Расчет параметров аэрации при транспортировке живой рыбы

2011

Известия ТИНРО

Том 167

УДК 639.337

О.Н. Кручинин, А.Ю. Чебов*

Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр, 690091, г. Владивосток, пер. Шевченко, 4

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АЭРАЦИИ ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ ЖИВОЙ РЫБЫ

На основе анализа научно-технической литературы приведены основные требования к условиям хранения и транспортировки живой рыбы. С использованием данных по энергетике рыб, а также законов аэродинамики и механики жидкостей разработан метод расчета параметров аэрации воды в емкостях при хранении и транспортировке живой рыбы. Найдены аппроксимирующие уравнения, показывающие потребление кислорода некоторыми видами рыб в зависимости от температуры воды. Получены выражения для расчета производительности компрессора и скорости подачи сжатого воздуха, достаточных для нормальной жизнедеятельности рыб в емкости с водой. Показаны примеры расчета параметров аэрации для рыб с известным потреблением кислорода.

Ключевые слова: транспортировка живой рыбы, потребление кислорода рыбами, параметры аэрации воды, производительность компрессора, скорость подачи сжатого воздуха.

Kruchinin O.N., Chebov A.Yu. Calculation the parameters of aeration for transport of living fish // Izv. TINRO. — 2011. — Vol. 167. — P. 234-239.

Basic requirements for storage and transportation of living fish are reviewed. The fish should be transported in containers with disperse distribution of compressed air provided by a flat bottom diffuser — series of pipes with small holes. Parameters of aeration are determined by a number of holes, their diameter, compressor capacity, and the air pressure drop in pipes. New method of these parameters calculation is developed based on knowledge on the fish energy and the laws of aerodynamics, dynamics, and fluid mechanics. Consumption of oxygen by certain fish species is defined depending on water temperature that allows to calculate the rate of the compressed air supply sufficient for normal survival of fish in the containers. Some examples of calculation the parameters of aeration for the fish species with known oxygen consumption are presented.

Key words: living fish transport, water aeration, oxygen consumption of fish, compressor, compressed air.

Введение

Одним из способов решения весьма актуальной проблемы рационального использования улова может стать доставка рыбы потребителю в живом виде. Такой способ, широко распространенный в зарубежных странах, начинает использоваться и в России. Однако опыт работы некоторых рыбодобывающих пред-

* Кручинин Олег Николаевич, доктор технических наук, ведущий научный сотрудник, e-mail: promryb@tinro.ru; Чебов Александр Юрьевич, аспирант, e-mail: promryb@tinro.ru.

приятий Приморья по хранению и доставке живой рыбы показал недостаточное знание рыбаками методической базы по сохранению улова в живом виде.

Цель настоящей статьи — показать методику расчета объема подачи сжатого воздуха и производительности компрессора при аэрации воды в емкостях для транспортировки живой рыбы.

Материалы и методы

В основе данной работы лежат материалы по правилам подготовки орудий лова и ведению промысла с целью реализации рыбы в живом виде, а также данные по энергетике движения рыб (Матюхин и др., 1984), нормам загрузки живой рыбы в емкость (Фольман-Шиппер, 1979) и условиям ее транспортировки (Дорохов и др., 1981). Для расчета параметров аэрации воды в емкостях при хранении и транспортировке живой рыбы использованы законы аэродинамики и механики жидкостей (Альтшуль, Киселев, 1975; Золотов и др., 1984).

Результаты и их обсуждение

Успех выдерживания и транспортировки живой рыбы в значительной степени зависит от достаточной аэрации воды кислородом или сжатым воздухом. При этом предпочтительнее пользоваться плоским донным распылителем, а не точечным, так как в последнем случае рыба может забиваться в неаэрируемые углы и там задыхаться. Необходимо следить за температурой воды, так как степень растворения кислорода существенно понижается с повышением температуры: 5 °С — 12,74 мг/л; 10 — 11,25; 15 — 10,07; 20 — 9,1; 25 — 8,27; 30 оС — 7,52 мг/л.

Аэрация кислородом при своей экономичности (небольшой расход для насыщения воды) имеет ряд недостатков: необходимость строгого соблюдения техники безопасности, необходимость дозаправки баллонов на специальных кислородных станциях, опасность отравления рыбы избытком кислорода и др. Поэтому рассмотрим способ хранения и перевозки рыбы с использованием сжатого воздуха от компрессора. Основная задача, возникающая при таком способе, это расчет скорости подачи сжатого воздуха или производительности компрессора, достаточной для нормальной жизнедеятельности рыб в емкости с водой.

Для решения этой задачи введем следующие обозначения: М — масса рыбы, загруженной в емкость, кг; 6(0 — потребность рыб в кислороде, мг/кг • ч; а — доля кислорода в объеме воздуха; у — доля кислорода, растворяющегося в воде, от общего количества подаваемого кислорода; р — плотность воздуха при стандартных условиях, кг/м3; £ — температура окружающей среды, 0С. Тогда скорость массовой подачи сжатого воздуха (йм, кг/ч) найдется как:

о _ моо)

0М _ лА6 ,

Юау

а скорость объемной подачи (производительность компрессора бу, м3/ч):

о, _ .

106 рау

Выражение (2) показывает, какой объем воздуха должен вырабатывать компрессор в единицу времени. Чтобы достигнуть в емкости с водой дисперсного распределения поступающего со сжатым воздухом кислорода, необходимо, как отмечалось выше, пользоваться плоским донным распылителем, представляющим ряды трубок с мелкими отверстиями. При этом возникают следующие вопросы:

— какими должны быть диаметр и количество отверстий;

— какой перепад давления необходимо создать в трубках.

Для решения этих задач воспользуемся преобразованным выражением для определения расхода газа в трубопроводных системах (Золотов и др., 1984):

Ои = 3600и£д/ 2 ДРр,

где п — количество отверстий; 5 — площадь сечения отверстия, м2; ДР — перепад давлений, Па.

Исходя из соображения, что поступление и расход сжатого воздуха должны быть одинаковыми, приравниваем правые части уравнений (1) и (3), откуда находим выражения для определения п, 5 и ДР:

МО

п =-------9 ;

3,6*109 ауЗ^ 2 ДРр

Я =-------иО

3,6*109аупЛ/2ДРр

др = [иО

При высоте столба воды в емкости, равной h м, установочное давление на манометре должно быть:

P = Ph + АР,

р h ’ v '

где Ph — давление столба воды (каждые 10 м дают приращение давления на

1 атм = 105 Па).

Понятно, что при расчетах производительности компрессора, площади сечения и количества отверстий, перепада давления необходимо учитывать влияние температуры воды. Если принять относительную растворимость при t = 0, равной единице, то коэффициент относительной растворимости кислорода в воде в зависимости от температуры аппроксимируются следующим выражением:

fit) = 1,00 - 0,0233t + 0,00025t2.

С учетом (8) доля растворяющегося кислорода будет:

Y

где j(t0) — степень растворенного в воде кислорода при нулевой температуре для различных вод (выбирается из справочника).

Потребление кислорода некоторыми видами рыб в зависимости от температуры воды показано в таблице, данные которой хорошо аппроксимируются уравнениями вида:

G

где a, b, с — коэффициенты для разных видов рыб (см. таблицу).

Заметим, что коэффициент с численно равен потреблению рыбой кислорода при t = 0. Таким образом, зная потребление кислорода некоторым видом рыб при нулевой температуре, можно из выражения (10) определить потребность этой рыбы в кислороде при любой другой температуре.

Для вычисления массовой скорости истечения газа рекомендуется также уравнение А.С. Теплова (Альтшуль, Киселев, 1975):

Потребление кислорода рыбой в зависимости от температуры воды (по: Матюхин и др., 1984), мг/кг-ч Oxygen consumption of fish depending on water temperature (from: Матюхин и др., 1984), mg/kg-hour

Температура, 0С Хариус Омуль Судак Язь Щука

4 62,5 58,8

5 29,1 21,2 23,3

8 68,1 69,4

10 94,7 90,3 56,2 37,9 39,8

12 106,0 103,8

15 88,4 68,1 70,4

16 143,7 136,6

20 140,4 108,9 127,9

a 0,387 0,286 0,249 0,241 0,41

b -0,695 0,969 1,097 -0,159 -3,362

c 57,1 48,9 18,1 15,8 30,5

R2 0,9743 0,9872 0,9984 0,9999 0,9987

где f — коэффициент пропорциональности, равный 0,076 С0 К0,5/м; Ра — давление окружающей среды, Па.

Уравнивая (3) и (11), определим зависимость плотности газа от температуры окружающей среды в виде аппроксимирующей функции:

p

На рис. 1 показана температурная зависимость характеристик, определенных выражениями (8), (10) и (12).

Рис. 1. Изменения некоторых параметров аэрации при повышении температуры воды

Fig. 1. Dependence of some parameters of aeration on water temperature

Как видно на рис. 1, наибольшее изменение в данном температурном интервале претерпевает потребление рыбой кислорода (85 %), затем — растворимость кислорода в воде (46 %) и наименьшее — плотность воздуха (5 %).

На рис. 2 и 3 показаны зависимости производительности компрессора и необходимого перепада давления при аэрации от изменения основных параметров, входящих в выражения (2) и (6). На этих рисунках видно, что при увеличении количества и диаметра аэрационных отверстий наблюдается резкое снижение перепада давления аэрации. При увеличении массы загрузки и температуры воды происходит плавное увеличение установочного давления, а следовательно и необходимой производительности компрессора.

Отметим, что вышеприведенный алгоритм расчета пригоден и для определения параметров при аэрации воды кислородом. При этом не используется коэффициент содержания кислорода в воздухе (а = 1) и принимаются иные значения плотности газа. Ниже приведены примеры расчета параметров аэрации сжатым воздухом для рыб с известным уровнем потребления кислорода.

=

X

X

-

Si

ч

О4

=

Н

О

=

а

н

в

«

а

«

и

Рис. 2. Изменение производительности компрессора при аэрации Fig. 2. Change of the aeration compressor capacity

Рис. 3. Изменение необходимого перепада давления при аэрации Fig. 3. Change of sufficient drop of the air pressure

Задача 1. Рассчитать производительность компрессора для аэрации емкости с водой объемом 1 м3, загруженной живой рыбой (судак), при следующих условиях: количество загруженной рыбы М = 200 кг; температура воды t = 15 0С; потребление рыбой кислорода при t = 0 0С G(t0) = 18,1 мг/кг  ч; растворимость кислорода в воде при t = 0 0С y(t0) = 50 %; содержание кислорода в воздухе а = 20 %.

Порядок расчета

1) из выражения (8) находим относительную растворимость кислорода в воде при t = 15 0С:

Y (t) = 1,0 - 0,0233  15 + 0,00025  152 = 0,706.

2) по формуле (9) определяем долю растворенного кислорода при t = 15 0С:

y(t) = 0,5  0,706 = 0,353.

3) из выражения (10) находим потребление кислорода судаком при t = 15 0С:

G(t) = 0,249  152 + 1,097  15 + 18,1 = 90,82 мг/кг  ч.

4) по формуле (12) устанавливаем плотность воздуха при t = 15 0С:

p(t) = 1,132 - 0,002  15 = 1,102 кг/м3.

5) из выражения (2) определяем искомую производительность компрессора:

GV = (200  90,82)/(106  1,102  0,2  0,353) = 0,252 м3/ч.

Задача 2. Определить установочное давление на манометре подачи сжатого воздуха в емкость с живой рыбой при следующих условиях: количество аэраци-онных отверстий n = 50; диаметр аэрационных отверстий d = 0,2 мм (2  10-4 м); высота столба воды в емкости h = 1 м.

238

Порядок расчета

1) находим площадь сечения отверстия:

5 = 3,14  (2  10-4)2/4 = 3,14  10-8 м2.

2) из выражения (6) определяем необходимый перепад давлений при подаче сжатого воздуха:

АР = (200  90,82)2/(2  1,102  (3,6  109  0,2  0,353  50  3,14  10-8)2) =

= 940 Па = 0,009 атм.

3) по формуле (7) находим установочное давление на манометре:

Р = 0,1 + 0,009 = 0,109 атм.

а ’ ’ ’

Задача 3. Аэрация производится из баллона со сжатым воздухом. Определить продолжительность аэрации до полного расхода сжатого воздуха в баллоне при следующих условиях: вместимость баллона при атмосферном давлении У0 = 0,02 м3/атм (20 л); давление сжатого воздуха в баллоне Р = 150 атм.

Порядок расчета

1) находим вместимость сжатого воздуха в баллоне при Р = 150 атм:

У150 = V, Р = 0,02  150 = 3,0 м3.

2) определяем продолжительность аэрации:

Т = У/ву = 3,0/0,252 = 12 ч.

Заключение

Полученные в данной работе уравнения позволяют рассчитать параметры аэрации воды в емкости с живой рыбой в зависимости от ее вида, массы загрузки и температуры воды. Однако приведенные примеры основаны на знании потребления кислорода лишь некоторыми видами рыб, в основном речными. Для применения методики расчета параметров аэрации при хранении и транспортировке морских дальневосточных видов рыб необходимы данные об их энергетике.

Список литературы

Альтшуль А.Д., Киселев П.Г. Гидравлика и аэродинамика (основы механики жидкости) : монография. — М. : Стройиздат, 1975. — 327 с.

Дорохов С.М., Пахомов С.П., Поляков Г.Д. Прудовое рыбоводство : учебник. — М. : Высш. шк., 1981. — 240 с.

Золотов С.С., Амфилохиев В.Б., Фаддеев Ю.И. Задачник по гидромеханике для судостроителей : учеб. пособие. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л. : Судостроение, 1984. — 232 с.

Матюхин В.А., Хаскин В.В., Шошенко К.А. и др. Исследование энергетики движения рыб : монография. — Новосибирск : Наука, 1984. — 136 с.

Фольман-Шиппер Ф. Транспортировка живой рыбы : монография. — М. : Пищ. пром-сть, 1979. — 64 с.

Поступила в редакцию 7.07.11 г.