2019〕170号);广东省教育厅青年人才类项目(2018KQNCX021)
莫嘉嗣,博士,主要从事水产自动化养殖装备研究。Email:mo_jiasi@scau.edu.cn
闫国琦,博士,副教授,主要从事水产自动化化养殖装备研究。Email:ygq1978@scau.edu.cn
10.11975/j.issn.1002-6819.2020.18.004
S981.14
A
1002-6819(2020)-18-0026-08