增氧系统设计（精选6篇）
增氧系统设计 篇1
增氧机是保证对虾养殖高产、稳产不可或缺的重要机械设备[1]。目前养殖户主要采用人工方式管理增氧机,不仅增加了人力成本,而且容易产生由于未及时调控增氧机而造成的重大经济损失的情况[2,3,4,5]。因此,建立自动增氧机工作异常监控系统尤为重要。目前,针对增氧机的自动控制已有多种方案[6,7,8,9],但这些方案主要解决的是增氧机的自动或远程开启问题,并没有涉及增氧机工作异常的报警; 此外,传输控制距离普遍较近,不能完全满足用户远程监控的需求。在上述研究的基础上,提出了一款基于GSM的对虾养殖场增氧机监控系统。
1 系统总体结构设计
本系统由监控执行终端、手机终端、接触器和增氧机构成,并采用GSM进行数据通信。GSM是一种当前应用极为广泛的移动通讯标准,具有网络覆盖率高、传输特性好的优势。同时,它可以以短消息的方式实现任何时间、任何地点的无线通信,是采集数据良好的无线传输方式[10,11]。通信架构图如图1 所示。
该系统的核心部件———监控执行终端只需要安装在养殖场的电房内,即可实现对整个养殖场增氧机的监控。监测执行终端主要由STC12C5A32S2单片机、AC电流检测模块、SIM900 模块、继电器模块、接触器和扬声器等组成( 图2) 。单片机主要完成数据处理和逻辑处理; AC电流检测模块将增氧机电流数据转换为相应的模拟量输出; 继电器模块是系统的控制执行单元,通过控制接触器实现增氧机的打开或关闭; SIM900 模块是系统的GSM通信单元,通过串口与单片机相连,用于监测执行终端与手机的通信; 扬声器用于当增氧机出现工作异常时报警。
2 系统硬件设计
2. 1 单片机及其外围电路
本系统采用STC12C5A32S2 单片机作为系统的控制核心。该单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的新一代单片机,其运算速度比传统8051 单片机快8 ~ 12 倍,而指令代码完全兼容[12]。它具有32K FLASH程序存储字节、29K EEPRROM字节、8 路高速、10 位A / D转换等功能,同时具备高速、可靠、低功耗、低成本、强抗静电、强抗干扰的优点。
2. 2 AC电流检测电路
AC电流检测电路主要用于监测增氧机工作电流的变化,从而判断增氧机工作是否异常,其原理图如图3 所示。交流感应信号经过整流电路转换为直流信号,再通过电容滤波平滑后,经运算放大器MCP602 放大、修正,最终以模拟信号形式输出。单片机对模拟信号取样、A/D转换和软件滤波后[13,14],即可获得实时的增氧机电流数据,从而为判断增氧机的工作情况提供依据。
2. 3 SIM900 电路
系统采用SIM900 模块进行数据通信。该模块是集成度高的GSM/GPRS模块,采用ARM926EJ-S架构,性能强大[15]。单片机通过AT指令与SIM900进行交互,控制SIM900 模块进行拨打电话和短信发送的操作。
2. 4 继电器及输入输出电路
继电器模块电路原理图如图4 所示。其中包括K1 在内的继电器控制端与单片机相连,输出端OUT1 与接触器的控制线圈相连,从而实现单片机对增氧机的控制。接触器反馈信号电路用于监测接触器是否接通。KINO1-6 连接的是接触器反馈端,IN1-6 则直接与单片机相接。该反馈用于保证系统的可靠性。为进一步提高远程开启动作的可靠性,系统采用电流反馈作为主反馈方式。
3 系统软件设计
3. 1 系统功能介绍
系统的软件部分具有实现增氧机状态监测与查询、远程控制及反馈、异常报警等功能。由于增氧机工作状态的变化会直接体现在供电电路电流数据的变化上,因此本系统通过对供电电路中电流数据的监测,从而达到对增氧机工作状况的监测。增氧机状态监测与查询是指系统能够监测增氧机的工作状况,同时允许用户通过手机短信进行远程状态查询; 远程控制及反馈是指用户可通过手机短信远程控制增氧机的启动或停止,同时检测接触器反馈线圈是否正常动作和供电电路电流变化是否符合远程命令,并将命令执行结果以短信形式反馈给用户; 异常报警是指当系统检测到增氧机工作异常时自动拨打养殖户电话进行远程报警,同时开启扬声器报警; 增氧机工作异常是指非远程人为操作时,供电电路的相电流降低值大于设置的报警电流阈值。
3. 2 主程序设计
系统的主程序流程图如图5 所示。系统开始运行时需要对系统进行初始化,初始化内容主要包括初始化A/D、串口、SIM900 工作模式、定时器、中断、标志位等。初始化完成后,系统将进行AD电流数据采集,采集的时间间隔由定时器控制。当单片机采集到的电流数据异常即增氧机工作异常时,单片机将通过AT指令控制SIM900 拨打养殖户号码进行电话报警,同时开启扬声器报警。如果用户设置了启用备用增氧机,系统还会自动启动。若采集到的数据正常且接收到远程短信指令,单片机将进行远程控制指令的解析并执行相应命令,例如打开或关闭增氧机等。
3. 3 报警电流设置分析
设置报警电流是为判定当前增氧机是否工作异常提供参考,即当非人为远程关闭指令时,电路电流降低值大于设置的报警电流阈值即视为增氧机工作异常。该参数的设置直接影响到增氧机异常时系统能否报警。目前对虾养殖场中被广泛使用的增氧机多采用三相电机作为动力,因此本设计据此进行参数计算。
三相电机的功率计算公式[16]:
式中: UL—线电压,V; IL—线电流,A; cosψ—功率因素;—电机满负载时的效率。
根据公式( 1) 可求得打开或关闭一台750 W增氧机后电流变化值为:
式中: UL= 380 V[17],ΔP = 750 W,cosψ = 0. 76,,得 ΔI = 1. 76 A。其中0. 76 和0. 85 分别是从电机铭牌获取的电机满负载时的效率和功率因数。为避免误报,报警电流阈值的设置不应超过此值。
在养殖过程中,养殖户会通过在增氧机的浮筒上增减重物来改变增氧机的负载。通过实际测试得到,在增氧机处于轻载运行的养殖初期,其电流值约为1. 1 A; 而在增氧机处于重载运行的养殖后期,其电流可高达2. 2 A。同时,系统中采用的电流互感器的量程为60 A,精度为5‰,其满负荷运行时的电流波动约0. 3 A( 60 A × 5‰) 。综合以上因素,同时兼顾避免误报和漏报的需求,本系统设置系统的报警电流值为0. 8 A( 1. 1 -0. 3 A) 。
值得注意的是,在电流检测过程中,增氧机的启动过程会造成电流迅速上升和下降。这种突变信号将影响系统的正常判断,应加以滤除。考虑到在增氧机正常工作过程中,电流不会明显跃变等实际情况,系统中使用了设置阈值变化极限并结合中值滤波的方法来鉴别和剔除增氧机启动过程产生的数据[18]。实践证明,该方法有效地防止了由于电机启动带来的误报情况。
4 测试结果及分析
2014 年10 月,在福建省漳州市的一个对虾养殖场进行了系统功能测试。该养殖场配备有7台750 W水车式增氧机,且每台增氧机均可手动独立控制启停。测试前对该养殖场的电路进行了简单改造。首先将三相供电电路中的一相穿过系统用的电流互感器,从而达到监测整个养殖场所有增氧机工作状态的目的; 再在每个空气开关的下方串入一个交流接触器,让每台增氧机具备独立自动控制的条件。测试工作分为增氧机工作异常报警测试和远程开关增氧机测试两个部分。
由于系统采用阈值报警的方式,因此,只要测试系统在供电电路电流降低值最小的情况下是否能够正常报警即可。为保证异常报警测试的科学性,分别进行1 台、2 台、3 台、4 台、5 台、6 台增氧机同时工作时,其中1 台增氧机突然停止工作的测试。同时也将6 台增氧机的负载进行了随机调整,模拟在养殖过程中增氧机负荷的变化。
从测试结果( 表1) 可知,增氧机的启动过程不会影响系统的报警判断。当出现增氧机故障的时候,系统可以实现远程和本地报警,并自动打开备用增氧机。
为减少增氧机同时开启对于电网的冲击,便于正确判断某台增氧机是否正常开启,如果需要同时开启多台增氧机,系统会依次开启; 为保证系统的稳定性,增氧机开启时间间隔必须2 s以上,且增氧机的工作稳定后,系统才会开启下一台。基于实际测试条件和需求,远程测试进行了开启1 台、2 台、3 台、4 台、5 台和6 台增氧机的测试,并对成功开启返回时间( 指手机端开始发送控制短信到收到开启成功反馈短信的时间间隔) 进行记录,分别为25 s、29 s、33 s、35 s、38 s、和41 s,增氧机均能成功开启。从测试结果可知,系统可以正确接收并执行来至手机端的短信开关指令,实现远程自动开启多台增氧机的目标,且开启台数越多,成功开启返回时间越长。
从2015 年3 月起该设备已小批量投入市场,目前已在漳州的龙海市和漳浦县安装102 台。从用户使用情况跟踪结果来看,该系统未出现漏报和误报情况,运行稳定。
5 结论
针对对虾养殖户对养殖场增氧机监控的需求而开发的基于GSM的对虾养殖场增氧机监控系统,可以实现养殖场增氧机的实时监控、状态查询、远程操作和异常报警等功能,可克服人工巡查不可靠、不及时的缺点。该系统已投入到福建漳州当地养殖场的实际生产中,使用验证及测试结果表明,该系统完全达到了预定的设计功能。本设计部分功能仍有待进一步提高与完善,如尚未对溶氧进行实时检测与反馈,尚未根据实时溶氧需求自动启动或关闭增氧机等。
浮体叶轮式增氧机的设计 篇2
随着我国水产养殖业的不断发展, 以及消费者对鱼类食品购买力的不断提高, 需要在原有固定面积的池塘内养殖更多的鱼苗。为了解决鱼苗密度大而产生的缺氧问题, 增氧机成为水产养殖不可或缺的设备。传统的叶轮增氧设备一般由电机、减速箱、浮球、支撑杆、叶轮等组成, 通常需要调节叶轮的旋转速度以及浮球的大小来调整增氧效果。由于使用浮球作为支撑, 通常体积较大, 需要使用大型的拖拽设备, 存在设备的移池等问题。另外一些新的耕水涌浪机, 只适合白天增氧, 夜晚不能开机工作。因此需要设计一种能够耕水、涌浪和增氧, 并且结构更简单、使用更方便、增氧效果更好的浮体叶轮式增氧设备, 以满足池塘养殖全天候增氧的工作要求。
1 浮体叶轮式增氧机设计原理
1.1 结构设计 (见图1)
如图1所示, 该浮体叶轮式增氧机圆型浮体外围装有可调叶片, 内圈用辐板固定连接, 减速机通过法兰与辐板连接, 减速机两旁装有固定杆, 上部安装驱动电机。
1.驱动电机2.减速机3.辐板4.浮体叶轮5.固定杆6.可调叶片
1.2 控制原理
运行时接通电机电源, 减速机带动浮体和可调叶片旋转, 可调叶片下底板部分进行耕水, 上叶片进行涌浪、增氧。
1.3 装置特点
(1) 该装置结构简单, 成本低廉, 浮体叶轮、可调叶片、辐板均为塑料一次成型制品, 具有耐腐蚀、高强度、重量轻、美观等优点。
(2) 浮体叶轮作为动力装置的承载体, 同时也作为叶轮使用, 周围安装有可调叶片, 通过调节可调叶片的角度可以改变叶轮的工作直径, 满足不同功率增氧机的使用要求。
(3) 可调叶片分为上叶片和下底板 (见图2) , 与浮体中心成一定倾角, 开孔的上叶片工作时进行涌浪、增氧, 下底板进行耕水。
2 试验分析
试验地点分别在江苏省农业机械试验鉴定站和淮安市金湖县高邮湖养殖场。
2.1 浮体叶轮式增氧机技术参数 (见表1)
2.2 试验结果
(1) 浮体叶轮式增氧机增氧、耕水、涌浪、提水能力均达到水产行业标准 (SC/T 6010—2001) 。
(2) 浮体叶轮式增氧机拆装方便, 结构可靠, 性能稳定。
3 结束语
浮体叶轮式增氧机有效解决了传统叶轮增氧设备不但体积大、运输不便, 而且功率为固定值、调整范围小的问题, 是可靠的渔业养殖增氧设备。
摘要：针对传统叶轮增氧机存在的问题, 设计了浮体叶轮式增养机。试验表明, 该机拆装方便, 结构可靠, 性能稳定。
增氧系统设计 篇3
1 场地选择
试验在杭州周宏蜂业有限公司下沙养殖基地内进行, 养殖模式为高密度中华鳖、南美白对虾池塘混养, 试验面积45.8×667 m2, 13个池, 分别设试验组8个池, 面积28.64×667 m2, 对照组5个池, 面积17.15×667 m2。单池面积一致, 详见各池面积和产量情况表 (表1) , 池深2.5 m。试验组设置微孔曝气底增氧系统, 其他养殖条件与对照相组一致。
2 微孔曝气底增氧系统设置
试验选用罗茨风机作为氧源, 采用短条、三级、多点式微孔增氧布置:即风机—主管 (UPVC管、管径DN50) —支管及固于其上的接头—微孔曝气管。支管间距6 m, 平行均匀分布, 用聚乙烯绳固定在高于池底约20 cm的池塘底部, 基本在同一水平面上。支管每隔2.0 m有一固定的接头, 连接15 cm长的微孔曝气管 (橡塑材料14 mm×10 mm) 。
同时, 试验组、对照组每池配备3台传统增氧机, 即每池对角两端各设1台0.75 k W的水车式增氧机, 每池中间设一台3.0 k W的叶轮式增氧机。其中试验组与底微孔曝气底增氧系统组成立体增氧系统, 可进行全水体增氧。
3 放养
试验组与对照组各池经生石灰彻底清塘后, 注水, 养殖用水符合NY 5051的规定。5月3日放养规格1 cm左右的南美白对虾淡化虾苗7万尾/667m2, 肥水下塘, 放苗时, 虾池水深50~60 cm。5月28日放养规格0.4 kg/只的台湾品系中华鳖种1 000只/667 m2。以后, 随虾体长大、水温升高, 逐渐加深水位至1.8 m。
4 增氧设施操作方法
4.1 试验组
5月, 养殖前期, 由于虾的个体较小, 投饲量也相对较少, 池塘生物耗氧和化学耗氧都处于相对较低的水平, 每日12:00-14:00增氧1~2 h。
6月, 虾苗放养30 d后, 投饲量随着气温升高和个体增长而增加, 池塘生物耗氧和化学耗氧量的急剧增加。每日12:00-14:00增氧2 h、每日23:00左右, 开启底增氧至日出。阴雨天, 12:00-14:00, 加开1台水车式增氧机1~2 h。
7月以后, 虾苗放养60 d起, 底增氧设施昼夜持续开启;每日12:00-14:00加开1台水车式增氧机2 h。
4.2 对照组
5月, 晴好天气, 每日11:00-13:00时, 开1台水车式增氧机2 h。阴雨天, 2台水车式、1台叶轮式增氧机同时开3 h。
6月, 晴好天气, 每日11:00-13:00时, 开1台水车式增氧机2 h, 23:00后2台水车式增氧机轮流开至日出。阴雨天, 有浮头症状的池, 2台水车式与1台叶轮式同时开至浮头症状缓解。
7月以后, 晴好天气, 每日11:00-13:00, 开1台水车式增氧机2 h, 23:00后2台水车式增氧机同时开或与叶轮式增氧机轮流开至日出。阴雨天, 有浮头症状的池塘, 2台水车式与1台叶轮式同时开至浮头症状缓解。
5 起捕
7月20日-10月初, 各池南美白对虾用地笼进行捕捞, 捕大留小, 每池放6条地笼, 沿着增氧管方向放置, 每次起捕时间各池一致, 至基本捕完。甲鱼因市场行情不好未起捕。
6 日常管理
分别按DB33/T 399.2无公害南美白对虾养殖技术规范和DB33/T332.2无公害中华鳖池塘养殖技术规范进行日常管理。
虾苗放后, 投喂南美白对虾专用饲料粉状料, 投饵量为每万尾虾苗每次投5~10 g, 每天投喂2~4次, 5 d后投喂“0#”料或幼虾“1#”饲料, 随着虾苗的增长, 投饲量逐渐加大, 并调整每天投喂次数。甲鱼放养后, 每天分别投喂白对虾配合饲料和甲鱼配合饲料。
投饲时间:5-6月, 每日8:00、16:00各投1次虾料;7-9月, 每日7:00、12:00、16:00各投1次虾料。甲鱼饲料均为每日8:00、16:00各投喂1次。投饲量根据当日的天气、水质、虾 (鳖) 的健康、蜕壳和残饵等情况及时调整, 以30~50 min吃完为宜。高温、旺食时节, 适当控制投饲量, 减少浪费, 避免过度摄食。
水质调节:每隔15~20 d用生石灰或溴氯制剂消毒1次, 交替使用。3 d后用光合细菌或EM菌等微生物制剂调水。
平时注意巡塘和观察, 做好养殖日志等记录。
7 结果
在试验期间, 试验组无虾病发生, 平均产量达到428.5 kg/667 m2以上, 产值10 625元/667 m2, 净利润5 125元/667 m2。对照组发生虾病, 产量为100~150 kg/667 m2, 平均产量124 kg/667 m2。试验组、对照组, 甲鱼的生长情况均较好, 从生产记录看, 仅有少量因相互撕咬致死, 试验组与对照组的甲鱼成活率基本一致, 体重均在0.75 kg左右。具体情况见表1。
8 分析讨论
微孔曝气底增氧系统与传统的机械池表增氧相比, 有以下几方面明确显的优点。
8.1 省电、节能、环保
从生产实际看, 试验组各池所配置的3台增氧机使用率不高, 只需配置1台0.75 k W的水车式增氧机即可。选用的底增氧系统每667 m2投资425元, 每30×667 m2配置3.0 k W罗茨风机1台, 传统增氧机按试验场每3.83×667 m2配置2台0.75 k W的水车式增氧机, 1台3.0 k W的叶轮式增氧机, 3台成本3 730元计, 每667 m2需投资974元。因此, 使用微孔曝气底增氧系统基础投入低。
试验组8个池全年总计用电12 223.2 k W·h, 平均每667 m2全年用电量为426.8 k W·h, 电费按1.12元/k W·h, 即底增氧电费为478元/667 m2;对照组5个塘全年总计用电11 455.7 k W·h, 平均每667 m2全年用电量为668 k W·h, 传统增氧机用电成本为748元/667 m2。试验组相对于对照组每年可节约用电成本270元/667 m2。使用微孔曝气底增氧系统省电、节能效果好。
8.2 防病、增产
微孔曝气底增氧可有效增加池塘底部的溶氧水平, 从而有效地促进底部有毒有害物质的氧化分解, 改善底部环境, 同时也促进了池塘水质的改善, 为南美白对虾及甲鱼提供了一个良好的生长环境。试验从放养密度看, 无论是哪个品种都与目前单养的放养水平相似。在高密度情况下, 试验组池塘养殖的南美白对虾生长良好, 整个养殖过程中均未发现有死虾现象, 获得428.5 kg/667 m2的产量;而对照组, 即未安装有底增氧设备的池塘均出现了病害, 产量仅124 kg/667 m2。虽然对照组虾发病的原因还有待于进一步研究, 但综合两者苗种来源、放养时间、放养密度和其他日常管理措施都相同的情况下, 很大程度上说明底增氧系统对于减少南美白对虾的病害, 降低养殖风险意义重大。
8.3 鳖虾混养模式好
结合底增氧技术的鳖虾混养模式, 是一种很好的混养模式。甲鱼主要生活于池塘底层, 虾生活在水体的中下层, 鳖虾混养有效地利用了池塘的垂直空间。甲鱼潜泥的习性, 使池底淤泥处于经常搅动中, 有利于底泥中有害物质的释放和挥发, 底增氧设备为池底部提供充足的溶氧, 加速了池塘底部有害物质的氧化分解。同时, 甲鱼可以摄食不灵活或刚死的的病虾。对照组甲鱼通过吃食病虾, 养殖后期几乎不投喂甲鱼饲料, 死虾充当了优质生物饵料, 某种程度上抵消了虾病所带来的损失, 可以说是减少了虾病所造成的损失。
微孔曝气底增氧技术应用取得了良好的社会、经济和生态效益。符合当今节能、环保、健康的社会理念, 具有较大的推广价值。
8.4 存在问题
增氧系统设计 篇4
池塘移动式太阳能增氧机在推广过程中取得了良好的效果,但也发现了一些诸如在长时间运行时存在水面行走机构换向不灵敏、维修不方便、钢丝绳磨损严重等问题。为了进一步提高移动式太阳能增氧机的可靠性和经济性,对行走机构和控制系统进行了改进,采用非接触式换向和陶瓷套管的方法,减小钢丝绳的摩擦损耗;对光敏传感器进行优化,以简化控制系统。本文对原池塘移动式太阳能增氧机(以下简称原型机)的水面行走机构和控制系统进行了改进及试验。
1 行走机构的改进
1.1 改进前后的结构
原型机的水面行走机构包括机构舱、导电滑环、直流小电机、牵引轮、牵引轮罩壳、导向机构、限位块组件等,安装在动力组件的支架上(图1)。
然后将牵引绳绕在牵引轮上,通过连杆,并在牵引绳上固定2个限位块。最后将牵引绳固定在池塘两侧。当导向机构碰到限位块时,内部弹簧受挤压,连杆内部磁铁碰到PVC板上的片式磁性接近开关,则直流小电机可实现换向功能[8]。但这种挤压式换向结构,在长期运行过程中出现换向不灵敏的现象,而且钢丝绳的损耗较大。
改进后的结构如图2所示,主要的改进内容为:(1)取消原来的导向机构,实现了非接触式换向,由牵引绳两端各固定一个永磁铁,在距离磁性接近开关4~5 cm时小电机就可以实现换向功能。此换向可减少摩擦损耗,而且灵活性、稳定性较高;(2)牵引轮由水平改为竖直,少了导杆限位组件,导杆中间有2个是陶瓷套管,这样就减少了牵引绳的磨损,在移动过程中更加灵活,而且还能使换向更加容易,损耗达到最小;(3)原型机的直流电机放在机构舱内部,改进后将电机放在了罩壳内部,使内部结构更加简单、接线方便、节省空间。
1.2 控制系统
原型机的控制系统如图3所示。
采用遥控方法,可以自动控制运行。系统由控制电路板、升压模块、降压模块、无线接收模块、电压调速模块组成,当光照强度达到17 000 Lx时,控制器开始检测电压是否达到可运行的工作电压,如果达到则增氧机电机启动,延迟10 s后小电机运行,并且可以实现自动换向;如果没有达到工作电压则停止工作。虽然这些功能可遥控实现,操作方便,但系统设计复杂,需要36 V、24 V、5 V三组电源,并且程序编写复杂,维修不方便。
改进后的控制系统采用光控和遥控[9],主要由光控模块、时间继电器模块、小型继电器、遥控模块组成。当光照强度达到17 000 Lx时,光控传感器满足条件,设备启动和运行,然后通过遥控模块WCM,可在45 m距离开启或关闭设备,控制变得更加高效。改进后的控制系统更加简化,可实现全部功能,并且程序编写简单、维修方便。控制系统原理如图4所示。
控制过程:在池塘试验时,液位开关SB1自动闭合,遥控模块打开,光照强度达到要求时,光敏传感器KM1导通,导通后通过时间延迟继电器KT延迟,增氧机电机M1的运行通过分压模块来控制,选择分压电阻R2为8.2 kΩ和R3为2 kΩ,得到控制电压为0~5 V,同时换向电机M2启动,行走机构开始运行,当磁铁碰到常开接近开关TCK2时,KM2继电器闭合,其常开触点打开,常闭触点闭合,行走机构换向,实现来回行走的功能。当光照强度和电压不能满足要求时,液位开关打开,遥控关断,设备停止运行。其控制流程如图5所示。用Solidworks软件设计的改进后的系统结构如图6所示。
2 试验结果
2.1 行走机构
行走机构可实现来回往复行走,移动作业面大,覆盖范围广。为了验证行走机构的可靠性,在池塘试验前先进行实验室模拟运行试验。给行走机构24 V直流电进行试验,小电机转动,5 min后用永磁铁靠近导杆的一端,在4 cm左右处,小电机反转,再将永磁铁靠近导杆另一端,小电机正转。由此证明,永磁铁可以作为一个换向信号,并且换向动作灵敏。在池塘试验过程中,选择行走机构的行程距离分别为2 m和3 m,对比原先的行走机构数据[8],每天运行5 h,分别记录带负载时的单程运行时间、累积次数、平均速度,结果见表1。
从表1可以看出,改进后的行走机构在负载情况下,单程运行时间要比原型的短,运行速度更快,累积次数更多,这主要是因为行走机构由原来的挤压式换向改为非接触式换向,挤压式换向摩擦系数大,而且会出现不灵敏现象。
2.2 光敏传感器优化
光敏传感器[10]是控制系统的关键设备。一般的光敏传感器太过敏感,在有光照的情况下就能启动,而且必须在光线很暗的情况下才会停止运行,不满足试验需要,因此有必要对光敏传感器进行优化处理。记录试验过程中不同时间点、不同光照度下的阻值及电路导通状态(表2)。
从表2可以看出,光敏传感器阻值在任何时间段和光照度下,控制电路都能保持在一个接通状态,不能满足要求。而优化后的光敏传感器在光照度达到17 000 Lx、10:00—16:00时间段内导通(10:00和16:00,光照度<17 000 Lx),且阻值≤4.2 kΩ(中间阻值<4.2 kΩ)。当在8:00和18:00时,光照度不足,并且这时的光敏传感器阻值大于4.2 kΩ,不足以达到导通的要求,控制电路关断。
2.3 增氧机性能
在同一池塘、同一时间段、同一光照度下,检测改进后和原型机的性能,分别记录叶轮转速、输入电压及电流、水波波长等参数(表3)。由表3可知,在输入电压为24 V时,原型机的转速为35 r/min,波长1.82 m,改进后的转速为34 r/min,波长1.80 m,两者相差不大。但当光照强度不是很高、输入电压为12 V时,原型机的转速比改进后的要快3圈,但改进后的可满足20 r/min的最低转速要求。由输入电压和电流可得到,当输入电压为24 V时,得到控制电压为:
原输入功率为480 W,改进后的为444 W,优化有效果。
3 讨论与分析
3.1 行走机构
原型机采用挤压式,触碰磁性开关实现换向,有时挤压过度导致不能换向,行程2 m时的运行时间为68.9 s。而改进后使用了陶瓷套管和非接触式换向,减小了钢丝绳的摩擦阻力,磨损明显降低,换向灵敏准确,行程2 m时的运行时间为65.5 s。改进后将小电机放在了保护罩内部,使得结构更加简单,接线更方便。
3.2 控制系统
原型机的控制机构虽然设计合理,但模块较多,维修不方便,改进后实现了最大化精简,通过多次试验和设计优化,保留了原有的控制技术要求,设备安装和维修也得到了简化。同时,在高电压和低电压的情况下,虽然改进后的转速比原型机的慢1~3圈,但转速能满足20 r/min的最低实际应用要求。改进后增氧机控制系统的材料成本(350元)和人工费(500元)只有原型机的一半,实现了设计预期。因此,控制系统设计合理。
4 结论
太阳能增氧机利用太阳能作为能源,运行范围大、运行时间长,一天能够运行6 h左右,符合低碳环保的设计理念。测试结果显示,改进后的结构组成更加简单、接线更方便;用陶瓷套管和非接触换向降低了牵引绳的磨损;控制系统结构简化、元器件简单、维修方便、性价比高;在行走相同距离时,改进后的水面行走机构运行时间短,行走次数多;最低转速达到21 r/min,可满足实际需要。改进后的移动式太阳能增氧机提高了使用效率,降低开发成本。
参考文献
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三种增氧机增氧性能研究 篇5
近几年, 受国际海洋专属经济区的划分和我国与周边国家双边渔业协定的签定生效等因数的影响, 以及自然水产资源的衰退、水污染情况的加剧, 我国的渔业经济及结构面临着严峻局面。大力发展水产养殖业将是我国渔业经济及结构调整的重点, 也是我国农业经济结构调整、有效解决“三农”问题部署中的一个重要环节。发展水产养殖业, 能增加的水产养殖面积是非常有限的, 因此, 推广高密度机械化养殖技术对于发展水产养殖业显得尤为重要。在水产养殖机械化设备中, 鱼塘增氧设备是其中的关键设备。鱼塘增氧设备种类较多, 有叶轮式增氧机、水车式增氧机、射流式增氧机和微孔曝气增氧设备。本研究旨在研究叶轮式增氧机、水车式增氧机和微孔曝气增氧设备的增氧性能, 通过比较它们在标准水池的增氧能力和动力效率差异以及在养殖水池对改变水质的影响差异, 从而为用户选购与应用、政府的推广与购置补贴、企业优化设计提供科学依据。
1 比对试验的内容和方法
本次比对试验的样机在市场上随机抽取, 功率均为1.5 k W。试验分2个部分进行:一是在标准水池, 按照国家水产行业标准SC/T 6009—1999《增氧机增氧能力试验方法》进行测试3种增氧机的增氧能力和动力效率。二是在养殖池塘现场, 测试溶解氧均匀度和水温均匀度的变化, 测量方法按1 d测量2次进行, 分别在早上6-9点和下午2-4时各测量一次, 作业时间为3 h。试验样机安置于试验水池中, 具体情况根据池塘面积、形状、机型而定。在池中设测量点12个:上下层对应各6个, 其中4个分别设在试验水池对角线上, 各点位置为 (L/3, W/4) (L为池塘长度, 单位m;W为池塘宽度, 单位m。) ;中间位置两边各1个点, 各点位置为 (L/2, W/4) ;上层测试点距水面以下10 cm, 下层测试点距水面以下100 cm。开机前测量各点的溶解氧含量和水温, 开机3 h后测量各点的溶解氧含量和水温[1]。
溶解氧 (水温) 均匀度是指在一定条件下, 水体中溶解氧含量/水温分布的均匀程度, 单位为%。计算公式为:
式中S0为溶解氧 (水温) 标准差;n为测量点数量;xi为各测量点水温 (溶解氧含量) , ℃ (mg/L) ;为n个测量点水温 (溶解氧含量) 的平均值, ℃ (mg/L) 。
溶解氧 (水温) 均匀度提升比例是指试验后水体中溶解氧 (水温) 均匀度减去试验前溶解氧 (水温) 的均匀度, 除以试验前水体中溶解氧 (水温) 的均匀度所占比例, 单位为%。计算公式为:
式中VM0为溶解氧 (水温) 均匀度提升率, %;MOQ为养殖池试验前溶解氧 (水温) 均匀度, %;MOH为养殖池试验后溶解氧 (水温) 均匀度, %。
2 比对试验的要求
标准水池用亚硫酸钠作试验用水消氧, 以氯化钴作试验用水消氧催化剂[2];养殖池试验直接按正常养殖进行测试。测量设备仪器及测量精度见表1。
3 增氧设备比对试验的结果和分析
3.1 在标准水池试验的结果和分析
比对试验在广东省农业机械试验站的增氧机试验室进行, 试验标准水池的容积为63 m3, 试验数据见表2。
从表2的计算数据可以看出, 曝气式增氧机增氧能力和动力效率最好, 增氧能力比水车的高55.1%, 动力效率比水车的高出64.0%。增氧能力和动力效率从高到低依次是曝气式、叶轮式和水车式。
3.2 在养殖水池试验的结果分析
试验地点是中山坦洲港丰养殖基地, 试验养殖水池的长 (L) 为135 m, 宽 (W) 为47 m, 水池养殖的是四大家鱼, 所有的试验是在同一个养殖池塘进行的。根据该养殖池塘的面积, 配备3台1.5 k W增氧机就可以满足增氧的要求。按照用户使用习惯, 把3台1.5 k W的叶轮式增氧机放置在鱼塘中心线位置, 具体位置为 (L/4, W/2) 、 (2L/4, W/2) 、 (3L/4, W/2) , 均匀地分布排列在养殖池塘;3台1.5 k W的水车式增氧机, 1台放在池塘中心位置, 2台放在池塘对角线的两边 (占对角线四分之一处) ;3台1.5 k W曝气增氧机, 曝气管均匀的分布排列在整个池塘。溶解氧均匀度试验结果见表3, 水温均匀度试验结果见表4。
从表3和表4看出, 水车增氧机对养殖池溶解氧的均匀度提升最快, 最高的达到46.43%, 主要是水车增氧机可以在养殖池塘中形成对流, 使整个池塘的水循环运行流动;曝气增氧设备对养殖池溶解氧的均匀度提升第二, 最高的达到29.46%, 可能是因为曝气增氧机的曝气管分布比较多而且均匀, 并且增氧是靠气泡产生的, 多数量气泡地扩散使溶解氧溶度较快均匀分布;叶轮增氧机对养殖池溶解氧的均匀度提升最差, 最高的只达到19.67%, 主要原因是叶轮式的增氧是在一定范围内形成圆形的对流状态, 而且深度不能过深, 过深较难带动叶轮, 从而降低增氧能力, 同时, 池塘中不同的叶轮形成的对流圈波形会消耗部分能量。
所有增氧设备对水温均匀度的改变都不是很明显, 相对而言曝气增氧机的效果好一些。
总体而言, 对池塘溶解氧均匀度最好的是水车式增氧机, 其次是曝气增氧机。
4 结束语
研究试验表明, 曝气式增氧机增氧能力和动力效率最好, 增氧能力比水车的高55.1%, 动力效率比水车的高出64.0%。增氧能力和动力效率从高到低依次是曝气式、叶轮式和水车式。水车增氧机对养殖池溶解氧的均匀度提升最快, 最高的达到46.43%, 曝气增氧设备对养殖池溶解氧的均匀度提升最高的达到29.46%;对养殖池水温均匀度提升, 三种增氧机都不是很明显。
虽然不同增氧设备在增氧能力、动力效率和溶解氧均匀度存在差异, 但是不同类型的增氧设备在不同的环境条件有不同的用途。叶轮式增氧机可以快速地带动以其为中心的一定范围辐射面的水流循环和增氧;水车式增氧机可以送料, 可以形成整个池塘循环, 也可以带动深水区的死水循环;微孔曝气式增氧机在水中的噪声很低, 适合喜静的养殖产品;所以在使用增氧设备进行增氧时, 根据养殖环境条件和养殖的产品类型, 进行科学地配合配置增氧设备。
参考文献
[1]宋瑜清, 姚运仕, 蒋姣丽, 等.增氧机在养殖池试验的试验方法研究[J].现代农业装备, 2012 (9) .
增氧系统设计 篇6
在工厂化鱼类养殖过程中,一般采用罗茨鼓风机或液氧罐来提供氧气,其终端大多采用气石向水体输送氧气。虽然气石散气性好,但随着气石目数和通气量的改变将会影响水体增氧效果,而这一点往往被养殖者所忽视。为了解不同增氧终端结构对养殖水体增氧效果,笔者比较分析了在一定气量下不同增氧终端结构、一定增氧终端结构下不同气量以及普通气石和纳米气石的增氧效果,以期为节能增效、指导生产实践提供理论依据。
1 试验材料与方法
1.1 试验仪器及材料
试验在烟台开发区天源水产有限公司鱼类工厂化养殖场进行,水源为地下海水,水质清洁。
空气泵:国产KTM-100型,工作电压220 V,功率100 W,压力0.017 MPa,风量100 L/min。为方便控制其气量,气泵终端为多孔设置。
气量计:LZB-4型玻璃转子流量计(余姚市银环流量仪表有限公司),量程0.016～0.16 m3/h,精度±4%。
气石:烟台砂轮厂生产,沙石材料制造,规格为60目、80目、100目柱状气石,接口为4～6 mm。
纳米气石:山西太原畅鑫通水族设备有限公司生产,纯氧增氧工作压力0.1～0.3 MPa,氧气流量2～20 L/h,气孔直径2 μm。所需纯氧直接由液氧罐和氧气管道输送。
试验水槽:高1.2 m,容量为1.5 m3的玻璃钢桶。
水质监测仪:美国产YSI556MPS型,可同时检测溶解氧、盐度、温度、pH等多个水质参数。其中溶解氧量程0～50 mg/L,盐度量程0～70,温度量程-5℃～+45 ℃,pH量程0～14[6,7,8]。
1.2 试验方法
1.2.1 一定气量不同增氧气石终端的增氧效果
将等量天然海水分别注入10个大小相同,容量为1.5 t的玻璃钢水桶中,编号为1,2,3……10。其中1号为空白,2～4号为60目柱状气石,5～7号为80目柱状气石,8～10号为100目柱状气石。静置1 h后,测定各桶内的初始水温、溶解氧、盐度和pH值,分别为15.86 ℃、3.84 mg/L、34.26和7.57;在2～10号桶中放入已经连接好的上述对应气石,1号为空白,不充气。放置完毕后,打开电源,通过空气泵充入空气,调节气量计,使9个桶内通入的气量均为30 L/h。当持续充气至20 min、40 min和60 min3个时段时,停止通气,测定并记录各桶的溶解氧数值。
1.2.2 一定增氧终端结构不同气量的增氧效果
重复上述操作,依次测定并记录桶内水体通气量为60 L/h、90 L/h、120 L/h、150 L/h分别在20 min、40 min和60 min时的DO值。
1.2.3 纳米气石的增氧效果
纳米气石增氧效果的测定是直接应用液氧管道来测量,氧气压力通过控制阀来调节,不同压力值对应的氧气流量不同。由于液氧管道分流原因,试验的O2流量最高只达到18 L/h。将等量天然海水注入与上述相同的4个玻璃钢水桶中,水桶编号为1,2,3,4。其中1号桶为空白,2～4号桶为平行试验,均采用纳米气石。静置1 h后,测定各桶内的初始水温、溶解氧、盐度和pH值。测完初始值后,在2～4号桶中放入已经连接好的纳米气石;然后通入纯氧(均为3 L/h)。分别在通入纯氧20 min、40 min、60 min时,停止充氧,测定并记录溶解氧值。
重复上述操作,分别测定通纯氧量为6 L/h、9 L/h、12 L/h、15 L/h、18 L/h条件下桶中水体溶解氧值。
1.3 试验结果表述
氧利用效率Ea:通过鼓风曝气转移到水中的氧量占总供氧量的百分比。
Ea=(R/S)×100% 公式(1)[9]
公式(1)中R—增氧量,kg/h;S—供氧量,kg/h。
R=(Ct-C)V/t 公式(2)[9]
式中,Ct—充氧后溶解氧, mg/L;C—充氧前溶解氧, mg/L;V—水的体积;t—充氧时间。
S=G×0.21×1.43=0.3G 公式(3)
式中,G—供气量,m3/h;0.21—氧在空气中的百分比;1.43—氧的容重,kg/m3。
动力效率Ep:每消耗1 kWh电能转移到水中的氧量,以kgO2/kWh计。
Ep=Rt/Q 公式(4)
式中,R—增氧量;t—充气时间,h;Q—消耗的电能,kWh。
2 试验结果
2.1 普通气石增氧效果分析
2.1.1 一定气量不同增氧气石终端的增氧效果
根据测量数据结果显示,在同一气量下,空白组在未充气状态下1 h后,DO值从原始值3.84 mg/L仅升到3.86 mg/L,即说明通过空气接触自然溶解于水体的氧是微乎其微的。然而在安置不同增氧结构终端的水体,充气1 h后,随着充气时间的增加,溶解氧值都有不同程度的增加。而且表现出气石目数越高,溶解氧值越高的现象(表1)。
(1)充气量为30 L/h时,不同增氧终端结构的增氧效果
由表1显示,气石目数越高,溶解氧值越高。充气1 h后,安置60目、80目与100目气石水体的DO值依次升高,分别为3.96 mg/L、4.00 mg/L和4.01 mg/L。从氧利用率来看,60目气石氧利用率略低于80目和100目,但后两者氧利用率相差不大;从动力效率来看,60目气石明显低于80目和100目,100目略高于80目。综合对比,在此气量下,80目或100目气石增氧效果相差不是很大,增氧效果均好于60目气石。
(2)充气量为60 L/h时,不同增氧终端结构的增氧效果
由表1显示,情况和(1)类似,即气量一定时,气石目数越高,溶解氧值越高。从氧利用率及动力效率来看,60目明显低于80目和100目。
(3)气量为90 L/h、120 L/h时,不同增氧终端结构的增氧效果
此两种气量下,情况类似。60、80、100目气石使水体溶解氧均呈类线性增加,斜率相似,截距差成等差递增(图1)。100目气石的氧利用效率与动力效率最高。100目气石的增氧效果明显好于60目和80目气石。
(4)充气量为150 L/h时,不同增氧终端结构的增氧效果
由表1显示,随着目数增加,气石氧利用效率和动力效率越高,水体溶解氧呈上升的趋势,可见增氧终端对水体有不同程度的增氧作用。但是60目和80目相差不大,而100目气石增氧幅度明显高于前两者。可认为在此气量下,100目气石的增氧效果最为明显。
2.1.2 一定增氧终端结构不同气量的增氧效果
从图2、3、4不难看出,气量强度也是影响增氧效果的因素之一。一定增氧终端结构,随着充气量强度的增加,使水中溶解氧呈现上升趋势。使用普通气石,当充气量达到120 L/h时,各增氧终端使水体溶解氧均达到最高。当充气量达到150 L/h时,水体增氧速度减缓,甚至低于120 L/h的效果。试验中还发现,当气石为60目时,充气量90 L/h、120 L/h和150 L/h的增氧效果基本相似;而当气石为80、100目时,气量强度高的120 L/h和150 L/h组的增氧效果显著。就总体而言,气量强度在30～150 L/h范围内,100目的增氧效果高于60和80目(图1,2,3,4)。
2.2 纳米气石的增氧效果
如表2所示,纯氧充量越大,水体溶解氧越高,氧气流量也是影响增氧效果的重要因素之一。试验中当氧气流量达15 L/h,溶氧值达到6.4 mg/L。这一水中溶解氧已基本达到鱼类生长的需求。
3 讨论
天然水中溶解氧与大气压力、空气中氧的分压、水温、含盐量等因素密切相关[8]。但在水产养殖实践当中,上述因素都是自然条件而难以人为改变。关于气石目数、增氧终端通气量对养殖水体增氧效果的详细研究极少,养殖者也往往忽略了这一点。经过研究说明,调整气石目数或改变增氧终端通气量是增加水体溶解氧的重要措施,而且关系到与养殖成本和能源相关的两大指标即氧利用率和动力效率。
3.1 气石目数对增氧效果的影响
试验结果证实,同一气量下,气石目数越大,增氧效果越好,水体溶解氧随时间的增加成类线性增加。具体地说,在试验通气量30～150 L/h,100目的增氧效果高于60和80目。究其原因,是由于气石目数越多,其气孔越小,排出的气泡直径也就越小,而气泡直径越小,气泡的比表面积也就越大,氧气与水的接触面积也就越大,氧气溶解也就越充分,增氧速度就会快,从而增氧效果也就明显。
目前在国内应用的气石中,增氧效果最好的要数纳米纯氧增氧气石。据报道,新研制的纳米气石气孔细小只有2 μm,用来曝气、增氧效果非常好,使纯氧使用率达到90%,比采用曝气头直接在塘内加氧的利用率提高5倍以上[10]。因此,纳米气石的利用已成为当今水产行业的流行趋势,它的应用为促进人工高密度水产养殖的发展提供了帮助[11,12]。
3.2 通气量对增氧效果的影响
一定增氧终端结构,随着充气量强度的增加,使水中溶解氧呈现上升趋势。在试验当中,当充气量达到120 L/h时,增氧效果最好。但达到150 L/h时,水体增氧速度减缓,甚至低于120L/h的效果。由此说明通气量选择在适当范围内才有最佳的增氧效果。试验中还发现,气石为60目时,充气量90 L/h、120 L/h和150 L/h的增氧效果基本相似;而当气石为80、100目时,气量强度高的120 L/h和150 L/h组的增氧效果显著。说明气石目数与通气量高低搭配适宜才会有最佳的增氧效果。空气流量越大,单位时间内与水接触的氧气也就越多,增氧效果相对越明显。如果流量过大,气泡发生速度快,氧气与水的接触不够充分,不能使气体充分溶解,造成浪费而使增氧效果降低,氧利用率和动力效率也相对减低。
综上所述,一定气量下,不同增氧终端结构对水体的增氧效果不同。而在一定增氧终端结构下,不同充气量对水体增氧效果也不同。在生产实践中,为获得最佳增氧效果,需要将气石目数与通气量高低合理搭配。当通气量较低时,应选择目数较小的气石;而通气量较高时,需选择目数较大的气石。今后,应继续加强这方面的研究,特别是针对大型增氧设备,结合提高氧利用率和动力效率指标,探讨最佳的增氧技术方案。本次试验对纳米气石的研究不够全面,尚待深入研究和加强。开展这方面的研究,对节能增效、指导生产实践具有重要的现实意义。
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