涌浪式增氧机性能研究

顾海涛，张祝利，曹建军，韩梦遐，钟 伟

(1中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，农业农村部渔业装备与工程技术重点实验室，上海 200092；2国家渔业机械仪器质量监督检验中心，上海 200092)

涌浪式增氧机(以下简称涌浪机)是一种集增氧、提水和造浪功能为一体的新型池塘养殖增氧设备。其工作机理是利用浮体中央的叶轮旋转提水并共振造浪向四周扩散，造成底层水流上升，从而构成一个大范围的立体循环水流[1- 2]。目前，国内养殖池塘多为未经工程改造的池塘，水体静止或流动性差，存在着水域面积小、易污染、水环境容量小、水体自净能力差等问题；另外，养殖对象的排泄物也极易造成水中悬浮物增多、浊度增大、有机物和细菌的含量增高。随着水产养殖向“绿色、环保、生态、节能”模式的转变，涌浪式增氧机是目前养殖生产改善水质的重要手段之一。欧阳敏等[3]研究认为，涌浪机增氧的平面范围大，同样水面的池塘，要获得相同的增氧效果，配置涌浪机的台数比相同功率的叶轮式增氧机要少。吴宗凡等[4]研究认为，涌浪式增氧的机械增氧能力只是作为池塘生态(藻类)增氧的一种补充，在提升底层水体的同时，辅以机械增氧，更有利于维持底层溶氧高水平。管崇武等[1]研究认为，使用涌浪式增氧机可以提高阳光对水体的光照强度，促进水体藻类的生长，充分发挥和利用池塘的生态增氧能力。本研究通过对涌浪式增氧机的增氧、提水和造浪功能试验数据统计和分析，探讨其在池塘养殖中的实际效果，为水产养殖用户正确配置和使用涌浪式增氧机提供指导。

1 材料与方法

1.1 增氧性能试验

1.1.1 试验设施与样机

采用SC/T6009—1999《增氧机增氧能力试验方法》[5]标准规定的标准水池进行试验。选取0.75 kW涌浪式增氧机5台样机(编号分别为1#～5#)，在直径6.3 m、水体体积32 m3、注水深度0.97 m的试验水池中进行试验；选取1.5 kW涌浪式增氧机7台样机(编号分别为6#～12#)，在直径8 m、水体体积63 m3、注水深度1.19 m的试验水池中进行试验。

1.1.2 仪器与试剂

仪器：溶氧测试设备为YSI—58型溶氧仪3台及计算机自动数据采集系统；功率测试设备为3169—20型电能质量分析仪；气压测定仪为DYM3型空盒气压表。试剂：消氧剂采用亚硫酸钠Na2SO3(工业纯)，催化剂采用氯化钴CoCl2·6H2O(分析纯)。

1.1.3 试验方法及数据处理

试验按照标准[5]进行。先调节水池水深，然后根据试验水体，按100 g/m3的要求配置亚硫酸钠溶液和2 g/m3的要求配置催化剂氯化钴溶液，搅拌使之充分溶解后加入水体中，使水体初始溶氧(DO)质量浓度接近0；开启涌浪式增氧机开始试验，记录溶氧值随时间的变化数据，同时记录有功功率值；根据记录的试验数据计算增氧能力(QS)和动力效率(ES)。

1.2 提水能力试验

1.2.1 试验设施、样机与测试设备

本项试验在长30 m×宽7 m×深1.5 m的长方形养殖池塘中进行，样机为YYL—1.5型1.5 kW涌浪式增氧机(编号为13#)。流速测试设备为YSI型水流跟踪者；功率测试设备为3169—20型电能质量分析仪；导流筒尺寸直径1 850 mm×长500 mm。

1.2.2 试验方法及数据处理

(1)安装布置。涌浪机的测试安装如图1所示，将导流筒安装固定在水面下400 mm处，在其正上方安放涌浪机。

(2)试验方法。试验采用截面测流速的方法进行：①流速测试仪的探头被置于图1中导流筒的检测截面A—A的直径线上，测试点的位置从导流筒的中心点开始向外，按图2所示的距离设置一点，共计9点；②开启13#涌浪机工作2 min后，开始记录相应测试点的流速数据值；③记录涌浪机工作时的有功功率。

(3)计算方法。提水量计算公式：

现如今，学校为了让“减负”出成效，往往与教师签订“减负”工作责任书，把数学课堂作业能否当堂完成列入考核内容。很多教师迫于学校考核的压力，把当堂完成课堂作业简单的等同于完成教学任务。

(1)

式中：Q总为涌浪式增氧机的提水量，m3/h；Qi为各测试点测得流量，m3/h。

提水动力效力计算公式：

(2)

式中：N为提水动力效率，m3/ kW·h；W为有功功率，kW。

图1 安装示意图Fig.1 Installation diagram

图2 测速仪测点示意图Fig.2 Speedometer measuring point diagram

1.3 造浪波幅试验

1.3.1 试验设施、样机与测试设备

本项试验在35 m×35 m×2.5 m的长方形养殖池塘中进行，选取YYL—1.5型1.5 kW涌浪式增氧机(编号13#)。测量标杆设置点采用30 m皮尺，测量造浪波幅采用3 m规格的标杆。

(1)安装布置。造浪波幅是测试离涌浪机中心30 m处的波幅，因此将涌浪机固定在池塘中央位置，离涌浪机中心30 m处设置标杆(图3)。

图3 造浪强度检测布置Fig.3 Wave strength detection arrangement

(2)试验方法。在无风水面平静条件下测出平静水面在标杆上的湿线标高A1；启动涌浪机，使波浪扩散至标杆，2 min后测出波浪在标杆上造成的湿线标高A2。

(3)计算方法。造浪波幅计算公式：

H= 2×(A2-A1)

(3)

式中：H—离涌浪机中心30 m处波幅，mm；A1—开机前湿线标高，mm；A2—开机后湿线标高，mm。

2 结果与分析

2.1 增氧性能

增氧能力和动力效率是评价增氧机机械性能的主要指标[6]。试验按照标准规定的方法在标准试验水池中进行。

(1)0.75 kW涌浪式增氧机增氧能力试验结果。样机来源为2009—2015年期间国家渔业机械仪器质量监督检验中心受理的不同生产企业的委托检验。5台样机中，最高增氧能力为1.63 kg/h，最低增氧能力为0.71 kg/h，平均增氧能力为1.17 kg/h；最高动力效率为1.65 kg/kW·h，最低动力效率为1.02 kg/kW·h，平均动力效率值为1.29 kg/kW·h。表1为1#～5#样机的增氧能力和动力效率试验结果。

(2)1.5 kW涌浪式增氧机增氧能力试验结果。样机来源为2011年至2017年期间国家渔业机械仪器质量监督检验中心受理的不同生产企业的委托检验。7台样机中，最高增氧能力为2.44 kg/h，最低增氧能力为1.75 kg/h，平均增氧能力为2.06 kg/h；最高动力效率为1.66 kg/kW· h，最低动力效率为1.03 kg/ kW· h，平均动力效率值为1.30 kg/kW· h。表2为6#～12#样机增氧能力和动力效率的试验结果。

表1 0.75 kW涌浪机的增氧能力和动力效率Tab.1 Aeration capacity and power efficiency of 0.75 kW surge aerator

表2 1.5 kW涌浪机的增氧能力和动力效率Tab.2 Aeration capacity and power efficiency of 1.5 kW surge aerator

2.2 提水性能

对13#样机进行提水性能试验。由导流筒中心作为基准，测点按表5中距导流筒中心距离逐个测定水体向上流速，共在9个测点测得流速，并记录样机的输入功率。表3为提水性能试验的流速检测试验数据，同时测得平均输入功率为1.608 kW。经计算，提水能力为3 006.05 m3/h，提水动力效率为1 869.4 m3/kW·h。

表3 流速和功率试验数据Tab.3 Results of flow rate and power

2.3 造浪波幅

对13#样机进行造浪波幅试验。先将涌浪式增氧机固定在池塘中央位置，在离涌浪机中心30 m处设置标杆，并记录标杆的标高。试验结果显示，开动涌浪机前标杆的标高A1为300 mm，2 min后测出波浪在标杆上造成的湿线标高A2为340 mm，按公式(3)计算得到造浪波幅为80 mm。

3 讨论

3.1 涌浪式增氧机增氧性能接近水车式增氧机

通过对5台0.75 kW涌浪式增氧机和7台1.5 kW涌浪式增氧机增氧性能检测数据的统计得知，前者的增氧能力为0.71～1.63 kg/h，平均增氧能力为1.17 kg/h，略低于水车式增氧机的1.12～1.75 kg/h[7]，平均增氧能力超过SC/T6017—1999《水车式增氧机》标准规定增氧能力1.10 kg/h的要求；后者的增氧能力为1.75～2.44 kg/h，平均增氧能力为2.06 kg/h，略低于水车式增氧机的1.83～2.77 kg/h，平均增氧能力超过水车式增氧机标准规定增氧能力1.90 kg/h的要求；前者的动力效率为1.02～1.65 kg/kW·h，略低于水车式增氧机的1.25～1.74 kg/kW·h，平均动力效率为1.29 kg/kW·h，超过水车式增氧机标准规定动力效率1.25 kg/kW·h的要求；后者的动力效率为1.03～1.66 kg/kW·h，略低于水车式增氧机的1.33～1.71 kg/kW·h，平均动力效率为1.30 kg/kW·h，平均动力效率超过水车式增氧机标准规定动力效率1.25 kg/kW·h的要求。试验结果显示，在标准水池试验时，涌浪式增氧机增氧性能总体接近于水车式增氧机，平均性能均达到标准的要求。以上检测数据的统计结果，与管崇武等[1]在对涌浪式增氧机在对虾养殖中增氧作用的研究结果基本相同。

3.2 涌浪式增氧机提水性能可显著改善池塘底层水体溶氧

在对自然状态下养殖池塘中24 h溶氧变化的研究[8]中得知，随着池塘水深的增加，水体溶氧含量逐渐减少，池塘底层水体(1.5 m水深以下)的含氧量接近于零。而养殖池塘生态系统的增氧途径，一是使用机械能促进空气与水体接触，使更多的氧融入水中;二是促进上下水层交换，使下层水体上涌承受光照，利用自然能增加水体溶氧[9- 10]。本研究的提水性能试验结果得出，1.5 kW的涌浪式增氧机的提水性能可达到

3 006.05 m3/h，提水动力效率为1 869.4 m3/kW·h。依照本试验的结果推算，一个100 m×50 m×1.8 m的标准养殖池塘的水体总量约为9 000 m3，如果把水体总量1/3作为底层水体，那么从理论上说，一台1.5 kW的涌浪式增氧机运行1 h，可以完成与整个池塘底层水体等量水体的提升。

本研究认为，涌浪式增氧机具有将水体从底层提升至表层的功能[11- 12]，可以改善下层水体的溶氧量。就对水层交换而言，与使用最广泛的叶轮式增氧机比较，一台0.75 kW涌浪机开启110 min的上、下层水体交换效果[13]，与一台3 kW叶轮式增氧机开启80 min可使下层水体溶氧与上层水体溶氧基本一致[14- 15]的结果基本相当，优于耕水机[16]需要运行24 h才能使整个池塘水体溶氧量趋于一致的水体交换能力。

3.3 涌浪式增氧机的造浪功能可提高增氧效率

造浪是涌浪式增氧机的主要功能，通过叶片对水的推力作用，使水以波浪的形式向四周扩散，以人工的方式达到造浪的目的。研究表明，与光照、温度、溶氧、营养盐一样，水体的扰动也是影响水体环境和藻类生长的重要因素[17- 20]。池塘水面是基本的气—水接触面，风力造成的浪花和水流会增加接触面。与静止接触面相比，在风力作用下的氧扩散效率(氧转移系数)倍增，实验室数据是10～24倍，在池塘综合条件下为5倍。以上研究结果说明，在风力作用下使水面产生波浪，可以对上下层水体进行搅拌，形成上下水体的交换，可成倍提高池塘水体的增氧效率。涌浪式增氧机的造浪功能，模拟了风力对池塘水面的作用，提高了水面和空气的接触面积，使空气中的氧气不断溶入水中。本研究试验结果显示，涌浪式增氧机可以在距固定位置30 m距离的水面形成波幅为80 mm的波浪，其造浪能力可提高池塘的增氧效率。因此，在实际使用中，涌浪式增氧机的增氧效率优于水车式增氧机；这也是在同样水面的养殖池塘中配置涌浪机的台数比相同功率叶轮式增氧机要少的主要原因。

以上研究表明，波浪可以提高池塘水体的增氧效率，但波浪高度与池塘增氧效率的关系，目前未查阅到相关研究报道，还有待进一步研究。

4 结论

从标准水池试验结果看，涌浪式增氧机的绝对增氧能力与同功率水车增氧机相近，达到SC/T6017—1999《水车式增氧机》标准的要求。1.5 kW涌浪式增氧机的提水性能可以达到3 006.05 m3/h，提水动力效率为1 869.4 m3/h·kW。从理论上说，一台1.5 kW的涌浪式增氧机运行1 h可以完成一个100 m×50 m标准养殖池塘底层水体和上层水体的交换；涌浪式增氧机可以在距离固定位置30 m的水面形成波幅为80 mm的波浪。实际使用中涌浪式增氧机的增氧效率优于水车式增氧机。波浪高度和池塘增氧效率的关系还有待进一步研究。