永磁叶轮增氧机增氧性能试验与分析

钟 伟，顾海涛

（中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所，上海 200092）

0 引言

随着我国水产养殖逐渐向高密度、高产量的集约、工厂化发展，溶氧已成为影响水产养殖产量的重要因素之一［1-2］。随着养殖要求向“高产、优质、高效、生态、安全”发展，精细化、集约化养殖成为水产养殖关注的重点[3]。为了提高养殖的产量和成活率，就必须增加水体中的溶解氧，而采用增氧机增氧是改善鱼池水质最为普遍、最有效的措施 。增氧机常用分类为：叶轮式、水车式、喷水式等。研究表明叶轮式增氧机的增氧效果比其它形式的增氧机要好。影响叶轮增氧机增氧能力的主要因素包括水体的温度、叶轮大小、叶轮沉没深度、锥角、材质等，同时加工质量、电机质量甚至整机重量也会影响增氧机的增氧能力。而影响增氧机动力效率的主要因素是电机质量和匹配的功率，同时叶轮沉没深度也有很大的影响[4]。近年来,在检测中发现，叶轮增氧机开始往智能、轻量化方向发展，配套电机开始采用永磁电机。本次通过比对试验对采用永磁电机的叶轮增氧机的增氧效果进行试验研究，分析其优势及缺陷，并提出改进的意见建议。

1 材料与方法

1.1 材料

1.5kW 的配套三相异步电机和永磁电机的叶轮式增氧机，叶轮转速分别为150、160 r/min。选取市面比较常见的直径为550、660 mm，叶轮锥角均为180°的叶轮进行试验。

1.2 方法

1.2.1 仪器设备

试验中所用的仪器设备详见表1。

表1 测量仪器设备信息

续表

1.2.2 试验方法

增氧机布置及增氧能力试验方法按照标准SC/T 6009-1999 增氧机增氧能力试验方法[5]规定进行。在上海松江区的标准增氧机试验水池进行，试验用水为清水(自来水)。试验采取分组进行，转速为150、160 r/min 的叶轮增氧机分别安装550 mm 和660 mm直径的叶轮进行试验，叶轮的锥角及叶片数均一致。转速为150、160 r/min 的三相异步电机的叶轮增氧机使用同样的叶轮进行试验。每次试验时叶轮浸没深度保持一致。

试验前溶氧仪探头按照标准SC/T 6009-1999 增氧机增氧能力试验方法中的规定进行放置。试验前，以2 g/m3的比例往试验水池中加入氯化钴。按100 g/m3的比例往水池加入亚硫酸钠，水池的溶解氧含量达到0 时，打开增氧机，开始试验。每隔1 min 记录1次便携式溶氧仪测得的水中含氧量值，同时记录增氧机的实时输入功率，2 次试验结果的平均值作为最终的试验结果值。试验后，根据试验标准规定的方法计算增氧能力和动力效率值。

1.3 数据处理

为了消除不同水温对试验过程中试验数据的影响，在任何水温下的氧气传质系数KLa（T）换算到20 ℃时氧质量转移系数KLa（20）[5]。

任意水温下氧质量转移系数KLa（a）按式（1）计算

式中：

KLa（α）——任何水温下的氧传质系数，h-1；

C1、C2——分别是t1和t2处的溶解氧值，mg/L；

t1和t2——分别为C1、C2读取时间，min；

Cs——试验水的饱和溶解氧值，m/ L；

T——试验水温，℃。

20℃水温下的氧质量转移系数KLa（20）按式（2）计算

增氧能力Qs按式（3）计算

式中：

V——试验用水体积，m3；

Cs——水温20℃时的饱和溶解氧值，标准推荐采用9.17 mg/L。

动力效率计算按式（4）计算

式中：

Es——动力效率，kg/(kW · h)；

N——试验过程中输入功率平均值，kW。

2 结果

2.1 试验数据统计

2.1.1 样本分布情况

2013—2020 年，统计汇总中国水产科学研究院渔业机械仪器研究所受检的1.5 kW 的叶轮式增氧机产品性能测试数据。从分布来看，1.5 kW 永磁叶轮增氧机从2017 年发展，于2018 年达到高峰，如图1所示。

图1 统计样本分布图

2.1.2 叶轮增氧机性能数据

叶轮增氧机的增氧能力及动力效率年度平均值统计如图2 和图3 所示。其中传统叶轮增氧能力平均值为2.17～2.64 kg/h，波幅为0.47 kg/h。所测传统叶轮增氧机增氧能力平均值为2.41 kg/h，动力效率平均值为1.59 kg/（kW ▪h）。永磁叶轮增氧机增氧能力值在2.54～2.85 kg/h 之间波动，动力效率水平在1.65～1.85 kg/（kW ▪h）之间。统计永磁叶轮增氧机的增氧能力平均值为2.67 kg/h，动力效率平均值1.79 kg/（kW ▪h）。传统叶轮增氧机总体增氧能力平均值为2.54 kg/h，动力效率平均值1.69 kg/（kW ▪h）。另外，统计了传统叶轮增氧机安全性能数据（空载噪声）平均值为90.5 dB（A），永磁叶轮增氧机安全性能数据（空载噪声）平均值76.9 dB（A）。永磁叶轮增氧机温升平均值37.5 K，最高达53.5 K。传统叶轮增氧机温升平均值31.7 K。

图2 近年来检测的增氧机增氧能力平均值

图3 近年来检测的增氧机动力效率平均值

2.2 试验结果

相同转速永磁叶轮增氧机与传统叶轮增氧机配备不同叶轮直径的增氧能力及动力效率测试结果如表2 所示。可以看出，在叶轮直径和空转转速都相同的情况下，永磁叶轮增氧机动力效率高于传统叶轮增氧机。对于同一电机，相同转速，叶轮直径越大，增氧能力及动力效率越高。在相同的转速和叶轮直径情况下，传统叶轮增氧机也能达到和永磁叶轮增氧机一样的增氧能力水平，但是输入功率要高出很多，造成动力效率水平降低。配套不同电机、不同叶轮直径和转速的增氧机增氧能力及动力效率测试结果见表3。可以看出对于永磁电机，在转速相同时，叶轮直径越大，增氧能力越高，动力效率水平却随之下降，叶轮直径相同时，随着转速升高增氧能力增大，动力效率降低。

表2 不同配套电机、相同叶轮直径的增氧机增氧能力及动力效率测试结果

表3 配套相同电机和转速、不同叶轮直径的增氧机增氧能力及动力效率测试结果

3 讨论

3.1 永磁叶轮增氧机较传统叶轮增氧机优势

3.1.1 永磁叶轮增氧机更加绿色环保

永磁叶轮增氧机是在配套传统三相异步电动机的叶轮增氧机的基础上改进的增氧机。电机采用防水永磁电机，无需防护罩，去掉了减速箱，减轻了整机质量，不仅方便运输，且降低了运输成本。无减速箱则不用加润滑油，无需担心渗漏油影响养殖池塘水质的问题。通过程序控制电机的转速，有效地消除了电力谐波和电磁干扰，避免电机与负载振动的传递，从而大大降低了噪声，相较于传统叶轮增氧机更绿色节能环保。

3.1.2 整体的增氧性能较强

从统计数据来看，永磁叶轮增氧机整体增氧性能要高于传统叶轮增氧机，增氧能力平均值高5.1%左右，动力效率高5.5%。从比对试验也可以看出，在转速150 r/min，叶轮直径为660 mm 的工况下，永磁叶轮增氧能力和动力效率分别比传统叶轮增氧机高0.18 kg/h 和0.14 kg/（kW·h），在转速160 r/min，叶轮直径为550 mm 的工况下，虽然增氧能力水平持平，但动力效率值却高出11.6%。因此，永磁叶轮增氧机整体增氧性能水平要强于传统叶轮增氧机。

3.2 叶轮直径和叶轮空转转速对永磁增氧机的增氧性能影响

在清水试验中，影响增氧机增氧能力及动力效率包括叶轮浸没深度、叶轮直径、叶轮空转转速、叶轮锥角等因素。有研究称，增氧机叶轮浸没深度越深，增氧能力越大；但叶轮浸没深度太深，动力消耗就越大，动力效率可能会降低[4]。试验中，保持叶轮浸没深度不变，改变叶轮转速及叶轮直径。结果显示叶轮转速相同时，叶轮直径越大，增氧能力越强，动力效率却随之降低；同样，在叶轮直径相同时，转速越高，增氧能力越强，动力效率降低。这是因为叶轮增大和转速提高后，叶轮搅动水花量更多，空气与水的接触面增大，相同运行时间内，溶解到水中的氧气量增加。但此时的输入功率会随之上升，电机负荷逐渐增加，导致动力效率下降。同时，长时间的超负荷运行对电机影响很大，容易引起电机过热甚至发生烧坏的事故。

在叶轮低转速，配备较小时，叶轮搅动水花较小，空气中氧气与水面的接触面积减少，增氧能力相对就低，但是此时的电机负荷较轻。虽然增氧能力水平与传统叶轮增氧机相当，但是动力效率则远超传统叶轮增氧机。说明配备小叶轮或低转速，此时，虽不能达到最佳增氧效果，但相较传统叶轮在达到相同的增氧效果时，能耗可能更低，对养殖户来说则是更省电。因此，增氧机生产企业在制造增氧机时应匹配合适的叶轮和转速，避免一味追求大水花导致浪费能源。

3.3 永磁叶轮增氧机存在的问题

永磁叶轮增氧机维护成本较高。永磁叶轮增氧机为了达到较好的防水性能，电机及控制器采用密封设计。全密封型式的电机，整体散热性能较差，因此，在运行过程中温升较传统叶轮增氧机要高。长时间高温运行会导致电机腔内产生水蒸气，停机后凝结成水珠，导致短路烧毁电机。电机烧毁后无法维修只能整体更换（包括控制器等），造成维修成本高。

3.4 叶轮增氧机整体技术发展缓慢

叶轮增氧机具有增氧、曝气和搅拌水体等功能，也是水产养殖取得高产、高效的必备装备之一[6-8]。有研究表示，1999—2008 年，1.5 kW 叶轮式增氧机的增氧能力和动力效率的实验室实测值分别在2.16～2.59 kg/h 及1.39～1.83 kg/（kW·h）之间波动，与之相比较，从2013 至今，传统叶轮增氧机增氧能力及动力效率实测值在2.17～2.53 kg/h 和1.43～1.68 kg/（kW·h）之间波动，并未有明显的进步，基本持平，动力效率甚至有下降趋势，与顾海涛等的研究一致[9]。虽然从2017 年开始，1.5 kW 的永磁增氧机开始出现，增氧能力最高可达到2.54～2.85 kg/h，甚至在3.0 kg/h 左右，动力效率为1.52～1.83 kg/（kW·h），但是叶轮增氧机总体增氧能力及动力效率仍然处于2.42～2.61 kg/h和1.52～1.83 kg/（kW·h），增氧能力及动力效率整体与10 年前水平基本持平。

4 结论

1）永磁叶轮增氧机较传统叶轮增氧机有优势，但是技术仍需改进，在发展性能的同时，要顾及节能问题。

2）在实验室检测环境条件下，永磁增氧机配备大叶轮、设置高转速有利于提高增氧性能，但相应会增加负荷能耗。因此设计生产时，应匹配合适的叶轮及转速，不应盲目追求大叶轮和高转速。

3）叶轮增氧机虽然在往轻量化、高效的方向发展，但是整体技术水平未有明显的提高。应开发出更智能化的增氧设备，在提升增氧设备性能的同时，节能减排，绿色生产，提高水产养殖的经济效益。