涌浪式增氧機性能研究

顧海濤，張祝利，曹建軍，韓夢遐，鐘 偉

(1中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室，上海 200092；2國家漁業(yè)機械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，上海 200092)

涌浪式增氧機(以下簡稱涌浪機)是一種集增氧、提水和造浪功能為一體的新型池塘養(yǎng)殖增氧設備。其工作機理是利用浮體中央的葉輪旋轉(zhuǎn)提水并共振造浪向四周擴散，造成底層水流上升，從而構成一個大范圍的立體循環(huán)水流[1- 2]。目前，國內(nèi)養(yǎng)殖池塘多為未經(jīng)工程改造的池塘，水體靜止或流動性差，存在著水域面積小、易污染、水環(huán)境容量小、水體自凈能力差等問題；另外，養(yǎng)殖對象的排泄物也極易造成水中懸浮物增多、濁度增大、有機物和細菌的含量增高。隨著水產(chǎn)養(yǎng)殖向“綠色、環(huán)保、生態(tài)、節(jié)能”模式的轉(zhuǎn)變，涌浪式增氧機是目前養(yǎng)殖生產(chǎn)改善水質(zhì)的重要手段之一。歐陽敏等[3]研究認為，涌浪機增氧的平面范圍大，同樣水面的池塘，要獲得相同的增氧效果，配置涌浪機的臺數(shù)比相同功率的葉輪式增氧機要少。吳宗凡等[4]研究認為，涌浪式增氧的機械增氧能力只是作為池塘生態(tài)(藻類)增氧的一種補充，在提升底層水體的同時，輔以機械增氧，更有利于維持底層溶氧高水平。管崇武等[1]研究認為，使用涌浪式增氧機可以提高陽光對水體的光照強度，促進水體藻類的生長，充分發(fā)揮和利用池塘的生態(tài)增氧能力。本研究通過對涌浪式增氧機的增氧、提水和造浪功能試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，探討其在池塘養(yǎng)殖中的實際效果，為水產(chǎn)養(yǎng)殖用戶正確配置和使用涌浪式增氧機提供指導。

1 材料與方法

1.1 增氧性能試驗

1.1.1 試驗設施與樣機

采用SC/T6009—1999《增氧機增氧能力試驗方法》[5]標準規(guī)定的標準水池進行試驗。選取0.75 kW涌浪式增氧機5臺樣機(編號分別為1#～5#)，在直徑6.3 m、水體體積32 m3、注水深度0.97 m的試驗水池中進行試驗；選取1.5 kW涌浪式增氧機7臺樣機(編號分別為6#～12#)，在直徑8 m、水體體積63 m3、注水深度1.19 m的試驗水池中進行試驗。

1.1.2 儀器與試劑

儀器：溶氧測試設備為YSI—58型溶氧儀3臺及計算機自動數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；功率測試設備為3169—20型電能質(zhì)量分析儀；氣壓測定儀為DYM3型空盒氣壓表。試劑：消氧劑采用亞硫酸鈉Na2SO3(工業(yè)純)，催化劑采用氯化鈷CoCl2·6H2O(分析純)。

1.1.3 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

試驗按照標準[5]進行。先調(diào)節(jié)水池水深，然后根據(jù)試驗水體，按100 g/m3的要求配置亞硫酸鈉溶液和2 g/m3的要求配置催化劑氯化鈷溶液，攪拌使之充分溶解后加入水體中，使水體初始溶氧(DO)質(zhì)量濃度接近0；開啟涌浪式增氧機開始試驗，記錄溶氧值隨時間的變化數(shù)據(jù)，同時記錄有功功率值；根據(jù)記錄的試驗數(shù)據(jù)計算增氧能力(QS)和動力效率(ES)。

1.2 提水能力試驗

1.2.1 試驗設施、樣機與測試設備

本項試驗在長30 m×寬7 m×深1.5 m的長方形養(yǎng)殖池塘中進行，樣機為YYL—1.5型1.5 kW涌浪式增氧機(編號為13#)。流速測試設備為YSI型水流跟蹤者；功率測試設備為3169—20型電能質(zhì)量分析儀；導流筒尺寸直徑1 850 mm×長500 mm。

1.2.2 試驗方法及數(shù)據(jù)處理

(1)安裝布置。涌浪機的測試安裝如圖1所示，將導流筒安裝固定在水面下400 mm處，在其正上方安放涌浪機。

(2)試驗方法。試驗采用截面測流速的方法進行：①流速測試儀的探頭被置于圖1中導流筒的檢測截面A—A的直徑線上，測試點的位置從導流筒的中心點開始向外，按圖2所示的距離設置一點，共計9點；②開啟13#涌浪機工作2 min后，開始記錄相應測試點的流速數(shù)據(jù)值；③記錄涌浪機工作時的有功功率。

(3)計算方法。提水量計算公式：

現(xiàn)如今，學校為了讓“減負”出成效，往往與教師簽訂“減負”工作責任書，把數(shù)學課堂作業(yè)能否當堂完成列入考核內(nèi)容。很多教師迫于學?？己说膲毫Γ旬斕猛瓿烧n堂作業(yè)簡單的等同于完成教學任務。

(1)

式中：Q總為涌浪式增氧機的提水量，m3/h；Qi為各測試點測得流量，m3/h。

提水動力效力計算公式：

(2)

式中：N為提水動力效率，m3/ kW·h；W為有功功率，kW。

圖1 安裝示意圖Fig.1 Installation diagram

圖2 測速儀測點示意圖Fig.2 Speedometer measuring point diagram

1.3 造浪波幅試驗

1.3.1 試驗設施、樣機與測試設備

本項試驗在35 m×35 m×2.5 m的長方形養(yǎng)殖池塘中進行，選取YYL—1.5型1.5 kW涌浪式增氧機(編號13#)。測量標桿設置點采用30 m皮尺，測量造浪波幅采用3 m規(guī)格的標桿。

(1)安裝布置。造浪波幅是測試離涌浪機中心30 m處的波幅，因此將涌浪機固定在池塘中央位置，離涌浪機中心30 m處設置標桿(圖3)。

圖3 造浪強度檢測布置Fig.3 Wave strength detection arrangement

(2)試驗方法。在無風水面平靜條件下測出平靜水面在標桿上的濕線標高A1；啟動涌浪機，使波浪擴散至標桿，2 min后測出波浪在標桿上造成的濕線標高A2。

(3)計算方法。造浪波幅計算公式：

H= 2×(A2-A1)

(3)

式中：H—離涌浪機中心30 m處波幅，mm；A1—開機前濕線標高，mm；A2—開機后濕線標高，mm。

2 結果與分析

2.1 增氧性能

增氧能力和動力效率是評價增氧機機械性能的主要指標[6]。試驗按照標準規(guī)定的方法在標準試驗水池中進行。

(1)0.75 kW涌浪式增氧機增氧能力試驗結果。樣機來源為2009—2015年期間國家漁業(yè)機械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心受理的不同生產(chǎn)企業(yè)的委托檢驗。5臺樣機中，最高增氧能力為1.63 kg/h，最低增氧能力為0.71 kg/h，平均增氧能力為1.17 kg/h；最高動力效率為1.65 kg/kW·h，最低動力效率為1.02 kg/kW·h，平均動力效率值為1.29 kg/kW·h。表1為1#～5#樣機的增氧能力和動力效率試驗結果。

(2)1.5 kW涌浪式增氧機增氧能力試驗結果。樣機來源為2011年至2017年期間國家漁業(yè)機械儀器質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心受理的不同生產(chǎn)企業(yè)的委托檢驗。7臺樣機中，最高增氧能力為2.44 kg/h，最低增氧能力為1.75 kg/h，平均增氧能力為2.06 kg/h；最高動力效率為1.66 kg/kW· h，最低動力效率為1.03 kg/ kW· h，平均動力效率值為1.30 kg/kW· h。表2為6#～12#樣機增氧能力和動力效率的試驗結果。

表1 0.75 kW涌浪機的增氧能力和動力效率Tab.1 Aeration capacity and power efficiency of 0.75 kW surge aerator

表2 1.5 kW涌浪機的增氧能力和動力效率Tab.2 Aeration capacity and power efficiency of 1.5 kW surge aerator

2.2 提水性能

對13#樣機進行提水性能試驗。由導流筒中心作為基準，測點按表5中距導流筒中心距離逐個測定水體向上流速，共在9個測點測得流速，并記錄樣機的輸入功率。表3為提水性能試驗的流速檢測試驗數(shù)據(jù)，同時測得平均輸入功率為1.608 kW。經(jīng)計算，提水能力為3 006.05 m3/h，提水動力效率為1 869.4 m3/kW·h。

表3 流速和功率試驗數(shù)據(jù)Tab.3 Results of flow rate and power

2.3 造浪波幅

對13#樣機進行造浪波幅試驗。先將涌浪式增氧機固定在池塘中央位置，在離涌浪機中心30 m處設置標桿，并記錄標桿的標高。試驗結果顯示，開動涌浪機前標桿的標高A1為300 mm，2 min后測出波浪在標桿上造成的濕線標高A2為340 mm，按公式(3)計算得到造浪波幅為80 mm。

3 討論

3.1 涌浪式增氧機增氧性能接近水車式增氧機

通過對5臺0.75 kW涌浪式增氧機和7臺1.5 kW涌浪式增氧機增氧性能檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計得知，前者的增氧能力為0.71～1.63 kg/h，平均增氧能力為1.17 kg/h，略低于水車式增氧機的1.12～1.75 kg/h[7]，平均增氧能力超過SC/T6017—1999《水車式增氧機》標準規(guī)定增氧能力1.10 kg/h的要求；后者的增氧能力為1.75～2.44 kg/h，平均增氧能力為2.06 kg/h，略低于水車式增氧機的1.83～2.77 kg/h，平均增氧能力超過水車式增氧機標準規(guī)定增氧能力1.90 kg/h的要求；前者的動力效率為1.02～1.65 kg/kW·h，略低于水車式增氧機的1.25～1.74 kg/kW·h，平均動力效率為1.29 kg/kW·h，超過水車式增氧機標準規(guī)定動力效率1.25 kg/kW·h的要求；后者的動力效率為1.03～1.66 kg/kW·h，略低于水車式增氧機的1.33～1.71 kg/kW·h，平均動力效率為1.30 kg/kW·h，平均動力效率超過水車式增氧機標準規(guī)定動力效率1.25 kg/kW·h的要求。試驗結果顯示，在標準水池試驗時，涌浪式增氧機增氧性能總體接近于水車式增氧機，平均性能均達到標準的要求。以上檢測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結果，與管崇武等[1]在對涌浪式增氧機在對蝦養(yǎng)殖中增氧作用的研究結果基本相同。

3.2 涌浪式增氧機提水性能可顯著改善池塘底層水體溶氧

在對自然狀態(tài)下養(yǎng)殖池塘中24 h溶氧變化的研究[8]中得知，隨著池塘水深的增加，水體溶氧含量逐漸減少，池塘底層水體(1.5 m水深以下)的含氧量接近于零。而養(yǎng)殖池塘生態(tài)系統(tǒng)的增氧途徑，一是使用機械能促進空氣與水體接觸，使更多的氧融入水中;二是促進上下水層交換，使下層水體上涌承受光照，利用自然能增加水體溶氧[9- 10]。本研究的提水性能試驗結果得出，1.5 kW的涌浪式增氧機的提水性能可達到

3 006.05 m3/h，提水動力效率為1 869.4 m3/kW·h。依照本試驗的結果推算，一個100 m×50 m×1.8 m的標準養(yǎng)殖池塘的水體總量約為9 000 m3，如果把水體總量1/3作為底層水體，那么從理論上說，一臺1.5 kW的涌浪式增氧機運行1 h，可以完成與整個池塘底層水體等量水體的提升。

本研究認為，涌浪式增氧機具有將水體從底層提升至表層的功能[11- 12]，可以改善下層水體的溶氧量。就對水層交換而言，與使用最廣泛的葉輪式增氧機比較，一臺0.75 kW涌浪機開啟110 min的上、下層水體交換效果[13]，與一臺3 kW葉輪式增氧機開啟80 min可使下層水體溶氧與上層水體溶氧基本一致[14- 15]的結果基本相當，優(yōu)于耕水機[16]需要運行24 h才能使整個池塘水體溶氧量趨于一致的水體交換能力。

3.3 涌浪式增氧機的造浪功能可提高增氧效率

造浪是涌浪式增氧機的主要功能，通過葉片對水的推力作用，使水以波浪的形式向四周擴散，以人工的方式達到造浪的目的。研究表明，與光照、溫度、溶氧、營養(yǎng)鹽一樣，水體的擾動也是影響水體環(huán)境和藻類生長的重要因素[17- 20]。池塘水面是基本的氣—水接觸面，風力造成的浪花和水流會增加接觸面。與靜止接觸面相比，在風力作用下的氧擴散效率(氧轉(zhuǎn)移系數(shù))倍增，實驗室數(shù)據(jù)是10～24倍，在池塘綜合條件下為5倍。以上研究結果說明，在風力作用下使水面產(chǎn)生波浪，可以對上下層水體進行攪拌，形成上下水體的交換，可成倍提高池塘水體的增氧效率。涌浪式增氧機的造浪功能，模擬了風力對池塘水面的作用，提高了水面和空氣的接觸面積，使空氣中的氧氣不斷溶入水中。本研究試驗結果顯示，涌浪式增氧機可以在距固定位置30 m距離的水面形成波幅為80 mm的波浪，其造浪能力可提高池塘的增氧效率。因此，在實際使用中，涌浪式增氧機的增氧效率優(yōu)于水車式增氧機；這也是在同樣水面的養(yǎng)殖池塘中配置涌浪機的臺數(shù)比相同功率葉輪式增氧機要少的主要原因。

以上研究表明，波浪可以提高池塘水體的增氧效率，但波浪高度與池塘增氧效率的關系，目前未查閱到相關研究報道，還有待進一步研究。

4 結論

從標準水池試驗結果看，涌浪式增氧機的絕對增氧能力與同功率水車增氧機相近，達到SC/T6017—1999《水車式增氧機》標準的要求。1.5 kW涌浪式增氧機的提水性能可以達到3 006.05 m3/h，提水動力效率為1 869.4 m3/h·kW。從理論上說，一臺1.5 kW的涌浪式增氧機運行1 h可以完成一個100 m×50 m標準養(yǎng)殖池塘底層水體和上層水體的交換；涌浪式增氧機可以在距離固定位置30 m的水面形成波幅為80 mm的波浪。實際使用中涌浪式增氧機的增氧效率優(yōu)于水車式增氧機。波浪高度和池塘增氧效率的關系還有待進一步研究。