管道式微孔增氧裝置的增氧性能研究

管崇武,單建軍,宋紅橋,吳 凡,陳 石

(中國水產(chǎn)科學研究院漁業(yè)機械儀器研究所,農業(yè)農村部漁業(yè)裝備與工程技術重點實驗室,上海 200092)

溶氧是集約化循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)中影響系統(tǒng)承載力和產(chǎn)量增長的首要限制因素[1],將氧氣快速轉移到水體中的增氧設備是現(xiàn)代設施漁業(yè)的重要裝備之一[2-3]。目前采用的增氧方式主要有氧錐增氧[3]、低壓純氧混合增氧[4]、射流增氧[5]、微孔曝氣增氧[6]等。微孔曝氣增氧技術由于設備安裝和操作簡單、能耗和成本較低的特點得到廣泛應用[2],其中曝氣量、曝氣孔徑和安裝水深等是影響其增氧性能的主要因素[7-8]。Kossay[9]研究了水深與曝氣器面積大小對增氧能力、氧利用率的影響。程香菊等[10-11]研究了微孔曝氣流量、曝氣管長度、微孔曝氣器形狀等對曝氣增氧性能的影響。胡鵬等[7]、魏延苓等[12]指出氧利用率隨著水深的增大而增大。針對目前循環(huán)水養(yǎng)殖系統(tǒng)的養(yǎng)殖池一般水深控制在0.8～1.5 m,水的深度較淺導致微孔曝氣形成的氣泡與水體接觸時間較短,增氧性能較低。

本研究將微孔曝氣的曝氣器安裝在循環(huán)系統(tǒng)進水管的外圈邊緣,氧氣經(jīng)該陶瓷曝氣管向進水管內水體曝氣形成氣泡,氣泡在較長的進水管里移動,給予足夠的停留時間,讓氣泡從原先縱向上升改成橫向傳遞,改變傳統(tǒng)微孔曝氣增氧方式,解決養(yǎng)殖池水深較淺曝氣增氧停留時間短的問題。以此種方式設計構建一種管道式微孔增氧裝置,以進氣量和進氣壓力作為主要影響因子進行小水體的模擬試驗,將增氧能力、氧利用率和動力效率作為主要對比指標,獲取影響該裝置增氧性能的關鍵技術參數(shù),以期為集約化循環(huán)水產(chǎn)養(yǎng)殖系統(tǒng)中節(jié)能增氧技術的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗裝置如圖1所示,主要由PE(聚乙烯)塑料水池、水泵、管道式微孔增氧裝置、氣體流量計、壓力表、液氧杜瓦罐、溶氧儀、水管等組成。PE塑料水池的尺寸為φ1.5 m×0.8 m(試驗水深為0.6 m,總水體約1 m3),中間底部排水,由水泵抽吸返回水池,水泵流量為4 m3/h。管道式微孔增氧裝置采用內徑32 mm(與進水管相同管徑),外徑50 mm,內部鑲嵌一個環(huán)狀圓柱體的陶瓷曝氣盤,其外直徑40 mm,環(huán)寬4 mm,長度20 cm。增氧裝置與液氧杜瓦罐相連,并安裝有氣體壓力表和氣體流量計(101.3 kPa,20 ℃,空氣)。在與水池出水管呈對角位置,位于水面下30 cm并與池壁的距離分別為20 cm、40 cm、60 cm處放置3個溶氧儀進行溶氧質量濃度檢測,溶氧儀采用美國維賽YSI ProODO光學溶氧測量儀。

圖1 試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of test system

1.2 試驗方法

各試驗組工況情況如表1所示。

表1 各試驗組工況情況Tab.1 Working conditions of each test group

測定過程參照SC/T 6051—2011《溶氧裝置性能試驗方法》中標準測試方法[13],試驗開始前先校準溶氧儀,然后將探頭安裝至預定位置,設定每隔1 min讀取水溫溶氧(DO)隨著時間的變化值。試驗采用自來水,開始試驗前在水體中加入一定量的Na2SO3和CoCl2溶液,開啟水泵,通過連續(xù)混合攪拌,使其均勻溶解于于水體中并消耗DO,調整至水體初始DO質量濃度接近為0 mg/L。打開氣體流量計閥門,調節(jié)進氣流量和進氣壓力,進行增氧試驗,在開始試驗前先等1～2 min,等到儀表上DO值有明顯上升時開始記錄數(shù)據(jù),每組試驗持續(xù)30 min。本次試驗設定3組不同進氣壓力,在同種進氣壓力條件下調節(jié)3～4組不同的進氣流量,由于氣體流量計上的讀數(shù)受進氣壓力和溫度影響,故在工況設定時以流量計讀數(shù)調節(jié),標況下流量將在后面進行換算。表1給出了不同工況條件下的試驗條件,每組試驗進行兩次重復平行實驗,試驗結果判定符合SC/T 6051—2011《溶氧裝置性能試驗方法》要求。

1.3 數(shù)據(jù)計算及處理

1.3.1 增氧性能計算原理

本裝置曝氣增氧的過程為傳質過程,符合雙膜理論。氧質量轉移系數(shù)、增氧能力、氧利用率按照SC/T 6051—2011《溶氧裝置性能試驗方法》中計算方法進行計算,按式(1)對進氣流量進行標準狀態(tài)實際流量進行換算[15]。

(1)

式中:qS為被測氣體在標準狀態(tài)下(溫度為20 ℃,壓力為0.1 MPa)下的實際流量, m3/h ;qCN為氣體流量計上的示值讀數(shù),L/min;ρCN為刻度氣體(空氣)在標準狀態(tài)下的密度,取值為1.29 kg/m3;ρS為被測氣體(氧氣)在標準狀態(tài)下的密度,取值為1.429 kg/m3;Pb為試驗條件下的進氣壓力,MPa ;PS為標準大氣壓力(0.1 MPa);TC為刻度狀態(tài)下的絕對溫度(293.15 K);Tb為被測氣體在工作狀態(tài)下的絕對溫度,K。

動力效率ES是指每消耗1 kW·h的能量轉移到水體中的氧量,標準狀態(tài)下的動力效率ES按式(2)計算[13,16]:

ES=3.6×QS/(Pb×qS)

(2)

式中:ES為標況下的動力效率,kg/(kW·h);QS為增氧量,kg/h。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理

使用Matlab 2018 軟件對數(shù)據(jù)進行非線性擬合取得C∞、C0和Kla 的擬合值,采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)整理分析繪圖。

2 結果

2.1 進氣量對管道式微孔增氧裝置增氧性能的影響

圖2給出了3種進氣壓力條件下不同進氣量對管道式增氧裝置的氧質量轉移系數(shù)、增氧能力、氧利用率、動力效率的影響情況。氧質量轉移系數(shù)和增氧能力是評價增氧裝置增氧性能的主要指標[17]。

圖2 不同進氣流量對管道式微孔增氧裝置的增氧性能Fig.2 Oxygen increasing performance of pipe type microporous oxygen increasing device with different intake air flow

從圖2a可以看出Kla20隨著進氣量的增大而升高,其中又以進氣壓力為0.2 MPa的Kla20增幅最高。在進氣壓力分別為0.2 MPa、0.3 MPa和0.4 MPa時,進氣量增加1倍,其Kla20分別增加了328.66%、92.71%和31.28%,表明進氣量的增加可增大氧質量轉移系數(shù),但進氣壓力對其影響更為關鍵。從圖2b可以看出增氧力QS也隨著進氣量的增大而升高,變化趨勢與圖2a相類似,在進氣壓力為0.2 MPa進氣量為0.081 m3/h(標況)增氧能力QS最高,達到34.36 g/h。圖2c給出了管道式增氧裝置氧利用率εS隨著進氣量的變化情況,從圖中可以看出隨著進氣量的增大,氧利用率呈下降趨勢。其中以進氣壓力為0.3 MPa的試驗組下降幅度最顯著,進氣量從0.020 m3/h增加1倍上升至0.039 m3/h,氧利用率從40.58%下降至20.48%。圖2d是關于管道式增氧裝置理論動力效率ES的變化情況,從圖中可以看出在進氣壓力較高時,理論動力效率會隨著進氣量的增大而減小,而在進氣壓力為0.2 MPa時,其理論動力效率較為穩(wěn)定,基本維持在8 kg/(kW·h)附近。理論動力效率是增氧裝置的重要性能參數(shù),它的高低決定著增氧裝置的能耗[10,18],從圖中可知,低進氣壓力的試驗組其理論動力效率顯著高于高進氣壓力組,表明降低進氣壓力可有效提高增氧裝置的動力效率,降低運行能耗。

2.2 進氣壓力對管道式微孔增氧裝置增氧性能的影響

在進氣量分別為0.032 m3/h、0.039 m3/h和0.034 m3/h,進氣壓力分別為0.2 MPa、0.3 MPa和0.4 MPa的條件下,開展管道式微孔增氧裝置增氧性能影響研究。圖3為3種狀態(tài)下試驗池內3個溶氧測量點均值隨時間變化的曲線圖,標準偏差分別在0.02～0.26、0.10～0.56和0.04～0.49范圍內,每種條件開展兩次重復試驗,試驗結果差值與平均值的比值最高分別為3.34%、7.39%和7.46%,均未超過8%,表明試驗數(shù)據(jù)符合SC/T 6051—2011《溶氧裝置性能試驗方法》的判定規(guī)則。從圖中可以看出3種壓力條件下試驗池內溶氧質量濃度隨著試驗時間的增加呈線性增長,0.4 MPa試驗組的增加斜率最小。

圖3 試驗池內平均溶氧質量濃度隨 時間變化情況Fig.3 Change of average dissolved oxygen mass concentration with time in the test tank

圖4為不同進氣壓力條件下管道式增氧裝置的增氧性能參數(shù)變化情況。

圖4 不同進氣壓力對管道式微孔增氧裝置的 增氧性能Fig.4 Oxygen increasing performance of pipeline microporous oxygen increasing device under different inlet pressure

由圖4可知,增氧能力、動力效率、氧利用率均隨著進氣壓力的增大呈下降趨勢。而氧質量轉移系數(shù)則以進氣壓力為0.3 MPa組最高,達到0.694 h-1,這可能是由于0.3 MPa組的進氣量高于其他兩組,氧質量轉移系數(shù)隨著進氣量增大而增大[19],若排除這一因素的影響氧質量轉移系數(shù)總體應呈隨著進氣壓力增大而增大的趨勢,表明在相同進氣量條件下,降低進氣壓力可得到較高的增氧能力、動力效率和氧利用率。

2.3 曝氣管長度對管道式微孔增氧裝置增氧性能的影響

進氣量和曝氣管長度不同程度影響增氧裝置的增氧性能,在本研究中將管道式微孔增氧裝置中陶瓷曝氣盤長度由20 cm調整至40 cm(即將兩個原2 cm長的曝氣盤串聯(lián)安裝),在進氣壓力為0.2 MPa條件下,調整進氣量為0.8 L/min(流量計讀數(shù),下同)與原長度條件下進氣量為0.4 L/min和0.8 L/min進行對比,圖5為這3種狀態(tài)下試驗池內溶解氧質量濃度隨時間變化的曲線圖。從圖中可以看出在相同單位面積的曝氣管上施加的進氣量越大增氧效果越好,在單位面積上施加相同的進氣量,則隨著曝氣管長度的加長其增氧效果更好。

圖5 3種狀態(tài)下溶氧質量濃度變化曲線圖Fig.5 Dissolved oxygen mass concentration change curve under three conditions

圖6是這3種狀態(tài)下管道式增氧裝置的增氧性能參數(shù)變化情況。

圖6 3種狀態(tài)下管道式微孔增氧裝置的增氧性能Fig.6 Oxygen increasing performance of pipeline microporous oxygen increasing device under three conditions

由圖6可知,延長曝氣管長度在相同進氣量條件下,其增氧性能反而下降,因此使用該方式進行增氧操作,有必要先確定適宜的曝氣管長度,這有利于提高增氧能力和氧利用率。

3 討論

3.1 進氣量、進氣壓力對管道式微孔增氧裝置增氧性能的影響

評價增氧裝置增氧性能主要有4個指標:氧質量轉移系數(shù)Kla20、增氧能力QS、理論動力效率ES和氧利用率εs[16]。Kla20和QS越高代表增氧裝置的增氧性能越高[20],Kla20受水溫[21]、進氣量[22]、氣泡形狀[23]、水質條件[24]等因素影響。在本文中,隨著進氣量的增加氧質量轉移系數(shù)也增大,進氣壓力的增大其氧質量轉移系統(tǒng)反而呈下降趨勢。這可能是由于進氣量的增加即代表陶瓷曝氣管上單位面積產(chǎn)生的氣泡數(shù)目增多,對水體的攪動作用就越強,增大了水體的紊動程度[7],減小了液膜厚度,從而減小傳質阻力,增大Kla20。另一方面,進氣壓力的增大,會導致產(chǎn)生的氣泡變小[25],氣泡變小則對水體的擾動效果變弱,增大液膜厚度和氧傳質阻力,降低Kla20,這與程香菊等[2]、賈榮暢等[26]的研究結論一致。李小冬等[22]提出進氣量對Kla20影響有兩個階段,當進氣量較小時,由于液膜擴散阻力占主導,因此增大進氣量能使水體中氧氣含量增大而提高充氧能力;當進氣量增大到一定程度時,進氣量對水體紊動作用占主導,由于增大進氣量使得液膜厚度變小,氣泡周圍水體更新速度增快,充氧能力相對于前一階段變化更迅速。本試驗中在進氣壓力0.2 MPa組中,進氣量從0.064 m3/h增加到0.081 m3/h,其Kla20呈翻倍增加,可能是其導致。但由于試驗條件和時間限制,本試驗還沒能針對更大的進氣量開展深入研究,還不能從實質機理上解釋其最佳進氣量的選擇范圍,這將是今后研究的重點。

微孔曝氣系統(tǒng)有效氧利用率較低,隨著進氣量的增大而減小[27]。但在本試驗中,進氣壓力為0.2 MPa試驗組下降趨勢不明顯,通常增大進氣量會導致氣泡運動速度加快,氣泡在水中停留時間縮短,而且進入水中總氧量大幅度增加,這就對氧利用率的變化產(chǎn)生負面影響。而本試驗采用增氧方式與傳統(tǒng)微孔曝氣方式不同,氣泡是在封閉管道里橫向運動,停留時間是相對固定的,因此氧利用率下降幅度較小,高于程香菊等[2,10]研究結果。理論動力效率是作為唯一的效能指標,能夠反映出曝氣過程中的能耗問題[28]。本研究發(fā)現(xiàn)降低進氣壓力能有效提高動力效率,由于增加進氣壓力消耗的有用功增加量比標準氧轉移速率的增加量更顯著[7],因此從氧氣源有效利用和能耗角度考慮,本管道式微孔增氧裝置選擇進氣壓力以0.2 MPa為宜。

3.2 曝氣管長度對管道式微孔增氧裝置增氧性能的影響

曝氣管長度的影響實際是單位面積上曝氣強度的影響,在相同進氣量條件下,曝氣管的曝氣面積越大則單位面積上產(chǎn)生的氣泡量減少,產(chǎn)生的氣泡尺寸也相對減小,阻礙了氧氣向水中的傳遞,導致增氧性能下降,這與張斌等[29]、莊健等[30]的研究結論基本相符。在相同進氣量條件下較小的曝氣管長度條件下增氧性能更佳,也說明在當前工況下進氣量為0.064 m3/h并沒有達到20 cm長曝氣管的進氣量上限。程香菊等[10]采用改良塑料制成的軟性管狀曝氣器曝氣面積為159～265 cm2,進氣量可達0.275～0.543 m3/h,雖然曝氣管的材質不同,說明本裝置的進氣量還有進一步提升空間。

4 結論

不同進氣量對管道式微孔增氧裝置的增氧性能造成較大影響,在本研究條件下,進氣壓力為0.2 MPa進氣量為0.064～0.081 m3/h范圍內可取得較好的增氧性能,增氧能力達到29.79～34.36 g/h,氧利用率達到29.83%～32.32%,動力效率達到7.67 ～8.31 kg/(kW·h)。增氧裝置的曝氣管長度在目前試驗條件下20 cm的長度已適用,若在生產(chǎn)上需要更大增氧量或進水流量,可考慮增大曝氣管口徑和增長曝氣管長度的方式,以提高增氧效率降低增氧成本。