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        水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)清洗囊網(wǎng)的效率研究*

        2018-05-05 08:38:55張小明詹春毅
        機(jī)電工程技術(shù) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:附著物單面水射流

        張小明,詹春毅

        近年來(lái),隨著網(wǎng)箱養(yǎng)殖業(yè)的迅速發(fā)展[1],養(yǎng)殖水質(zhì)的惡化日趨嚴(yán)重。囊網(wǎng)由于大量絲狀藻類等附著物的迅速繁生而堵塞網(wǎng)眼[2-3],造成網(wǎng)箱的濾水性能降低,使網(wǎng)箱內(nèi)水流不暢而導(dǎo)致溶氧量降低、波動(dòng)變大,致使網(wǎng)箱中的魚類因缺氧或?yàn)V食不到浮游生物而生長(zhǎng)不良,導(dǎo)致魚病頻發(fā),養(yǎng)殖魚品質(zhì)下降[4]。養(yǎng)殖水環(huán)境的惡化[5],已經(jīng)成為制約我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)健康持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。

        囊網(wǎng)的清洗成為深水網(wǎng)箱內(nèi)水環(huán)境物理修復(fù)的關(guān)鍵。目前國(guó)外的大部分洗網(wǎng)機(jī)主要以高壓水清洗為主[6]。國(guó)內(nèi)對(duì)囊網(wǎng)清洗設(shè)備還沒(méi)有進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)的研究[7-8]。由于深水網(wǎng)箱[9]遠(yuǎn)離岸邊,岸電供應(yīng)十分困難,國(guó)內(nèi)洗網(wǎng)機(jī)[10]的發(fā)展應(yīng)該朝著水動(dòng)力[11]及太陽(yáng)能電力驅(qū)動(dòng)的方向發(fā)展。洗網(wǎng)機(jī)[8]采用自旋轉(zhuǎn)水射流實(shí)現(xiàn)深水網(wǎng)箱的囊網(wǎng)清洗。旋轉(zhuǎn)噴頭[12-13]由于旋轉(zhuǎn)作用[14],高壓水射流循環(huán)噴射在囊網(wǎng)附著物的各個(gè)點(diǎn)上,在足夠大的交變應(yīng)力下,囊網(wǎng)附著物逐漸擴(kuò)展至斷裂脫落,完成清洗任務(wù)[15]。水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)水動(dòng)力學(xué)理論分析表明其清洗效果顯著,射流打擊力足夠擊落囊網(wǎng)附著物。然而,現(xiàn)有的理論[16-17]尚缺少實(shí)驗(yàn)的論證。

        文章旨在實(shí)驗(yàn)論證分析水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的清洗效率,為水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)提供水力學(xué)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

        1 材料與方法

        1.1 主要設(shè)備

        如圖1所示,水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)[18]是利用歧管實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)式清洗囊網(wǎng)的一種水動(dòng)力裝備。將高壓水泵的出水口連接于高壓密封螺帽4,高壓水泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),高壓水流由高壓導(dǎo)管軸3的內(nèi)孔水流通道,到達(dá)歧管2,高壓水流從安裝在前擋板1的噴嘴5斜向噴出(根據(jù)圖1右中歧管2端部的傾斜角結(jié)構(gòu)得出),依靠高壓水流射出時(shí)作用于噴嘴5上的水流推力,固定噴嘴5的前檔板1迅速旋轉(zhuǎn),并使得的4個(gè)噴嘴5噴射出高壓水柱,沖洗囊網(wǎng)。水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)所噴射出的水流是旋轉(zhuǎn)射出的,所以對(duì)囊網(wǎng)的清洗作用力和面積更大。另外,設(shè)置在前擋板1外圈上的螺旋槳6,也一并旋轉(zhuǎn),螺旋槳6上的葉片在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生水流反作用力,促使水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中緊靠囊網(wǎng),大大減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度、增強(qiáng)了清洗囊網(wǎng)附著物的效果。

        圖1 水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural sketch of high-pressure jet underwater netting-wash?ing machine

        1.2 試驗(yàn)方法

        (1)將四張2 m×3 m的網(wǎng)片放置在深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖區(qū)內(nèi),完全沒(méi)入海水一段時(shí)間后,網(wǎng)片上長(zhǎng)滿附著物(附著物主要組成為藻類與貝類)。

        試驗(yàn)時(shí),將網(wǎng)片從水中取出,連同框架和網(wǎng)片一起稱重,并對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行編號(hào)(見(jiàn)圖2)和拍照。

        (2)將整個(gè)框架放入水下;操作人員水下手持水下洗網(wǎng)機(jī),對(duì)網(wǎng)片進(jìn)行單面的水平往復(fù)式清洗。

        (3)操作人員拉緊繩子,示意清洗開始,用秒表記錄清洗時(shí)間;將清洗后的網(wǎng)片從水中取出,連同框架和網(wǎng)片一起再次稱重(從水面取出時(shí)間與步驟(1)的時(shí)間相同);對(duì)清洗后的網(wǎng)片再次拍照。

        圖2 網(wǎng)片布置圖Fig.2 Layout of nettings

        (4)在平臺(tái)上對(duì)清洗過(guò)的網(wǎng)片再次清洗,直至徹底清洗干凈后連同框架和網(wǎng)片放入水中后再次取出第三次稱重(從水面取出時(shí)間與步驟(1)的時(shí)間相同);對(duì)徹底清洗干凈的網(wǎng)片第三次拍照。

        (5)重復(fù)步驟(1)~(4),針對(duì)水下洗網(wǎng)機(jī)不同移動(dòng)速度(0.02 m/s,0.03 m/s),不同水深(1 m,3 m)對(duì)1號(hào)至4網(wǎng)片分別進(jìn)行清洗。

        (6)洗凈率計(jì)算公式如下:

        其中:η—洗凈率;

        M1—清洗前(長(zhǎng)滿附著物)網(wǎng)片的質(zhì)量,單位為kg;

        M2—徹底清洗干凈后(無(wú)附著物)網(wǎng)片的質(zhì)量,單位為kg;

        M3—清洗后(洗網(wǎng)機(jī)沖洗后)網(wǎng)片的質(zhì)量,單位為kg。

        按公式(1)分別計(jì)算出1號(hào)至4號(hào)網(wǎng)片的洗凈率,同時(shí)注明每片網(wǎng)片的清洗時(shí)間。

        分別列出1號(hào)至4號(hào)網(wǎng)片的照片:①?gòu)氐浊逑锤蓛艉?無(wú)附著物)網(wǎng)片;②清洗前(長(zhǎng)滿附著物)網(wǎng)片;③清洗后(洗網(wǎng)機(jī)沖洗后)網(wǎng)片,作視覺(jué)比較。

        2 結(jié)果與討論

        圖3列出4號(hào)網(wǎng)片的照片:①?gòu)氐浊逑锤蓛艉?無(wú)附著物)網(wǎng)片;②清洗前(長(zhǎng)滿附著物)網(wǎng)片;③清洗后(洗網(wǎng)機(jī)沖洗后)網(wǎng)片。

        圖3 水下洗網(wǎng)機(jī)清洗網(wǎng)片F(xiàn)ig.3 Cleaning netting by the water jet underwater netting-washing machine

        如圖4所示,附著物主要組成為藻類與貝類,藻類簇密度為150簇/㎡,簇平均長(zhǎng)度為54 mm,其中附著力較強(qiáng)的為貝類。從圖3可以看出,網(wǎng)片經(jīng)水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)清洗后,絕大部分藻類被水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)沖洗干凈,所有貝類被水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)的射流打擊力擊落。水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)是采用旋轉(zhuǎn)的水射流打擊網(wǎng)片上的附著物,比非旋轉(zhuǎn)的射流打擊力更大[16],對(duì)囊網(wǎng)附著物清洗作用力更大,效果更好。水下洗網(wǎng)機(jī)的4個(gè)噴嘴均勻地布置在轉(zhuǎn)盤上,并與轉(zhuǎn)盤軸成一定傾角;在水流作用力下,轉(zhuǎn)盤開始旋轉(zhuǎn),4個(gè)噴嘴交織射出的高壓水流作用于囊網(wǎng)。其高壓水流的作用面積比直射式的大,且是圓面。試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗網(wǎng)片效果顯著,達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo),相對(duì)于傳統(tǒng)的更換囊網(wǎng)方式清洗囊網(wǎng),清洗周期和效率大大提高了。

        圖4 網(wǎng)片長(zhǎng)滿附著物的近照Fig.4 Expanding netting picture covered with attachments

        表1 囊網(wǎng)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗數(shù)據(jù)Tab.1 Single cleaning data of the netting by the water jet underwater netting-washing machine

        依據(jù)表1的數(shù)據(jù),可以看出水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗各網(wǎng)片的效果良好,計(jì)算得出四張網(wǎng)片的平均清洗效率為85.2%,平均清洗時(shí)間為655.2 s。傳統(tǒng)的更換囊網(wǎng)方式清洗囊網(wǎng),清洗周期長(zhǎng)、清洗成本高、效率低下。對(duì)比分析表明,水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)清洗囊網(wǎng)效果好,周期短,成本低,效率高。

        從表1中可以看出,網(wǎng)片3和4的洗凈率為83.8%和93.7%,明顯高于網(wǎng)片1和2的洗凈率。從圖2可知,網(wǎng)片3和4位于上層,網(wǎng)片1和2位于下層。由于網(wǎng)片的清洗是潛水人員潛入水中操作的,位于下層的網(wǎng)片1和2操作難度更大,結(jié)果導(dǎo)致下層網(wǎng)片的洗凈率低于上層的。因此,這種現(xiàn)象要求必須設(shè)計(jì)水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)水下便攜式操作裝置代替人工操作。

        3 結(jié)論

        詳述了水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)旋轉(zhuǎn)的清洗效率的實(shí)驗(yàn)方法和步驟;

        從現(xiàn)場(chǎng)清洗圖片上說(shuō)明設(shè)計(jì)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗網(wǎng)片效果顯著,達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo);

        從數(shù)據(jù)上說(shuō)明設(shè)計(jì)的水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)單面清洗網(wǎng)片效果顯著,洗凈率達(dá)到85.2%;

        指出下一步的任務(wù):設(shè)計(jì)水射流式水下洗網(wǎng)機(jī)水下便攜式操作裝置代替人工操作。

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