马丁内斯气举泵:用空气泵水

介绍

长期以来，水泵都是小型农场的关键组成部分，它可以提供各种实际应用，是非常宝贵的节省劳动力的设备。不同类型的泵通常用于储存水、用于过滤和灌溉，还用于水产养殖系统等。抽水机虽然方便实用，但也要付出一定的成本——包括必要的能源消耗和运动部件的定期维护等。然而，泵技术的新发展也提供了一些新选择，这可以节省资金，提高可靠性，延长设备寿命，还有本文将要介绍的一些其他好处。

什么是气举泵

传统的水泵使用的是机械旋转直接加压和移动水。相比之下，气举式水泵利用相对较轻的空气密度来提升水。之前，气举泵最多只能提升10 - 15厘米的水，后来来自夏威夷的格伦·马丁内斯(Glenn Martinez)向国际社会各界分享了他的易于建造的设计，这个设计可以轻松提升水2到3米。在某些配置下，这个空气提升设计可以将水提升到更高的地方，甚至可以从地下井中提升到30米的高度。本文将重点介绍他的一种基本配置，即“管套管”气举泵(图2)。这种配置最常用于每小时将400至2000升的水提升到1至4米的高度，使其成为一种非常有用的技术，适用于各种系统。读者将发现这项技术为鱼菜共生系统带来了特别的好处，这是这项特殊设计的预期用途。

这种“管套管”式气举泵利用了水下注入的空气在上升到水面时会膨胀成气泡的特点，从1米深处开始，体积增加了10%。通过将气泡限制在一个小直径的垂直管道内，这些气泡将像活塞或注射器柱塞一样，在它们上升时将部分水向上抬起。其中涉及的物理原理可以写许多技术论文，实际上其原理就是制造一股强大的向上流动的水和空气。马丁内斯的设计基于这样的理论，即更大的气泡比一团小气泡更能有效地提升水。

创新背后的故事

格伦·马丁内斯(Glenn Martinez)是“管套管”气举泵背后的创新者，他在夏威夷的奥洛马纳花园(Olomana Gardens)农场以及国际开发环境中从事鱼菜共生系统的教学、设计和建造很多年。他还定期为鱼菜共生项目设计提供咨询，几年前，他为当地一所学校设计了一个鱼菜共生系统。那里的电力供应非常昂贵，为了让这个系统更实惠，他发明了(或者像格伦喜欢说的“重新发现”)一种方法，用一种创新的气泵将水从鱼塘提升到鱼菜共生种植床。这不用在校园里挖一条深沟来铺设电线管道，只需要学生们迅速挖一条浅沟来铺设空气管道。在沟里，安装了一根1英寸的PVC管，将系统连接到对面一间可上锁的教室里，教室里放置一台60瓦小型空气压缩机。事实证明，格伦设计的气举泵在水培系统和其他需要廉价可靠的泵水方法的情况下具有多种优势。

气举泵的优点

安全

正如上面所说明的，传统的水泵需要在靠近水源的地方供电。众所周知，电和水是一种危险的组合，尤其是在有孩子的地方。在任何情况下，都应减轻和认真对待水电安全问题。据《印度时报》报道，印度每天有多达30人死于触电。我们在菲律宾项目的一名实习生最近向我们寻求建议，因为他被传统水泵电击了两次;他没有太多使用电气设备的经验，包括如何安排延长线，使它们在雨季保持干燥。或者接地故障中断(GFI)电路可以降低风险，但它往往会在不方便的时间跳闸，需要每月测试。作为一种替代方案，气举泵的压缩机可以很容易地与水保持安全距离，以消除这种潜在的隐患，从而大大降低风险。社区发展工作者可能会发现气举泵电水远离的这一特点对提高安全性非常有益。

给水充气

气举式水泵的另一大优点是它在提升水的时候能够给水充气。当它被用于鱼类生产系统，或水质需要更多溶解氧的情况下，这可能是一个非常有益的特征。在一些鱼类放养密度低的小规模鱼菜共生系统中，仅靠气举泵就能提供足够的溶解氧，以满足鱼类的需要。与传统的曝气泵和气石一起使用，气举泵可以提供额外的溶解氧，防止因溶解氧水平低而导致鱼类的损失。

减少维护和提高可靠性

潜水泵和常规外泵容易堵塞，需要定期拆卸清洗。此外，它们吸入的沙子和砂砾最终会磨损部件，通常需要更换泵。马丁内斯气举泵的设计不仅可以通过小的磨料，甚至还可以通过几乎与内管直径一样大的碎片(1到1.5英寸)。这意味着小鱼、藻类、未吃完的鱼食等都可以通过水泵直接运输。我们在一个鱼菜共生系统中进行了一次试验，将20公斤咖啡渣倒入一个水箱中，以测试空气输送系统在不堵塞的情况下的运行能力，之后令人印象深刻的是它没有遇到任何困难顺利运行。格伦在这个视频中（this video by Glenn）展示了处理砾石和其他碎片的能力

同时，作为气举泵最昂贵的部件，水不会对空气压缩机照成任何影响。淡水、咸水和含污泥的水对这个泵来说都是一样的，因为它与水源是分开的。此外，如果传统的潜水泵将水箱放空，它将很快因过热而遭受永久性损坏，但是气举泵中的空气压缩机将继续运行，为水的回流做好准备。

膜片式空气压缩机，是理想的气举泵，也很容易维修。通常情况下，只需一把螺丝刀就可以更换每隔几年就会磨损的隔膜。这很简单，而且比更换整个传统泵便宜得多。此外，更换或移动压缩机就像拧开和重新安装花园软管一样简单。

气举泵的其他优点

在某些地方，水泵很容易遭到盗窃或破坏。因为使用1英寸的PVC管或直径更大的软管对气流的阻力很小，因此可以将空气压缩机放置在远处，单独锁在建筑物或存储箱中。

气举泵由于需要的电力较少所以可以节省更多资金。我们将一台200瓦的潜水泵更换为一台80瓦的空气压缩机以运行气升机。较低的功率要求使太阳能电池板供电系统也可以使用。Glenn配置了带有空气喷射的传统泵系统，从而大大降低了将水提升到8-10米高的成本。对于这个我们还没有进行尝试，但我们已经看到DIY气举泵（airlift pumps can also be configured to pump subterranean wells）也可以配置为地下井的泵，在地下井中抗堵塞和好维修的特性尤其有价值。

“管套管”的气举泵设计

可以用不同尺寸的空气压缩机和适当尺寸的管道来制作更大容量的空气提升系统。我们的110伏压缩机需要的电力是从35到110瓦。压缩机的选择是由几个因素决定的，包括需要泵水的高度和水量。典型的鱼菜共生“管套管”的设计只需要一台能够产生初始5psi (35kpa)的空气压缩机，然后能够在2psi (14kpa)左右持续运行。我们的鱼菜共生系统的压缩机每分钟产生30到100升的空气。从下面的图表中可以看出，泵的最终输出水量不仅取决于压缩机的大小，还取决于其他几个变量(表1)，如果从较浅的井中抽取更高的水，100升/分钟的压缩机并不能达到最大输送量。

关键设计注意事项

进气管

在描述“管套管”设计的主要特点时，提出了以下建议:

“最新版本的“管套管”设计无需钻许多小孔。传统的观点认为，许多微小的气泡可以取代了水的密度，因此使水变得较轻而“浮起来”。然而，在最近一次去菲律宾安装时，我们没有微型钻头或小型钻机马达，我只有一把钢锯，所以我简单地在内部升降管上做了两个相对的切口。切割口与钢锯片的厚度一致，距离大外部管的底部开口约1英寸(图3A)。”

这样做原因是，当压缩机打开时，外部套管和内部提升管之间的水被“向下推”，当到达内部管的两个相对的狭缝，空气进入每个狭缝(彼此直接相对)会像刀一样切开水。切断水后，空气爆裂向上升，一下子把内管里的水提了起来。一段空气将内部管道中的所有水抬升，并以一段水的形式出来。在第一次空气释放后清除了内部管道的水，额外的水涌入，填满了“管套管”泵的底部。这样改造之后，内部管道中的水有50%的空气，重量要轻得多，因此空气压缩机更容易抽水。

内管放置在水中，并以一定角度切开，以防止其完全堵塞(图3B)。两个气缝下方的内外管之间的底部空间可以密封，无需使用图中所示的联轴器和衬套，但如果有合适的零件，图中这种方法更方便。采用这种方法，必须将衬套上的内部“止水带”锉开，以使内管能够一路滑动通过，同时仍然保持密封。外管顶部的另一个衬套也是如此。

在小规模鱼菜共生系统的应用

我们在夏威夷自然农场培训中心的是气举泵的一个典型应用情况。这里需要每小时提升500到1000升的水来作为通过水培系统的重力流(图4)。在这种情况下，气举泵是一个很好的选择，当水被提升到上面的水箱时，气举泵是充气的。为了更好地理解气举泵各个组件的实际安排，我们在下图标记了各个设置。

这台空气升降机以每小时900升的速度从IBC储罐把水泵送至1.8米高的澄清池。一个底部带有盖子的垂直3英寸PVC管以“T”型连接到IBC水箱(图4)。这个3英寸的管放置在一个井管内部，作为“管套管”泵的一种“提升井”，它延伸至地面以下80厘米(1.5米的深度会更好，这样泵的输出体积会增加，我们就可以使用更小的空气压缩机)。空气提升器本身由一根2英寸的外管和一根1.25英寸的内管组成。水被抽上来分流到水箱中，而空气则从顶部排出。

致谢

非常感谢Glenn和业务经理Natalie Cash为我们在美国国立大学YWAM科技系自然农场培训中心的教学项目慷慨地贡献时间、工具和材料。我们也期待你愿意与欧洲ECHO委员会及其世界各地的网络分享你的发现。

相关资源

Martinez, G. Olomana Gardens Aquaponics Manual. available: https://www.olomanagardens.com/shop/aquaponics-manual/