Эффективность лопастных аэраторов

Длиннорукавные лопастные аэраторы азиатского типа широко применяются, но их конструктивный дизайн и производственные возможности далеки от идеала
Длиннорукавные лопастные аэраторы азиатского типа широко применяются, но их конструктивный дизайн и производственные возможности далеки от идеала

Механическая аэрация, несмотря на относительную дороговизну, увеличивает потенциал производства аквакультуры на единицу площади. Аэраторы оценивают в соответствии со стандартной эффективностью аэрации (SAE), отражающей количество перенесенного кислорода. Поскольку условия для испытания SAE редко встречаются в культуре, фактическая скорость переноса кислорода составляет от 40% до 60% значений SAE. Лопастные аэраторы азиатского типа широко применяются, но их конструктивный дизайн и производственные возможности ограничивают эффективность. Испытания показали, что существуют более эффективные конструкции, которые в настоящее время широкого используются в США в прудах для выращивания сомов и креветок.

Механические аэраторы все чаще используются в аквакультуре, потому что аэрация может значительно увеличить количество продукции, производимой на единицу площади или объем воды. Это, как правило, электрические устройства, но иногда используются небольшие дизельные двигатели.

Во время недавнего визита на ферму по выращиванию креветок в Таиланде автор увидел пруды, мощность устройств для аэрации которых составляла 36 – 36 л.с./га (18-20 кВт/га). Эти устройства часто эксплуатируются около 20 часов в день на протяжении 60 — 100 дней на 1 цикл выращивания. Аэраторы на ферме мощностью 24 л.с./га и стодневным циклом выращивания потребляют около 36000 кВт/ч электроэнергии.

Для успешного производства креветок массой от 14 до 18 гр. количество выращиваемых креветок должно составлять 7000-9000 кг/га. Стоимость электричества в Таиланде  составляет около 10 центов США за кВт/ч. Таким образом, только стоимость электричества для доставки кислорода составляет от 41 до 53 центов на кг креветок. Затраты на аэрацию при выращивании рыбы, как правило, ниже, чем креветок, но по-прежнему представляют собой основные производственные расходы.

Эффективность оксигенации

Несмотря на высокую стоимость механической аэрации, почему-то больше не принимались попытки повысить эффективность доставки кислорода механическими аэраторами, а также определить, как более эффективно использовать эти устройства в прудах. Существует сравнительно простая процедура испытания аэраторов по эффективности переноса кислорода.

Из воды в большом резервуаре с помощью сульфита натрия и небольшого количества хлорида кобальта, катализирующего реакцию сульфида с кислородом, выводится свободный кислород. Испытуемое устройство используют для повторного насыщения воды кислородом. Концентрация растворенного кислорода в резервуаре измеряется через короткие промежутки времени, в то время пока она увеличивается от 0 мг/л до 70 или 80% насыщения. Для оценки коэффициента переноса кислорода используется математический метод, наклон линии реаэрации на диаграмме.

Стандартная эффективность аэрации

Объем резервуара, температура воды, коэффициент переноса кислорода и потребляемая мощность аэратора во время части испытания, используемой для оценки коэффициента переноса кислорода, позволяют рассчитать стандартную эффективность аэрации (SAE) устройства. SAE является выражением количества кислорода, который аэратор перенесет при температуре 20° С в чистую пресную воду, содержащую 0 мг/л растворенного кислорода. SAE может быть выражена в любой из следующих единиц: фунт кислорода (O2)/л.с./час, фунт O2/кВт/час, кг O2/л.с./час или кг O2/кВт/час. Диапазон SAE для аэраторов варьирует от 0,5 до 2,0 O2/кВт/час.

SAE аналогична определениям расхода топлива у автомобилей. Такие оценки проводятся в лабораторных условиях максимально стандартизированным методом, но легковые автомобили эксплуатируются в самых различных режимах. Никто не ожидает, что автомобиль на самом деле будет расходовать столько же топлива, как при стандартном испытании. Тем не менее, автомобиль с меньшим показателем расхода будет потреблять меньше топлива, чем автомобиль с более высоким показателем расхода топлива, в случае если ими управляет один и тот же водитель в одинаковых дорожных условиях.

В системе аквакультуры не встретить таких условий, которые существуют в тесте SAE. Вода не будет чистой, температура, скорее всего, не будет 20°С , и, безусловно, будет присутствовать растворенный кислород. Тем не менее, SAE особенно ценна для сравнения производительности механических аэраторов. При одинаковых условиях устройство с более высокой SAE перенесет в воду больше кислорода, чем устройство с более низким показателем SAE.

Сравнение доступно для оценки скорости переноса кислорода аэраторами в реальных условиях, если известна SAE. В большинстве систем культуры фактическая скорость переноса кислорода составляет от 40 до 60% от SAE (Табл. 1).

Таблица 1. Факторы для оценки действительной эффективности аэрации (AAE) от стандартной эффективности аэрации (SAE) в пресной воде при 28°C. AAE = SAE x фактор

Концентрация растворенного кислорода, мг/лФактор
00.95
1.00.87
2.00.74
3.00.62
4.00.49
5.00.36
6.00.23
7.00.10
7.80

Вычисление SAE

В конце 1980-х годов, в О́бернском университете началась разработка эффективного аэратора в прудах с канальным сомом. Испытали несколько типов находящихся в продаже аэраторов, и лопастной аэратор показал наибольший потенциал для улучшения.

Разработали устройство, позволившее испытать различные формы лопастей, диаметры лопастного колеса, количество лопастей в ряду вокруг втулки, скорости вращения лопастей, глубину погружения лопасти, положение лопасти на втулке и потребляемую мощность для каждой комбинации. Полученные данные использовались для вычисления SAE и определения эффективной конструкции лопастного колеса, показанной на рисунке 1.

Оптимальные условия работы, установленные в испытаниях, варьировали в зависимости от размера аэратора, но лопастное колесо мощностью 10 л.с., показанное на рисунке 1, стало стандартом для сомовых ферм. Это лопастное колесо обычно работает со скоростью 80-90 об/мин, лопасть погружается на 8-12 см.

SAE лопастного аэратора, как правило, около 2 кг O2/кВт/час, сообщалось даже о более высоких значениях.

Меньшие лопастные колеса, созданные на базе данной конструкции, также имеют аналогичные SAE.

Затраты, вопросы проектирования

Лопастные устройства, имеющие конструкцию, изображенную на рисунке 1, широко используются в Соединенных Штатах в прудах с сомами и креветками. Однако, видимо из-за более высокой начальной стоимости, этот тип аэратора применяется не настолько повсеместно, как азиатские лопастные модели в других странах.

Рисунок 1. Лопастная конструкция высокой эффективности, полученная в ходе скурпулезных испытаний в Обернском университете. Она имеет несколько рядов лопастей, расположенных в шахматном порядке. Активно используется в прудах США
Рисунок 1. Лопастная конструкция высокой эффективности, полученная в ходе скурпулезных испытаний в Обернском университете. Она имеет несколько рядов лопастей, расположенных в шахматном порядке. Активно используется в прудах США

Испытания показали, что эти типичные лопастные колеса имеют более низкие показатели SAE – обычно не более 1 кг O2/кВт/час. Основные причины более низких SAE связаны с конструкцией лопастей и лопастных колес.

Лопасти имеют множество отверстий. Эти отверстия уменьшают количество воды, разбрызгиваемой в воздух, чтобы повлиять на оксигенацию, и вода, проходящая через отверстия, увеличивает потерю на трение, что также снижает эффективность переноса кислорода. Как правило, у аэратора в каждом ряду имеется 6 или 8 лопастей. Испытания показали, что четыре лопасти в ряду более эффективны.

Другой проблемой устройств с большим количеством лопастей, используемых в креветочных прудах в Азии, является то, что мощность электрического или дизельного двигателя, используемого для работы, зачастую не совсем соответствует нагрузке, передаваемой лопастным колесом. Несоответствие силовых агрегатов и лопастных колес особенно очевидно для аэраторов с длинными лопастями, используемых в Таиланде.

Поскольку аэрация является одним из основных расходов в аквакультуре, существует стимул для повышения эффективности этого процесса и сокращения расходов. Важно также отметить, что, как правило, дизельные аэраторы являются более затратными, нежели электрические. Для обеспечения мощности вала аэратора 1 кВт/ч  с помощью маленького дизельного двигателя с обычным механическим КПД 0,3, потребуется расход энергии в размере около 12 МДж/ч. Это около 0,335 л. дизельного топлива в час. При стоимости топлива 0,97 долларов США за литр, такое количество топлива будет стоить около $0,32. Один киловатт-час электричества обычно стоит от $0,10 до $0,15.

Перспективы

Значительного увеличения эффективности переноса кислорода можно достичь путем модификации конструкций азиатских лопастных аэраторов благодаря применению конструкций лопастей и лопастных колес, которые уже доказали свою эффективность во время испытаний. Там, где это возможно, дизельные аэраторы должны быть постепенно заменены электрическими.

Часто аэрация применяется в объемах, недостаточных для предотвращения снижения уровня растворенного кислорода и соответственно стресса разводимых культур в ночное время. Наоборот, в дневное время может проводиться чрезмерная аэрация, когда концентрации растворенного кислорода являются достаточными. Таким образом, следует посвятить больше усилий разработке более эффективных оперативных стратегий для аэраторов.

В дополнение к снижению расходов на перенос кислорода на единицу продукции аквакультуры, более эффективная аэрация сократит потребление энергии, использование ресурсов и негативные экологические последствия, связанные с использованием энергии для этого процесса. Кроме того, те, кто участвуют в экологической сертификации аквакультуры, должны рассмотреть вопрос о включении эффективности аэрации в стандарты для этих программ.

——

Claude E. Boyd, Ph.D. Efficiency Of Mechanical Aeration, Global Aquaculture Advocate, 2015

Раздел: Аквакультура, Водоподготовка
Метки:
Похожие статьи:

Эффективность первичной инокуляции в биофильтр

Еще раз к вопросу о кормах и качестве воды

Реакция постоянных читателей:

Заметил ошибку, тык*:

 Orphus

Комментарии Вконтакте:

Добавить комментарий

Войти с помощью: 

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *