Конус Спис растворяет кислород почти без потерь в атмосферу, но требует давления, напора воды и своей обвязки. Разбираем устройство, режимы работы и когда он оправдан, а когда хватит диффузора.
Оксигенационный конус, его чаще называют конус Спис или Speece cone, растворяет чистый кислород в воде с эффективностью, недостижимой для обычного диффузора. Но это не универсальный узел, который стоит ставить всегда, где есть баллон с кислородом: конус требует напора воды, отдельного насоса и правильной обвязки, и на маленьком хозяйстве может оказаться избыточным. Разбираем устройство, давление, реальную эффективность и когда он себя окупает.
Общий обзор пяти способов оксигенации, включая конус, диффузор, Вентури, U-tube и колонну LHO, дан в статье оборудование для оксигенации. Здесь разбираем именно конус подробно: устройство, режимы, обвязку и когда его выбор оправдан.
Конструкцию разработал доктор Ричард Спис из университета Вандербильта, изначально устройство называлось аппаратом контактной аэрации с нисходящим потоком пузырьков. Задача была не рыбоводная: насыщать кислородом придонные слои водоемов, где кислорода не хватало из-за температурного расслоения воды. В аквакультуре тот же принцип оказался удобен по другой причине: конус позволяет растворить в воде намного больше кислорода, чем допускает атмосферное давление, и сделать это почти без потерь газа мимо воды.
Корпус представляет собой расширяющийся книзу или кверху резервуар, в зависимости от исполнения, через который под напором прокачивается вода, а навстречу или вместе с ней подается чистый кислород мелкими пузырьками. Смысл геометрии в том, что скорость потока внутри конуса меняется по сечению: там, где сечение уже, вода течет быстрее и удерживает пузырьки кислорода дольше, не давая им всплыть и уйти из воды, не растворившись. По мере расширения конуса скорость падает, но к этому моменту большая часть кислорода уже успела раствориться. В отличие от обычного диффузора, где пузырек всплывает по прямой и у него есть считаные секунды контакта с водой, в конусе время контакта растягивается за счет самой геометрии и встречного потока.
Конусы делают из стеклопластика, поливинилхлорида или нержавеющей стали. Для стеклопластиковых конструкций типичный предел рабочего давления составляет около 21 psi, это чуть больше 1,4 атмосферы избыточного давления, дальше нужен либо более прочный материал, либо конструкция специально под высокое давление. Металлические конусы держат заметно больше и применяются там, где нужна большая глубина эффективного контакта и, соответственно, большее давление в нижней части аппарата.
По опубликованным данным для аппаратов такого типа эффективность передачи кислорода в воду может доходить почти до ста процентов, а типичный диапазон для промышленных конструкций составляет от 80 до 90 процентов при подаче кислорода на уровне около половины процента от расхода воды через аппарат. На выходе из конуса концентрация растворенного кислорода в зависимости от расхода воды, размера конуса, температуры и давления может достигать 25-50 мг/л, что кратно выше предела растворимости кислорода при обычном атмосферном давлении. Это и есть смысл узла: не просто догнать воду до нормы, а создать запас пересыщения, которым потом разбавляют основной поток воды перед бассейнами.
Насос подает воду в верхнюю часть конуса под напором, одновременно через отдельный патрубок или инжектор в тот же поток вводится чистый кислород от баллона, криогазификатора или PSA-концентратора. Внутри конуса вода с пузырьками кислорода движется по одной из двух схем: либо кислород и вода идут в одном направлении и постепенно замедляются по мере расширения сечения, либо конус устроен так, что более крупные нерастворившиеся пузырьки всплывают навстречу входящему потоку и отделяются от воды еще до выхода, тогда как растворенный кислород уходит с водой дальше по контуру. Отработанный, нерастворившийся избыток газа выводится через верхний патрубок отдельно и либо возвращается в контур подачи кислорода, либо стравливается, если его доля незначительна.
Конус не работает сам по себе, ему нужен напорный насос, который создает нужную скорость потока внутри корпуса, редуктор и ротаметр на линии подачи кислорода, обратный клапан на входе кислорода, чтобы вода при остановке насоса не пошла в баллон или концентратор, и запорная арматура для обслуживания без слива всего контура. Разводка кислорода с ротаметрами и коллектором разобрана отдельно в статье про кислородную разводку и ротаметр, там же про диаметр трубки и материал магистрали.
Ранние конструкции представляли собой открытый сверху резервуар, опущенный на нужную глубину, и рабочее давление в нем создавалось столбом воды над узлом, то есть гидростатическим давлением на этой глубине. Чем глубже ставили конус, тем выше было давление и тем лучше растворялся кислород, но глубина ограничена размерами помещения и стоимостью земляных работ, если конус закапывают в грунт. Современные закрытые конусы решают это иначе: корпус герметичен и держит избыточное давление сам, независимо от того, на какой глубине физически стоит узел, а давление создает насос, а не котлован под конусом. Это и позволило перейти от громоздких заглубленных конструкций к компактным аппаратам, которые ставят прямо в техническом помещении на полу, без рытья ямы.
Производительность узла удобно считать не литрами в час, а массой кислорода, перенесенной в воду за час, потому что именно эта величина сопоставима с суточной потребностью хозяйства. Масса переносится по формуле: расход воды через конус в час, умноженный на прирост концентрации кислорода между входом и выходом. Если через конус идет 10 кубометров воды в час, а концентрация на выходе поднимается с обычных для входа 8 мг/л до 40 мг/л, прирост составляет 32 мг/л, и за час в воду переходит 10000 литров умножить на 32 миллиграмма на литр, это 320 граммов кислорода в час. Сопоставив эту цифру с расчетной суточной потребностью хозяйства по биомассе и кормлению, можно понять, хватает ли одного конуса или нужно ставить два узла или увеличивать расход воды через него.
Способ ввода газа в воду перед конусом влияет на то, насколько мелкие пузырьки попадают в аппарат на старте, а от размера пузырька зависит площадь контакта с водой и, соответственно, скорость растворения. Инжектор Вентури создает разрежение в потоке воды и подсасывает кислород через узкое сопло, дробя его на мелкие пузырьки за счет турбулентности в горловине. Прямой ввод через диффузионный камень или пористую пластину перед входом в конус дает более управляемый размер пузырька, но требует отдельного контроля давления газа относительно давления воды в этой точке, иначе газ либо не пойдет вообще, либо пойдет неровно. На практике для конусов чаще применяют именно диффузионный ввод с контролируемым давлением, а инжекторы Вентури больше свойственны их одноименному отдельному способу оксигенации, разобранному в общей статье про оборудование для оксигенации.
Растворимость кислорода в воде падает с ростом температуры, поэтому один и тот же конус на теплой воде даст меньший абсолютный прирост концентрации на выходе, чем на холодной, при прочих равных параметрах расхода и давления. Для тепловодных видов вроде тиляпии или сома это означает, что расчет запаса пересыщения нужно вести именно от температуры их содержания, а не переносить цифры из справочника, рассчитанного для холодноводной форели. Разница между температурой 10 и 25 градусов ощутима: при более теплой воде тот же конус закрывает меньшую долю суточной потребности хозяйства, и это нужно закладывать в размер узла заранее, а не выяснять по факту нехватки кислорода летом.
Сам конус работает тихо, у него нет движущихся частей внутри корпуса, весь шум идет от напорного насоса перед ним. Для конусов с высоким требуемым давлением иногда нужен насос заметно мощнее, чем для обычной циркуляции того же объема воды без давления, и такой насос шумит и вибрирует сильнее рядового циркуляционного насоса контура. При размещении узла в помещении, где находятся люди постоянно, а не только на осмотре, стоит закладывать виброопоры под насос и, при необходимости, звукоизолирующий кожух, отдельно от корпуса самого конуса.
| Параметр | Диффузор в баке | Оксигенационный конус |
|---|---|---|
| КПД растворения | обычно ниже, часть кислорода уходит в атмосферу с поверхности бака | 80-100 процентов, потерь почти нет |
| Нужен ли отдельный насос | обычно нет, работает на основном потоке самотеком | да, нужен напорный насос под конус |
| Занимаемое место | глубокий бак или колонна | компактный герметичный корпус, можно горизонтально или вертикально |
| Во что выгодно ставить | небольшие и средние хозяйства, умеренная плотность | плотная посадка, дефицит места, нужен большой запас пересыщения |
Диффузор в глубоком баке проще и дешевле в обвязке, потому что не требует отдельного насоса, но его КПД растворения обычно ниже, часть кислорода срывается пузырьками с поверхности и теряется в воздух помещения. Конус эту потерю почти убирает, но платит за это ценой отдельного насоса, более сложной обвязки и более высоких требований к герметичности корпуса под давлением.
Условное хозяйство держит 8 тонн форели при температуре воды около 10 градусов, кормит на уровне полутора процентов биомассы в сутки, суточная потребность в кислороде с учетом дыхания рыбы и работы биофильтра выходит около 30 кг в сутки, это чуть больше 1,2 кг в час в среднем, хотя пики кормления дают заметно больше средней нагрузки.
Это прикидочный пример для понимания логики расчета, а не готовая спецификация под любое хозяйство: паспортные цифры прироста концентрации у каждой модели конуса свои и зависят от давления, расхода и температуры, их нужно смотреть в документации на конкретный узел.
Конус обычно ставят как отдельную боковую ветку: часть потока воды отбирается насосом из основного контура, обычно после механической очистки, проходит через конус, где насыщается кислородом, и возвращается обратно в основной поток или напрямую в бассейны через отдельную разводку. Общая логика прохождения воды через узлы УЗВ и место оксигенации в этой цепочке показаны в статье что такое УЗВ.
Если напорный насос перед конусом останавливается, а основной контур циркуляции продолжает работать, поток кислорода через узел прекращается, но остальная система не встает: рыба остается без дополнительного пересыщенного кислородом потока, но сохраняет тот кислород, что несет обычная аэрация или циркуляция воды основного контура. Насколько это критично, зависит от того, какую долю суточной потребности хозяйство закрывает именно конусом: если он единственный источник насыщения при плотной посадке, авария быстро становится опасной, счет идет на десятки минут при высокой плотности. Поэтому конус на плотной посадке стоит выводить на тот же контур аварийной сигнализации, что и остальное критичное кислородное оборудование, а резервную подачу кислорода в обход конуса, например через простой диффузор на аварийный случай, полезно предусмотреть заранее, а не проектировать на бумаге как единственный узел без резерва. Логика аварийной подачи кислорода в обход основного оборудования разобрана в статье про аварийную подачу кислорода.
Конус сам по себе почти не имеет движущихся частей внутри корпуса, поэтому изнашивается меньше, чем диффузор с мелкопористой мембраной. Основные точки отказа лежат в обвязке: напорный насос, редуктор на линии кислорода, обратный клапан. Самый частый отказ по факту это не сам конус, а именно обратный клапан на входе кислорода: если он залипает или пропускает, при остановке насоса вода может пойти в сторону редуктора и концентратора, что портит оборудование быстрее, чем кажется.
Корпус из ПВХ-переходников с последовательно нарастающим диаметром встречается в самодельных установках и в целом работает по той же логике замедления потока, но повторить заводскую эффективность растворения без точного расчета геометрии и без испытаний сложно. Для небольшого хозяйства с невысокими требованиями к КПД это рабочий вариант, для промышленной плотной посадки лучше заводская модель с паспортными данными.
Обычно нет смысла ставить оба узла одновременно на один и тот же поток: U-tube, колонна LHO и конус решают одну и ту же задачу разными способами, и выбор одного из них уже закрывает потребность. Комбинируют их чаще на разных участках хозяйства, а не параллельно на одном потоке.
Для стеклопластиковых моделей превышение расчетного давления опасно разрушением корпуса, отсюда и жесткое ограничение по материалу, около 21 psi для стеклопластика. Для металлических конструкций запас прочности выше, но производитель все равно указывает предельное рабочее давление, которое нельзя превышать без риска для швов и фитингов обвязки.
Первый признак: концентрация кислорода на выходе из конуса при том же расходе воды и той же подаче газа заметно ниже паспортной или прежней рабочей. Причины обычно две: подсос воздуха через неисправный обратный клапан или фитинг, из-за чего часть объема занимает не чистый кислород, а обычный воздух с низкой концентрацией кислорода, либо падение напора насоса, из-за которого скорость потока внутри конуса уже не удерживает пузырьки нужное время.
Да, тот же принцип нисходящего потока пузырьков применяют и для растворения озона: закрытый корпус удобен тем, что не выпускает озон наружу через открытую поверхность, а эффективность передачи газа в воду по опубликованным данным близка к ста процентам, что снимает необходимость в отдельной вентиляции газа или установке разложения остаточного озона. Это отдельная задача от кислородной оксигенации и требует своей линии подачи газа, но геометрия и логика узла та же.
Прямое сравнение зависит от цены электричества и от цены кислорода в конкретном регионе. Конус тратит дополнительную энергию на напорный насос, которого диффузору не требуется, зато экономит на самом кислороде за счет более высокого КПД растворения. Там, где кислород баллонный и дорогой, а электричество относительно дешевое, конус обычно выгоднее в пересчете на месяц. Там, где кислород почти бесплатный, например от своего PSA-концентратора на дешевом электричестве, а плотность посадки невысокая, простой диффузор может обойтись дешевле за счет отсутствия лишнего насоса.
Заводские конструкции чаще ориентированы вертикально, потому что геометрия сужения и расширения потока рассчитана именно под вертикальное движение воды сверху вниз или снизу вверх, а гравитация помогает отделять несросшиеся пузырьки в верхней части. Отдельные модели допускают горизонтальную установку, если это заложено производителем в паспорте, но самовольно класть вертикальную модель на бок не стоит: это меняет распределение скоростей внутри корпуса и снижает эффективность растворения против заявленной.
Разница в цене между стеклопластиковым и металлическим конусом ощутима, и для хозяйства, где давление и температура остаются в спокойных пределах, переплата не всегда оправдана: стеклопластик прекрасно держит расчетное давление около 21 psi и не корродирует от постоянного контакта с водой и кислородом. Металл имеет смысл там, где нужно давление выше этого предела ради большей глубины эффективного контакта, либо там, где корпус подвергается механическим нагрузкам, например стоит в проходном месте и рискует получить удар при транспортировке оборудования по цеху. Для типового технического помещения без таких рисков стеклопластиковый конус закрывает задачу полностью и служит годами при аккуратной эксплуатации и своевременной проверке обвязки.
Перед заказом узла стоит пройтись по всем пунктам списка сразу, а не по частям: чаще всего проблема на запуске возникает не из-за самого конуса, а из-за того, что какой-то смежный элемент обвязки остался без внимания на этапе планирования и всплывает уже после монтажа, когда переделка обходится дороже.
Мы делаем сторожа, который следит за питанием, насосом и аэрацией и пишет вам в Telegram, пока рыба еще дышит. Сообщение приходит со звуком, даже если телефон в беззвучном. Базовый прибор стоит от 7 900 рублей, комплект считаем индивидуально под ваши бассейны. Напишите, что у вас за хозяйство, и подберем. Если увидим, что вам наш прибор не нужен, так и скажем.
Оставить заявку
Устройство конуса Спис, автор конструкции, материалы корпуса, рабочее давление около 21 psi для стеклопластика, эффективность передачи кислорода 80-90 процентов при подаче газа около 0,5 процента от расхода воды, концентрация на выходе 25-50 мг/л: статья Speece cones saturate water with oxygen, ozone, Global Seafood Alliance.