大型深水网箱真空吸鱼泵设计研究

随着海洋渔业经济的不断发展，我国近海捕捞资源的逐渐趋于匮乏，因此，在政府引导下，我国不少沿海渔民调整规划，由海洋捕捞转向海水养殖。同时，为了保护近海生态环境，养殖者购置了成套的大型深水网箱，采用了远海深水渔业养殖方式，取得了较好的经济与社会效益。但是远海深水渔业养殖的不断发展，不少问题也随之暴露出来，典型的问题是大型深水渔业养殖中缺少相关的配套设备。我国沿海养殖者早期使用的基本上为小型、简易网箱，取鱼过程相对简单。随着远海渔业养殖中大型深水网箱的使用，取鱼过程的难度增加，原有的人工取鱼方式，时间长，劳动强度大，鱼类死亡率高，损失大。因此，很有必要针对当前的大型深水网箱养殖研制一种合适的吸鱼泵[1]。

1 工作原理概述

该吸鱼泵由真空泵、集鱼桶、电气控制系统、进出软管等组成，工作时，首先关闭系统内腔各阀门进行抽气，使内部状态成真空，然后进鱼阀打开，利用真空和大气压原理将鱼吸入集鱼桶[2]。当集鱼桶内的鱼、水总量到一定点时，限位开关送出桶内的高度信号，组合阀开始工作，原抽气工作转变为送气工作，吸鱼泵内压力增加，鱼、水通过排出阀门至容器中，实现了真空吸鱼、送鱼的目的[3](图1)。

图1 真空吸鱼泵工作原理图

2 真空吸鱼泵相关参数计算

目前深水养殖网箱一般为圆柱形，直径为12～13 m，因此设定网箱周长L为40 m，水下深度H为8 m，则网箱实际有效水体V网约为1 000 m3。

养殖的鱼类选取大黄鱼、美国红鱼等，规格设定为1.0～1.5 kg/尾，放养密度ρ放为10 kg/m3，深水网箱内可养殖鱼类总质量为W鱼，根据W鱼=ρ放·V网，则每只网箱可养殖10 t成品鱼。

吸鱼泵吸入高度约为3～5 m，吸完一只网箱内的鱼类大约所需1 h，吸鱼的同时会吸入水，根据鱼、水质量比例1∶1，因此吸鱼泵每h吸入的鱼、水总量W总约为20 t。

这些鱼类的鱼肉比重约为1.033，鱼、水的平均比重ρ平近似按1.02 t/m3计，1 h内吸鱼泵的吸鱼时间T为30 min，吸鱼泵每分钟吸入的流量Q分=W总·ρ平/T，计算得到Q分约为0.7 m3/min。

吸鱼泵的吸入管直径D吸可以由鱼截面积/管道截面积求得[4]，即

D吸=π(D鱼/2)2/[π(D吸/2)2]

(1)

由于鱼、水以近似1∶1的比例通过吸入管，则鱼、水所占吸入管横截面积近似相等[5]，各占1/2，所以有

π(D鱼/2)2/[π(D吸/2)2]=1/2

D吸=2D鱼

当大黄鱼、美国红鱼等在1.5 kg/尾时，鱼身最大横截面的平均直径约为85 mm，因此吸入管直径必须D吸≥170 mm。

吸鱼泵吸入管鱼、水通过速度V速=Q分/S吸(S吸为吸鱼泵的吸入管横截面积)，所以有

(2)

则：V速=30.8 m/min

由于吸鱼泵每min吸入的流量Q分约为0.7 m3/min，吸鱼方案设定为每2 min交替吸气、压气1次(各1min)，所以集鱼桶体积只须V集≥0.7 m3。

集鱼桶一般为圆柱体，其高度为H集，直径为D集，选择H集=1. 2 m，D集=0.9 m，则V集为0.76 m3，符合要求。

吸鱼泵真空系统的最小容积V系统min起码包括V集与V吸[6]，则：V系统min=0.873 m3。

真空系统负压P2由伯努里方程：

(3)

式中：P1——吸鱼泵吸入口压力；

H1——吸鱼泵吸入口高度，近似为0；

H2——吸鱼泵真空吸入高度，约为5 m；

V1——网箱中自由液面流速，近似为0；

V2——吸鱼泵吸入管内鱼、水通过的速度，V2=V速；

a1——管道入口流体的运动系数，取1.2；

a2——管道出口流体的运动系数，取1.2；

Hw——由于外界对水流的阻力及流体本身粘滞性产生的全部水头损失[7]；

ρ——密度1.0×103kg/m3；

g——重力加速度9.81 m/s2。

得到真空系统负压P2=-0.09 MPa。

3 确定真空泵

首先计算真空系统抽气速率Se，如果采用间歇工作系统，则

Se=138V/T×lgP1/P2

(4)

式中：V——真空系统的容积；

T——系统要求的抽气时间；

P1——系统初始压力；

P2——系统抽气终了压力。

得到Se=5.36 m3/min。

根据真空系统抽气速率Se=5.36 m3/min及工作压力P=P2=-0.09 MPa，可以考虑两级水循环真空泵，型号为2SK-6。该泵主要参数：最大抽气速率Semax为6 m3/min，工作压力P为-0.097 MPa，功率为11 kW，额定转速n=1 450 r/min，满足使用条件。

4 结语

该设计为间歇式吸鱼系统，旨在解决我国目前沿海地区的大型深水网箱养殖中的取鱼困难问题，可以有效提高取鱼的效率与质量。

如果根据养殖用户需要，将该系统联接进行适当的变化，同时增加一个相同规格的集鱼桶，而原电磁阀、管路、真空泵等元件的规格和数量基本不变，即可将该系统变为连续工作的吸鱼系统，取鱼效率可以提高近一倍，虽然系统的体积会增大，使用不大方便，但价廉物美，适合于扩大养殖范围。