ZB-3型冰下增氧機(jī)的試驗(yàn)及分析

朱洪林

（黑龍江省畜牧機(jī)械化研究所，黑龍江 齊齊哈爾 161005）

ZB-3型冰下增氧機(jī)是根據(jù)本地區(qū)實(shí)際，參考國內(nèi)外先進(jìn)增氧技術(shù)的基礎(chǔ)上研制開發(fā)出的一種結(jié)構(gòu)新穎，冬季使用維護(hù)方便的增氧設(shè)備，以解決北方冬季魚塘增氧問題。該機(jī)目前已申請專利2項(xiàng)，其中冰下氣壓式增氧機(jī)已取得國家實(shí)用新型專利證書，專利號：ZL 2009 2 0291255.2。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

ZB-3型冰下增氧機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1。電機(jī)2與外套筒4相連，并通過連接支架3一起固定在浮筒體1上；外套筒內(nèi)裝空心軸6，空心軸一端通過聯(lián)軸器與電動(dòng)機(jī)的輸出軸相連，另一端尾部安裝葉輪5，空心軸在進(jìn)氣口位置裝有一組正壓葉片7。工作時(shí)增氧機(jī)既可放入水中又可直接放在冰面上，入水角度均可通過調(diào)節(jié)支桿進(jìn)行調(diào)整。

圖1 ZB-3型冰下增氧機(jī)的結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 空心軸裝配簡圖

工作原理：工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)空心軸高速旋轉(zhuǎn)，由于在進(jìn)氣口處安有正壓葉片，進(jìn)氣口處形成高壓，同時(shí)空心軸末端的葉輪高速旋轉(zhuǎn)推動(dòng)水流沿著空心軸的軸向高速流動(dòng)，從而在空心軸的端部產(chǎn)生負(fù)壓，在正負(fù)壓差的作用下，將大氣中的空氣通過外套筒上的進(jìn)氣孔、空心軸吸入水中，并被葉輪推動(dòng)的高速水流擊打成微小的霧狀氣泡，且隨著水流擴(kuò)散至水體的中下層，使空氣與水體能充分混合，從而達(dá)到增氧的目的。

2 性能特點(diǎn)

ZB-3型冰下增氧機(jī)是將空氣通過正壓葉片和葉輪高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的正負(fù)壓差吸入水中，并在高速水流的沖擊下破碎成微小的高密度霧狀氣泡擴(kuò)散至水體的中下層，極大地增加了氣—液傳質(zhì)界面，且增加了氣泡在水中停留的時(shí)間，溶氧時(shí)間增加，使得空氣能與水體充分混合，同時(shí)，氣泡爆裂時(shí)產(chǎn)生大量負(fù)離子，起到充分溶氧和凈化水質(zhì)的作用。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 增氧效果試驗(yàn)

魚池模擬試驗(yàn)在省牧機(jī)所中試基地進(jìn)行，試驗(yàn)池塘基本情況：水面2×2m，水深2m,水質(zhì)良好。試驗(yàn)時(shí)，將ZB-3型增氧機(jī)置于池塘中間，在池塘對角線方向分別離增氧機(jī)0.7m，0.5m，0.3m處選取A，B，C 3個(gè)樣點(diǎn)，測試前用化學(xué)試劑將池塘水中溶解氧清零。在開機(jī)后分別在3個(gè)樣點(diǎn)上離水面1m深處用采水瓶取樣，采用化學(xué)碘量法測定融氧的變化，求出融氧平均值，并計(jì)算動(dòng)力效率。測試結(jié)果見表1。

由試驗(yàn)可直觀看出，開增氧機(jī)后池塘的溶氧基本上保持上升狀態(tài)，初始溶解氧越低，溶解氧增加速度越快。且離增氧機(jī)越近的位置，溶氧增加越明顯，只有當(dāng)池塘融氧基本達(dá)到飽和時(shí)，3個(gè)樣點(diǎn)的溶氧值才逐漸保持一致。如表1所述，開機(jī)30min后，當(dāng)池塘溶氧均勻時(shí)，即可停止測試。通過對同一點(diǎn)位置但不同深度的測試，還發(fā)現(xiàn)和增氧機(jī)工作葉輪處于同一水平面位置處的溶氧增加速度最快，其次為水平面附近，池塘底部溶氧增加速度最慢。

雖然池塘溶氧受很多因素的制約，同時(shí)又受測試條件的限制不可能很全面、正確地反映實(shí)際情況。但為了盡可能說明問題，在試驗(yàn)時(shí)也考慮了氣候、溫度等因素的影響，對比試驗(yàn)基本是在上述各影響因素相近的情況下進(jìn)行。

表1 池塘融氧測試

3.2 增氧能力及動(dòng)力效率的計(jì)算

3.2.1 增氧能力的計(jì)算

計(jì)算試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的充氧能力Qs

式中Qs—充氧能力，kg/h；Cs（20）—20℃時(shí)試驗(yàn)水中溶解氧飽和值，mg/L；V—試驗(yàn)水體積，m3。

在實(shí)際試驗(yàn)過程中，由于水溫、氣壓的變化，應(yīng)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過修正換算為統(tǒng)一的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)狀況下的值。

式中KLa（20）—水溫20℃時(shí)的質(zhì)量傳遞系數(shù)，h-1；KLa（T）—水溫T℃時(shí)的質(zhì)量傳遞系數(shù)，h-1；T—試驗(yàn)時(shí)水溫，℃。

其中KLa（T）可由公式（3）求得。

式中 Cs—在試驗(yàn)溫度和壓力時(shí)的溶解氧飽和值，mg/L；C1—在時(shí)間t1時(shí)的溶解氧值，mg/L；C2—在時(shí)間 t2時(shí)的溶解氧值，mg/L；t1、t2—時(shí)間，h。

3.2.2 充氧動(dòng)力效率的計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)狀況下的充氧動(dòng)力效率，按式（4）計(jì)算：

式中Es—充氧動(dòng)力效率，kg/（kW·h）；N—輸入功率，kW。

通過相同條件下的兩次試驗(yàn)，計(jì)算取其平均值，ZB-3型冰下增氧機(jī)增氧能力達(dá)到1.82 kg/h，動(dòng)力效率達(dá)到0.845 kg/kW·h，指標(biāo)均達(dá)到或超過設(shè)計(jì)要求。

4 生產(chǎn)試驗(yàn)

為了進(jìn)一步考核ZB-3型冰下增氧機(jī)的工作可靠性，2010年1~2月在齊齊哈爾市三家子魚池進(jìn)行了生產(chǎn)考核試驗(yàn)，考核結(jié)果見表2。

表2 生產(chǎn)考核試驗(yàn)

通過考核試驗(yàn)可以看出開增氧機(jī)后池塘的溶氧基本上保持上升狀態(tài)，溶氧效果明顯，大大緩解池塘溶氧匱乏的局面。ZB-3型冰下增氧機(jī)在試驗(yàn)工作中可靠性強(qiáng)，保養(yǎng)維護(hù)方便，最長工作時(shí)間近300 h，非常適合北方冬季魚塘增氧作業(yè)。但大面積池塘作業(yè)時(shí)，增氧效率相對較小，需增加作業(yè)設(shè)備臺數(shù)，才能取得較好增氧效果。需要進(jìn)一步研究機(jī)器的動(dòng)力效率與葉輪結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，加以完善，以便于推廣應(yīng)用。

5 結(jié)語

ZB-3型冰下增氧機(jī)因其具有充氣、攪水、曝氣及全水層立體增氧功能，具有進(jìn)氣壓力大，水體溶氧量高等特點(diǎn)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，性能穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。經(jīng)一個(gè)冬季在實(shí)際魚池進(jìn)行冰下增氧作業(yè)，證明該機(jī)可以有效地解決本地區(qū)冬季養(yǎng)魚池氧氣匱乏的問題。

[1]李秀金，龐云芝．水一空氣引射式冰下深水增氧機(jī)的設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2003，3（19）：112~115.

[2]張大群．污水處理機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社。