ОКСИГЕНАТОРЫ

Известно, что воздух является смесью газов, в которой содержится 21% кислорода. Ес-
ли применить вместо воздуха технический кислород, в котором содержится около 95%
кислорода, то в соответствии с уравнением 61 при давлении, равном атмосферному, рав-
новесное насыщение воды вырастет в 4,5 раза за счет увеличения парциального давления
кислорода. С увеличением давления смеси газов Р произойдет дальнейший рост равновес-
ного насыщения воды кислородом. При содержании азота в смеси газов на уровне 5% его
161
равновесное насыщение при атмосферном давлении снизится в 15,5 раз, что гарантирует
его безопасную концентрацию в воде.
В основу работы оксигенатора положен принцип насыщения воды техническим кисло-
родом при атмосферном или повышенном давлении. Получение концентраций кислорода
в воде, равных 500% и более от равновесного насыщения, не представляет технических
трудностей. Верхний предел насыщения кислородом ограничивается только соображе-
ниями целесообразности.
Перенасыщение воды кислородом решает ряд практических задач рыбоводства. Благо-
даря применению кислорода достигнуты значительные успехи в деле транспортировки на
дальние расстояния живой икры, молоди и товарной рыбы, а также других водных объек-
тов. В замкнутых системах благодаря оксигенации достигаются значительные плотности
посадки рыбы 100 - 120 кг/м3, экономится энергия на циркуляцию воды, снижается расход
свежей воды.
Весьма перспективно использование оксигенаторов при выращивании рыбы в садках,
размещенных в сбросных каналах электростанций. При повышении летних температур в
канале до 30 - 35 оС содержание кислорода в воде в ночные часы падает до 2 - 3 мг/л, что
вызывает массовую гибель рыбы. Избежать этого возможно путем оксигенации воды с
использованием технического кислорода.

В настоящее время разработано несколько конструкций оксигенаторов, изучены возмож-
ности их использования в практике рыбоводства, накоплен опыт, позволяющий совершен-
ствовать эти аппараты. Из всего многообразия конструкций требованиям индустриального
рыбоводства наиболее полно отвечают оксигенаторы типа оросительных колонн
(рис.38). Эти оксигенаторы представляют собой вертикальные герметичные емкости. В
верхнюю часть емкости, занятую газообразным кислородом, непрерывно подается вода,
предназначенная для насыщения кислородом. Уровень равновесного насыщения воды ки-
слородом в баллоне оксигенатора определяется суммой факторов: парциальным давлени-
ем кислорода в газовой подушке оксигенатора, давлением внутри сосуда, температурой и
соленостью воды. Фактическое насыщение воды кислородом на выходе из оксигенатора
практически всегда ниже равновесного насыщения, так как для достижения равновесного
насыщения требуется более длительное время пребывания воды в оксигенаторе, что неце-
лесообразно.

Рис.38. Схема оксигенатора в виде оросительной колонны.
Количественное содержание кислорода в газовой подушке оксигенатора изменяется в
процессе функционирования. Если содержание кислорода в подаваемом в оксигенатор га-
зе составляет 90 - 95%, то с течением времени содержание других газов в газовой подушке
162
оксигенатора увеличивается, снижая тем самым парциальное давление кислорода. Другие
газы, главным образом азот, выделяются из проточной воды. Их выделение обусловлено
все тем же законом Генри-Дальтона. Вода, насыщенная азотом и другими газами пропор-
ционально их давлениям в атмосфере, попадает в емкость оксигенатора, где парциальное
давление азота и других газов, кроме кислорода, незначительно. Разница парциальных
давлений газа в воде и в газовой подушке создает условие для дегазации воды. Таким об-
разом, происходит увеличение парциального давления азота в газовой подушке оксигена-
тора. Периодический выпуск части газовой подушки с заменой ее техническим кислоро-
дом называется вентиляцией. Вентиляция способствует поддержанию более высокого
уровня концентрации кислорода в воде на выходе из оксигенатора.
Конструкция оксигенатора в первую очередь предусматривает решение проблемы соз-
дания в емкости достаточной поверхности контакта между водой и газом и достаточного
времени контактирования, чтобы при минимальных энергетических затратах получить
требуемый уровень концентрации кислорода в воде.
Проблема создания достаточного контакта между газом и водой решается тремя спосо-
бами,
1 Путем использования разветвленной контактной поверхности, создаваемой инертным
материалом, загружаемым в емкость;
2 Путем разделения потока воды на струи с помощью решеток с отверстиями.
3 Создание поверхности контакта за счет пузырей кислорода, распыляемого в воде.
Первый способ приемлем при чистой воде, исключающей выпадение осадка на кон-
тактной поверхности. Накопление осадка или грязи требует мероприятий по их удалению,
что не всегда приемлемо в практике рыбоводства.
При использовании второго способа создания контактной поверхности - газ/вода, нако-
пление грязи и механических примесей не создает проблемы при эксплуатации, но в
меньшей степени, чем в оксигенаторах с загрузкой инертным материалом. В оксигенато-
рах, построенных как струйные, процесс насыщения идет как за счет разделения потока на
струи, так и за счет появления пузырей кислорода при падении струй на поверхность во-
ды.
Типовая схема системы водоснабжения рыбоводных бассейнов, с использованием оксиге-
натора конструкции И.В.Проскуренко, приведена на рис.39. Подача воды в оксигенатор
осуществляется под избыточным давлением, создаваемым либо насосом, как на рис.39,
либо с помощью напорной емкости. Избыточное давление в емкости оксигена-тора не-
обходимо для повышения до необходимого уровня концентрации кислорода на выходе из
оксигенатора. Сама конструкция оксигенатора не создает значительного гидравлического
сопротивления, поэтому на выходе из него устанавливается вентиль подпора ВП.
Снижение концентрации кислорода в воде на выходе из оксигенатора достигается с
помощью отпирания вентиля обвода ВО, либо путем снижения давления в емкости окси-
генатора при отпирании вентиля подпора ВП.
Стабильность поддержания концентрации кислорода на выходе зависит от стабильно-
сти высоты газовой подушки в баллоне оксигенатора. В процессе работы оксигенатора
высота газовой прослойки непрерывно уменьшается за счет потребления кислорода водой.
Стабильность границы раздела газ/вода поддерживается автоматическим регулятором
уровня РУ, который периодически открывает соленоидный вентиль СВ, установленный на
трубопроводе подачи газообразного кислорода.

Рис.39. Типовая схема включения оксигенатора: РУ - регулятор уровня; СВ - соленоид-
ный вентиль; ВГ -вентиль выпуска газа; ВО -вентиль обвода; ВП -вентиль подпора.
При открытом вентиле СВ порция кислорода поступает в емкость оксигенатора, снижая
уровень воды до уровня срабатывания регулятора, по сигналу которого закрывается соле-
ноидный вентиль. Давление газообразного кислорода должно превышать давление, созда-
ваемое в емкости оксигенатора насосом, подающим воду. При использовании насосов с
напором 20 м давление кислорода должно быть в пределах 0,3 - 0,4 МПа.
В верхней части баллона оксигенатора устанавливается вентиль ВГ, используемый при
запуске оксигенатора и для его продувки в процессе работы.
При стабильных условиях работы достаточно однократно запустить оксигенатор в дейст-
вие и контролировать периодически концентрацию кислорода в бассейне. Работа оксиге-
натора автоматизирована. Нестабильность работы может быть вызвана внешними причи-
нами: отсутствием или изменением протока воды, падением давления кислорода, захватом
воздуха насосом. Воздух, захваченный насосом, накапливаясь в оксигенаторе, снижает
парциальное давление кислорода, что способствует снижению концентрации кислорода
на выходе.
Подача в бассейны воды, пересыщенной кислородом, выполняется под поверхность во-
ды. Это позволяет избежать нерациональных потерь кислорода из-за его диффузии в воз-
дух. Вода в бассейне быстро перемешивается, нивелируя зоны с повышенной концентра-
цией кислорода.
Использование оксигенаторов в рыбоводных хозяйствах связано с наличием источни-
ков технического кислорода, которые условно можно разделить на четыре категории:
1 Внутрихозяйственные системы централизованного снабжения кислородом;
2 Снабжение кислородом путем доставки его в баллонах и реципиентах;
3 Снабжение жидким кислородом с последующей его газификацией в газификаторах на
месте использования;
4 Получение газообразного кислорода на месте использования с помощью установок,
работающих по принципу молекулярного сита.
Все четыре варианта получения технического кислорода нашли свое применение на
практике. Выбор варианта зависит от технических условий проектирования рыбоводного
хозяйства и, если существует выбор, от технико-экономической целесообразности. С точ-
ки зрения простоты обслуживания, надежности и безопасности на первом месте стоят ус-
тановки с молекулярным разделением воздуха на кислород и азот.
164
Опыт практической работы с оксигенаторами на установках с замкнутым циклом водо-
обеспечения позволил классифицировать причины отказов оксигенаторов и разработать
конструкцию, максимально отвечающую требованиям рыбоводного процесса. В этой кон-
струкции сведена к минимуму возможность сбоя работы оксигенатора за счет накопления
мусора и грязи. При конструировании учтена также степень безопасности прибора. Объем
и давление в емкости оксигенаторов разных типоразмеров подобраны таким образом, что-
бы сосуд не подлежал регистрации в органах котлонадзора, а только регистрации пред-
приятием, осуществляющим его эксплуатацию.
Разработана серия оксигенаторов, перекрывающая потребности по расходу воды от 15
до 1000 м3/час. Аппараты поставляются как готовые изделия, оснащенные приборами ав-
томатического управления и устанавливаемые на собственные опоры без подготовки фун-
дамента (табл.40).
Таблица 40

Устройство оксигенаторов производительностью от 15 до 250 м3/час приведено на
рис.40, оксигенаторов производительностью от 400 до 1000 м3/час - на рис.41.
ВЫБОР ОКСИГЕНАТОРА производится по трем параметрам: требуемая производи-
тельность оксигенатора по кислороду, кг О2/час, температура воды, оС и напор воды, соз-
даваемый на входе в оксигенатор, кг/см2. Концентрация кислорода в пресной воде на вы-
ходе оксигенатора данной конструкции в функции давления в корпусе оксигенатора и
температуры воды приведена в виде графиков на рис.42.
Решение задачи рассматривается на примере: в бассейне содержится рыба при темпе-
ратуре воды 25 оС, потребности которой в кислороде составляют G = 6 кг О2/час; напор
воды в подводящем трубопроводе равен 10 м или 1 кг/см2.

Рис.40. Устройство оксигенатора производительностью 250 м3/час: 1 - корпус; 2 - пат-
рубок для подвода воды; 3 - основание; 4 - вентиль выпуска грязи; 5 - патрубок для отвода
насыщенной воды; 6 - соленоидный клапан; 7 - вентиль на вводе кислорода; 8 - датчик ре-
гулятора уровня; 9 - блок управления регулятора уровня; 10 - манометр; 11 - вентиль вы-
пуска газа.
Какой типоразмер оксигенатора нужно поставить на входе в бассейн?
Решение: принимаем напор в оксигенаторе равным 90% от напора в трубопроводе или
0,9 кг/см2. С помощью номограммы на рис.42 по давлению в оксигенаторе 0,9 кг/см2 и
температуре воды 25 оС находим значение концентрации кислорода на выходе из оксиге-
натора С = 0,045 кг О2/м3.
Потребность в расходе воды
Q = G / С = 6,0 / 0,045 = 133 м3/час.
Выбираем ближайший типоразмер - 06.

Рис.41. Устройство оксигенатора производительностью от 400 до 1000 м3/час: 1 - корпус; 2 -
горловина; 3 - лаз; 4 - входной патрубок для воды; 5 - выходной патрубок для воды; 6 - выпуск
шлков; 7 - колонка уровнемера; 8 - блок управления регуляторов уровня; 9 - вентиль на вводе
кислорода; 10 - соленоидный клапан; 11- манометр; 12- выпуск газа; 13 - предохранительный
клапан.

Рис.42. Номограмма: концентрация кислорода в воде на входе оксигенатора при нулевой
входной концентрации в функции давления и температуры.