CN211521763U - 一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置 - Google Patents

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费华平
宁萌
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Abstract

本实用新型公开了一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置，所述的装置包括一块水平连接板，在水平连接板相对的两端各铰接一片纵摇筏板，在水平连接板的底部固定安装两个气筒，在气筒的进气管内安装单向进气阀、出气管内安装单向出气阀，且两个气筒的活塞杆分别固定安装至与其相邻的纵摇筏板底部；在水平连接板的顶部设置方形框架，该方形框架通过支架固定附着在水面设施上，在方形框架两个横框的顶部分别安装一部FD电机，本实用新型所公开的360°智能波浪筏式掺气增氧装置及其掺气增氧方法，仅需波浪作用便可以向水体中自动间歇掺气增氧，从而增加水体中的溶解氧含量。

Description

一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置
技术领域
本实用新型属于水体增氧设备领域，特别涉及该领域中的一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置。
背景技术
溶解在水中的分子态氧称为溶解氧，是表征水环境和水体自净能力的重要指标之一。溶解氧浓度过低会导致鱼类等海洋生物死亡，污染水质，引发严重的生态环境问题。自二十世纪中期以来，水体缺氧已成为全球海域所面临的环境生态问题。近50年来，全球海域的平均溶解氧浓度降低了约2％。世界海域因缺氧已形成400多处“生态死区”，如波罗的海、黑海、墨西哥海湾和中国东海的部分海域等，覆盖面积已超过2.45×105km2。更为严峻的是，沿海地区缺氧海域的数量还在以每年5.54％的指数速率增长，预计未来全球海域缺氧的状况将进一步加剧。
传统养殖业中，由于养殖密度较低，海水缺氧问题尚未凸现。随着现代集约化养殖业的出现，对养殖密度和产品品质的要求不断提高，海水缺氧已成为限制其扩大养殖规模、提高经济效益的重要原因之一。以网箱金鲳鱼养殖为例：溶氧量低于3毫克/升为致死点，要使金鲳鱼处于良好的生长状态，溶氧应保持在5毫克/升以上，而9毫克/升以上则能快速生长。波罗的海的“死亡区”因为长时间持续缺氧，每年损失的碳有2.64×105t，占整个波罗的海总初级生产力的30％，造成的渔业减产总量达1.06×105t。中国海洋牧场正处于建设加速期，已完成覆盖渤海、黄海、东海与南海四大海域的86个国家级海洋牧场示范区建设，并计划到2025年建设178个国家级海洋牧场示范区，引领全国海洋牧场科学发展。
目前国内外主要采用物理、化学和生物等方法实现向水体增氧目的。常用的增氧机主要有空气压缩机、叶轮式增氧机、水车式增氧机、喷水式增氧机等，但以上装置均存在能耗高、噪音大和经济效益不高等诸多问题。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置。
本实用新型采用如下技术方案：
一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其改进之处在于：所述的装置包括一块水平连接板，在水平连接板相对的两端各铰接一片纵摇筏板，在水平连接板的底部固定安装两个气筒，在气筒的进气管内安装单向进气阀、出气管内安装单向出气阀，且两个气筒的活塞杆分别固定安装至与其相邻的纵摇筏板底部；在水平连接板的顶部设置方形框架，该方形框架通过支架固定附着在水面设施上，在方形框架两个横框的顶部分别安装一部FD电机，两部FD电机的动力输出轴竖直向下，在顶部FD电机的输出轴上固定安装竖直向下的第一滚珠丝杠，该第一滚珠丝杠的丝杠轴穿过方形框架的顶部横框，其底部临近方形框架底部横框上的FD电机，在第一滚珠丝杠的丝母上固定安装轴承，在轴承上固定安装竖向截面为
Figure BDA0002303417160000021
形的收板支架，该收板支架可绕轴承在方形框架内旋转，在收板支架的两侧底部各安装一个导轮，两个导轮分别压在水平连接板与纵摇筏板相铰接的两端；在底部FD电机的输出轴上固定安装竖直向下的第二滚珠丝杠，该第二滚珠丝杠的丝杠轴穿过方形框架的底部横框和水平连接板，其底部固定安装一个轴承，在轴承上安装固块，固块的顶部和水平连接板的底部之间通过连接杆固定连接，此外还在固块相对的两侧面分别安装一片调向尾翼，在第二滚珠丝杠的丝母上固定安装轴承，水平连接板与该轴承固定连接。
进一步的，所述的纵摇筏板为轻质纵摇筏板。
进一步的，所述气筒的竖向截面为弧形。
进一步的，所述方形框架附着在养殖网箱上，装置两个气筒出气管的出气口均投入养殖网箱中。
进一步的，在方形框架的竖框上安装浮子开关。
进一步的，所述FD电机及控制电路由蓄电池供电，蓄电池由太阳能电池板进行充电。
进一步的，所述连接杆的数量为两根，分别位于第二滚珠丝杠丝杠轴的两侧。
进一步的，顶部FD电机和底部FD电机在竖向方向上位置相对，第一滚珠丝杠的丝杠轴和第二滚珠丝杠的丝杠轴在竖向方向上位置相对。
进一步的，调向尾翼的杆长相当于水平连接板长度的一半，在调向尾翼的尾部安装尾舵，该尾舵的面积为纵摇筏板的75％。
一种掺气增氧方法，使用上述的装置，其改进之处在于：装置安装就位并启用后，启动底部FD电机带动第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴滑动来调整水平连接板的高度，使水平连接板两端的纵摇筏板部分伸入水中、部分露出水面后关闭底部FD电机，纵摇筏板在波浪的作用下带动活塞杆往复运动，在拉出活塞杆时空气通过单向进气阀经进气管进入气筒，在压入活塞杆时空气通过单向出气阀经出气管排出，从而完成从大气中间歇吸气和向水体中间歇掺气增氧；当调向尾翼与波浪入射方向不共线时，可在波浪的推动下由调向尾翼带动固块绕第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，由固块带动水平连接板绕第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，由水平连接板带动收板支架绕第一滚珠丝杠的丝杠轴旋转，且固块、水平连接板和收板支架三者的旋转是同步的，直至调向尾翼与水流的入射波浪方向共线时停止旋转，使水平连接板两端的纵摇筏板正对入射波浪；在波高超过设定值时，先启动顶部FD电机带动第一滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴下滑使收板支架下移，收板支架两侧的导轮沿与其相对的纵摇筏板下滑，将水平连接板两端的纵摇筏板收起后关闭顶部FD电机，再启动底部FD电机带动第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴下滑使水平连接板沉入水下一定深度后关闭底部FD电机，进行避浪自保，在波高降至设定值以下时，先启动底部FD电机带动第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴滑动来调整水平连接板的高度，使水平连接板两端的纵摇筏板部分伸入水中、部分露出水面后关闭底部FD电机，再启动顶部FD电机带动第一滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴上滑使收板支架上移，收板支架两侧的导轮沿与其相对的纵摇筏板上滑，将水平连接板两端的纵摇筏板放开后关闭顶部FD电机，恢复正常运行。
本实用新型的有益效果是：
本实用新型所公开的360°智能波浪筏式掺气增氧装置及其掺气增氧方法，仅需波浪作用便可以向水体中自动间歇掺气增氧，从而增加水体中的溶解氧含量，不需要消耗电能或化石能源，环保无污染，能够解决目前供氧装置消耗能源大的问题。由调向尾翼随着入射波向的改变带动水平连接板360°自动转向，使水平连接板两端的纵摇筏板可以始终正对入射波浪，从而实现掺气效率最大化。在恶劣波况条件下，先使收板支架下移以便将纵摇筏板收起，再使水平连接板沉入水下一定深度进行避浪自保，保证装置安全，待恢复工作波况后，先把水平连接板升出水面再把纵摇筏板放开，装置继续正常运行。
本实用新型所公开的360°智能波浪筏式掺气增氧装置及其掺气增氧方法，可应用于缺氧海域的水产养殖，海洋环境保护与改善，以及海岸、近岸结构安全防护等方面，除了应用于一般集约化养殖外，还可广泛应用于深海网箱养殖和人工岛礁项目，与传统增氧装置相比具有智能、节能、环保、经济、高效等优点，有利于实现海洋环境保护和渔业经济协调发展，应用前景广阔。
附图说明
图1是本实用新型实施例1所公开装置的结构示意图；
图2是本实用新型实施例1所公开装置中掺气增氧系统的结构示意图；
图3是本实用新型实施例1所公开装置中智能升降系统的结构示意图；
图4是本实用新型实施例1所公开装置中360°转向系统的结构示意图；
图5是本实用新型实施例1所公开装置进行室内物理模型试验的平面布置示意图；
图6a是本实用新型实施例1所公开装置在筏板长宽比为0.75、掺气深度为0.1m时平均掺气流量与波周期的关系图；
图6b是本实用新型实施例1所公开装置在筏板长宽比为1.25、掺气深度为0.4m时平均掺气流量与波周期的关系图；
图6c是本实用新型实施例1所公开装置在波高为0.12m、掺气深度为0.1m时平均掺气流量与波周期的关系图；
图7是本实用新型实施例1所公开装置纵摇筏板的数值建模图；
图8是本实用新型实施例1所公开装置纵摇筏板的位移模拟值与测量值验证图；
图9是本实用新型实施例1所公开装置纵摇筏板的压强大小随波浪周期性变化的关系图。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置，包括由水平连接板、纵摇筏板、活塞杆和气筒组成的掺气增氧系统2；由两部FD电机、第一滚珠丝杠、收板支架、第二滚珠丝杠及控制电路组成的智能升降系统1；由固块、连接杆和调向尾翼组成的360°转向系统3。
具体的说，如图2所示，所述的装置包括一块水平连接板21，在水平连接板相对的两端各铰接一片纵摇筏板22，在水平连接板的底部固定安装两个气筒23，在气筒的进气管24内安装单向进气阀、出气管25内安装单向出气阀，且两个气筒的活塞杆231分别固定安装至与其相邻的纵摇筏板22底部；在水平连接板的顶部设置方形框架10，该方形框架通过支架固定附着在水面设施上，在方形框架两个横框的顶部分别安装一部FD电机，两部FD电机的动力输出轴竖直向下，如图3所示，在顶部FD电机11的输出轴上固定安装竖直向下的第一滚珠丝杠12，该第一滚珠丝杠的丝杠轴穿过方形框架的顶部横框，其底部临近方形框架底部横框上的FD电机，在第一滚珠丝杠的丝母13上固定安装轴承，在轴承上固定安装竖向截面为
Figure BDA0002303417160000041
形的收板支架14，该收板支架可绕轴承在方形框架内旋转，在收板支架的两侧底部各安装一个导轮15，两个导轮分别压在水平连接板与纵摇筏板相铰接的两端；在底部FD电机16的输出轴上固定安装竖直向下的第二滚珠丝杠17，该第二滚珠丝杠的丝杠轴穿过方形框架的底部横框和水平连接板，如图4所示，在第二滚珠丝杠17的底部固定安装一个轴承31，在轴承上安装固块32，固块的顶部和水平连接板的底部之间通过连接杆33固定连接，此外还在固块相对的两侧面分别安装一片调向尾翼34，在第二滚珠丝杠的丝母18上固定安装轴承，水平连接板与该轴承固定连接。
在本实施例中，所述的纵摇筏板为轻质纵摇筏板。所述气筒的竖向截面为弧形。所述方形框架附着在养殖网箱上，装置两个气筒出气管的出气口均投入养殖网箱中。也可以在同一养殖网箱上同时附着若干个本装置。在方形框架的竖框上安装浮子开关，若波浪拍打到该浮子开关，则判断为波高超过设定值，装置进行避浪自保。所述FD电机及控制电路由蓄电池供电，蓄电池由太阳能电池板进行充电。所述连接杆的数量为两根，分别位于第二滚珠丝杠丝杠轴的两侧。顶部FD电机和底部FD电机在竖向方向上位置相对，第一滚珠丝杠的丝杠轴和第二滚珠丝杠的丝杠轴在竖向方向上位置相对。调向尾翼的杆长相当于水平连接板长度的一半，在调向尾翼的尾部安装尾舵，该尾舵的面积为纵摇筏板的75％。
本实施例还公开了一种掺气增氧方法，使用上述的装置，装置安装就位并启用后，启动底部FD电机带动第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴滑动来调整水平连接板的高度，使水平连接板两端的纵摇筏板部分伸入水中、部分露出水面后关闭底部FD电机，纵摇筏板在波浪及其所受浮力的作用下带动活塞杆往复运动，在拉出活塞杆时空气通过单向进气阀经进气管进入气筒，在压入活塞杆时空气通过单向出气阀经出气管排出，从而完成从大气中间歇吸气和向水体中间歇掺气增氧；当调向尾翼与波浪入射方向不共线时，可在波浪的推动下由调向尾翼带动固块绕第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，由固块带动水平连接板绕第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，由水平连接板带动收板支架绕第一滚珠丝杠的丝杠轴旋转，且固块、水平连接板和收板支架三者的旋转是同步的，直至调向尾翼与水流的入射波浪方向共线时停止旋转，使水平连接板两端的纵摇筏板正对入射波浪；在波高超过设定值时，先启动顶部FD电机带动第一滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴下滑使收板支架下移，收板支架两侧的导轮沿与其相对的纵摇筏板下滑，将水平连接板两端的纵摇筏板收起后关闭顶部FD电机(便于下一步将水平连接板沉入较平稳的水层，防止波浪过大而损坏纵摇筏板)，再启动底部FD电机带动第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴下滑使水平连接板沉入水下一定深度后关闭底部FD电机，进行避浪自保，在波高降至设定值以下时，先启动底部FD电机带动第二滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴滑动来调整水平连接板的高度，使水平连接板两端的纵摇筏板部分伸入水中、部分露出水面后关闭底部FD电机，再启动顶部FD电机带动第一滚珠丝杠的丝杠轴旋转，通过其丝母沿丝杠轴上滑使收板支架上移，收板支架两侧的导轮沿与其相对的纵摇筏板上滑，将水平连接板两端的纵摇筏板放开后关闭顶部FD电机，恢复正常运行。
按照图5的布置对装置进行室内物理模型试验：
制作四种筏板长宽比不同的装置，并结合典型的波参数，开展物理模型试验研究，具体工况见下表。其中掺气深度h为掺气口到静水面的垂向距离。
试验参数表(水深d＝0.6m)
周期T(s) 波高H(m) 掺气深度h(m) 筏板长c(m) 筏板宽d(m) 筏板长宽比a
1.2 0.08 0.1 0.375 0.5 0.75
1.5 0.10 0.2 0.500 0.5 1.00
1.8 0.12 0.3 0.625 0.5 1.25
2.1 0.14 0.4 0.750 0.5 1.50
2.4 0.16 0.5
试验观测中，利用BG-2型波高仪(精度1mm)实时观测波高，利用脉压传感器(精度0.1Pa)实时观测纵摇筏板上受到的波压力，利用HVS-120T倾角传感器(精度0.001°)实时观测纵摇筏板的角度变化，利用MF5700气体质量流量计(精度0.001m3)实时观测吸气和掺气流量的变化过程。
由试验数据分析可知，长宽比分别为0.75、1、1.25和1.5的装置在掺气深度0.1m、波高0.16m和周期1.2s波况下，掺气流量均达到最大，分别为16.00L/min、10.67L/min、11.33L/min和10.00L/min。
平均掺气流量与波周期的关系如图6a、6b、6c所示。随着波周期的增大，平均掺气流量基本呈现降低的趋势。值得注意的是，在图6a中T＝2.1s附近时，平均掺气流量出现了次峰，可能是因为装置的自振周期与波周期相近所致。从图6a、6b、6c中还可以得出，掺气深度越小，入射波高越大，掺气流量也就越大。在掺气深度和入射波高一定的情况下，筏板长宽比较小的装置掺气流量较大。
根据相关资料，常用的YL-1.5型叶轮式增氧机耗电功率为1.5kW，平均增氧能力大约为2.3kg/h；本装置掺气增氧过程中不耗电，在a＝0.75、h＝0.1m、H＝0.16m、T＝1.2s时装置的平均增氧能力大约为0.4kg/h。假定增氧总量相等(叶轮式增氧机工作4h，本装置工作23h)，本装置每天可节电约6kW·h，以山东青岛工业用电费用每千瓦0.8元计算，本装置一天可节约电费4.8元，假定本装置一年工作11个月，预计可以节电1980kW·h，节约电费1584元。
运用ANSYS软件的AQWA-LINE模块进行水动力学分析，最终得到了纵摇筏板的运动位移、波浪作用在装置上的横向力与垂直力数值以及铰接处的运动力矩等数据。图7是装置纵摇筏板的数值建模图，对四个装置进行了验证，并计算两个波况下的纵摇筏板压强，计算参数见下表。
计算参数表(水深d＝0.6m，H＝0.16m，h＝0.1m)
周期T(s) 筏板c(m) 筏板宽d(m) 筏板长宽比a
1.2 0.375 0.5 0.75
2.4 0.500 0.5 1.00
0.625 0.5 1.25
0.750 0.5 1.50
图8显示出在a＝1.0,h＝0.1m,T＝1.2s,H＝0.16m时，数值模拟值和试验测量值曲线基本吻合，验证了位移模拟值和测量值基本一致，代表数值模拟所设参数正确。在h＝0.1m,T＝1.2s,H＝0.16m时，压强大小随波浪周期性变化的关系如图9所示。纵摇筏板长宽比为0.75的装置，前排纵摇筏板迎浪面平均压强的每个峰值都最大，其次分别是长宽比为1、1.25、1.5的装置。
通过数值模拟计算分析得出，筏板长宽比越小，纵摇筏板静置于静水面时越接近于垂直状态，作用于纵摇筏板上的波动压力越大，这与物理试验结果相符合。长宽比较小的装置平均掺气流量较大，所受的波浪力也较大，这对装置结构与材料性能提出了更高的要求。

Claims (9)

1.一种360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：所述的装置包括一块水平连接板，在水平连接板相对的两端各铰接一片纵摇筏板，在水平连接板的底部固定安装两个气筒，在气筒的进气管内安装单向进气阀、出气管内安装单向出气阀，且两个气筒的活塞杆分别固定安装至与其相邻的纵摇筏板底部；在水平连接板的顶部设置方形框架，该方形框架通过支架固定附着在水面设施上，在方形框架两个横框的顶部分别安装一部FD电机，两部FD电机的动力输出轴竖直向下，在顶部FD电机的输出轴上固定安装竖直向下的第一滚珠丝杠，该第一滚珠丝杠的丝杠轴穿过方形框架的顶部横框，其底部临近方形框架底部横框上的FD电机，在第一滚珠丝杠的丝母上固定安装轴承，在轴承上固定安装竖向截面为∏形的收板支架，该收板支架可绕轴承在方形框架内旋转，在收板支架的两侧底部各安装一个导轮，两个导轮分别压在水平连接板与纵摇筏板相铰接的两端；在底部FD电机的输出轴上固定安装竖直向下的第二滚珠丝杠，该第二滚珠丝杠的丝杠轴穿过方形框架的底部横框和水平连接板，其底部固定安装一个轴承，在轴承上安装固块，固块的顶部和水平连接板的底部之间通过连接杆固定连接，此外还在固块相对的两侧面分别安装一片调向尾翼，在第二滚珠丝杠的丝母上固定安装轴承，水平连接板与该轴承固定连接。
2.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：所述的纵摇筏板为轻质纵摇筏板。
3.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：所述气筒的竖向截面为弧形。
4.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：所述方形框架附着在养殖网箱上，装置两个气筒出气管的出气口均投入养殖网箱中。
5.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：在方形框架的竖框上安装浮子开关。
6.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：所述FD电机及控制电路由蓄电池供电，蓄电池由太阳能电池板进行充电。
7.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：所述连接杆的数量为两根，分别位于第二滚珠丝杠丝杠轴的两侧。
8.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：顶部FD电机和底部FD电机在竖向方向上位置相对，第一滚珠丝杠的丝杠轴和第二滚珠丝杠的丝杠轴在竖向方向上位置相对。
9.根据权利要求1所述360°智能波浪筏式掺气增氧装置，其特征在于：调向尾翼的杆长相当于水平连接板长度的一半，在调向尾翼的尾部安装尾舵，该尾舵的面积为纵摇筏板的75%。
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