CN105332874A - 一种海底浮式集矿装置、集矿系统及集矿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底浮式集矿装置，包括壳体，所述壳体包括上盖板和下盖板，所述壳体内设有圆台状吸矿筒，所述圆台状吸矿筒的小端设有泵Ⅰ，所述圆台状吸矿筒的大端与所述下盖板固定连接，并穿过所述下盖板，所述圆台状吸矿筒内壁设有螺旋导流板，所述壳体内还设有过滤网，所述过滤网上设有压力感应装置或矿物密度感应装置，所述壳体内设有集矿区和集水区。本发明还公开了一种包括一种海底浮式集矿装置的集矿系统和一种使用集矿系统的集矿方法。本发明将吸矿筒改造成内壁设有螺旋导流板的圆台状吸矿筒，使得在吸矿过程中，可显著提高工作效率和工作质量，有效防止大型物体堵塞吸矿管，减少海底采矿过程中对海床表面生态环境的破坏。
Description
技术领域
本发明涉及一款基于龙卷风裹挟原理的海底浮式集矿装置，按照国际专利分类表(IPC)划分属于机械工程部用于驱动泵或与其组合的装置以及F15D流体动力学，即影响气体或液体流动的方法或装置的综合应用，具体地说是一种海底浮式集矿装置及集矿方法。
背景技术
海洋是地球上尚未被人类充分认识和利用的最大潜在资源基地。除海洋石油气资源和海滨矿砂外，海底目前已知有商业开采价值的还有多金属结核、富钴结壳和多金属硫化物等金属矿产资源。这些矿物中富含镍、钴、铜、锰及金、银金属等，总储量分别高出陆上相应储量的几十倍到几千倍。2013年我国又正式获得一块太平洋富钴结壳矿区。显然，深海矿产资源的开发必须依赖深海采矿装备进行。2015年5月19日公布的《中国制造2025》为“制造强国”战略指明了方向，把“海洋工程装备及高科技船舶”归为重点突破的十大战略领域之一，着重进行先进海洋工程装备的研发和国有化。
现在国际普遍的采矿技术可分为两种。一是机械式开采。它利用长长的链斗或海底机器人把海底表面的矿石收集起来，然后运用传送带提上来。由于的深海地形，深海动力、深海通信等，该方式工作范围，工作效率受到严重的限制。二是浮式开采。它利用高速对射水流把海底矿石吹起，通过泵和管道以水力或气力方式将矿石从海底提升。该方式受深海环境影响较小，但耗能大，采集的矿石中泥浆多，对深海生态造成的影响较大。
发明内容
根据上述提出的现有技术效率低，耗能大，对深海生态破坏大等技术问题，而提供一种海底浮式集矿装置、集矿系统及集矿方法。
本发明采用的技术手段如下：
一种海底浮式集矿装置，包括壳体，所述壳体包括上盖板和下盖板，
所述壳体内设有圆台状吸矿筒，所述圆台状吸矿筒的小端设有泵Ⅰ，所述圆台状吸矿筒的大端与所述下盖板固定连接，并穿过所述下盖板，所述圆台状吸矿筒内壁设有螺旋导流板，所述圆台状吸矿筒的小端和大端均为开口设计，即所述圆台状吸矿筒没有上下端板，所述圆台状吸矿筒的大端穿过所述下盖板与所述一种海底浮式集矿装置的外部连通，
所述圆台状吸矿筒内壁设有螺旋导流板，当所述泵Ⅰ开启时，在所述圆台状吸矿筒中形成龙卷风涡流，所述圆台状吸矿筒内部压强由四周向中间，由下向上逐渐变小，吸入物在压力差作用下向心集聚并旋升，从而完成集矿任务。
所述壳体内还设有过滤网，所述过滤网上设有压力感应装置或矿物密度感应装置，所述过滤网的材质为不锈钢或其他防锈高强度材料。
所述壳体内设有集矿区和集水区，
所述集矿区通过所述圆台状吸矿筒，所述壳体内壁和所述过滤网围成，所述壳体上设有与所述集矿区连通的吸矿孔，所述吸矿孔上设有阀门，所述吸矿孔通过所述阀门与吸矿管连通，所述阀门与所述吸矿管可旋转连接，由于所述阀门与所述吸矿管可旋转连接，使所述一种海底浮式集矿装置在工作时，不会因为与所述吸矿管连而接阻碍所述一种海底浮式集矿装置运动，
所述集水区通过所述壳体内壁和所述过滤网围成，所述壳体上设有多个与所述集水区连通的通孔，所述通孔与转向喷嘴连通。所述转向喷嘴的方向可通过电路或模块控制，位于所述集水区内的海水可从所述转向喷嘴喷出，为所述一种海底浮式集矿装置提供动力。
所述上盖板为盘型上盖板，所述盘型上盖板的中部设有向上凸起的圆台Ⅰ，所述圆台Ⅰ大端的径向外侧设有环形连接部Ⅰ，所述环形连接部Ⅰ包括依次连接的环状弧形板Ⅰ，环状连接板Ⅰ和环状弧形板Ⅱ，所述环状弧形板Ⅰ的靠近所述环状弧形板Ⅰ内沿的内壁与所述圆台Ⅰ的靠近所述圆台Ⅰ大端的内壁相切，所述环状弧形板Ⅰ的靠近所述环状弧形板Ⅰ外沿的内壁与所述环状连接板Ⅰ的内壁相切，所述环状弧形板Ⅱ的靠近所述环状弧形板Ⅱ内沿的外壁与所述环状连接板Ⅰ的外壁相切，
所述下盖板为盘型下盖板，所述盘型下盖板的中部设有向下凸起的圆台Ⅱ，所述圆台Ⅱ大端的径向外侧设有环形连接部Ⅱ，所述环形连接部Ⅱ包括依次连接的环状弧形板Ⅲ，环状连接板Ⅱ和环状弧形板Ⅳ，所述环状弧形板Ⅲ的靠近所述环状弧形板Ⅲ内沿的内壁与所述圆台Ⅱ的靠近所述圆台Ⅱ大端的内壁相切，所述环状弧形板Ⅲ的靠近所述环状弧形板Ⅲ外沿的内壁与所述环状连接板Ⅱ的内壁相切，所述环状弧形板Ⅳ的靠近所述环状弧形板Ⅳ内沿的外壁与所述环状连接板Ⅱ的外壁相切，
所述环状弧形板Ⅱ外沿与所述环状弧形板Ⅳ外沿相匹配并连接。
所述环状弧形板Ⅰ，所述环状弧形板Ⅱ，所述环状弧形板Ⅲ和所述环状弧形板Ⅳ均为整体为环状，横截面为弧形的板。
所述上盖板和所述下盖板采用上述设置，使得海水对所述一种海底浮式集矿装置的阻力减小，有利于集矿工作的完成。
所述圆台Ⅰ小端具有弧形帽，所述弧形帽的外壁与所述圆台Ⅰ小端的外壁相切。
所述盘型上盖板的壁厚均匀一致，所述盘型下盖板的壁厚均匀一致。
所述圆台状吸矿筒的轴线与所述壳体的轴线重合，所述弧形帽的内壁设有固定所述泵Ⅰ的固定部。
所述过滤网为圆台状过滤网，所述圆台状过滤网的小端位于所述环状弧形板Ⅲ的内沿与所述圆台Ⅱ的大端的交界处，
所述圆台状过滤网的大端位于所述环状弧形板Ⅱ的内沿与所述环状连接板Ⅰ的交界处。
所述螺旋导流板的横截面呈梯形或矩形。
所述泵Ⅰ为矿浆泵。
本发明还公开了一种包括上述所述的一种海底浮式集矿装置的集矿系统，包括水面母船，水力提升管道和中继舱，所述中继舱与所述吸矿管连通，所述中继舱设有泵Ⅱ，所述泵Ⅱ通过泵Ⅲ与所述水力提升管道连通，所述水力提升管道的另一端与所述水面母船连通，所述水力提升管道上还设有多个泵Ⅳ。
所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ均为矿浆泵。
所述一种海底浮式集矿装置的电力供应由所述水面母船提供，供电线路先由所述水面母船连接到海底所述中继舱，再由所述中继舱连接到所述一种海底浮式集矿装置。
本发明还公开了一种使用上述所述的集矿系统的集矿方法，具有如下步骤：所述一种海底浮式集矿装置被送至指定矿区后，所述泵Ⅰ开启，吸入物从所述圆台状吸矿筒吸入，并经过所述泵Ⅰ进入所述集矿区，吸入物经过所述过滤网，吸入物中的矿石被所述过滤网阻挡并沉积，吸入物中的海水进入所述集水区，并从所述转向喷嘴喷射出，所述过滤网上的矿石重量达到所述压力感应装置或矿物密度感应装置预设上限时，所述泵Ⅰ关闭，所述阀门打开，之后所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ同时开启，将所述集矿区内的矿石经过所述中继舱吸入到所述水面母船，所述过滤网上的矿石重量降到所述压力感应装置或矿物密度感应装置预设下限时，所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ同时关闭，之后所述阀门关闭，所述泵Ⅰ启动，继续吸入吸入物。间歇式的工作模式可以有效降低系统能耗，提高开采的经济效益。
所述泵Ⅰ为矿浆泵。
所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ均为矿浆泵。
本发明具有以下优点：
1.将吸矿筒改造成内壁设有螺旋导流板的圆台状吸矿筒，并且圆台状吸矿筒与转向喷嘴连通，从而达到所述一种海底浮式集矿装置能源的有效整合，可显著地减少系统能源消耗。
2.将吸矿筒改造成内壁设有螺旋导流板的圆台状吸矿筒，使得在吸矿过程中，在圆台状吸矿筒中形成龙卷风式涡流，四周压强大，而中心压强小，可显著提高工作效率和工作质量，有效防止大型物体堵塞吸矿管，减少海底采矿过程中对海床表面生态环境的破坏。
基于上述理由本发明可在海底集矿等领域广泛推广。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的具体实施方式中一种海底浮式集矿装置的剖视图。
图2是本发明的具体实施方式中一种海底浮式集矿装置去掉一半上盖板时的俯视图。
图3是本发明的具体实施方式中一种海底浮式集矿装置的仰视图。
图4是本发明的具体实施方式中壳体的剖视图。
图5是本发明的具体实施方式中集矿系统的结构示意图。
图6是本发明的具体实施方式中中继舱，泵Ⅱ，吸矿管，泵Ⅲ以及水力提升管道之间的装配示意图。
图7是本发明的具体实施方式中一种海底浮式集矿装置被送至指定矿区后的示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1-图7所示，一种海底浮式集矿装置1，包括壳体11，所述壳体11包括上盖板111和下盖板112，所述壳体11内设有圆台状吸矿筒12，所述圆台状吸矿筒12的小端设有泵Ⅰ13，所述圆台状吸矿筒12的大端与所述下盖板112固定连接，并穿过所述下盖板112，所述圆台状吸矿筒12内壁设有螺旋导流板14，
所述壳体11内还设有过滤网15，所述过滤网15上设有压力感应装置，
所述壳体11内设有集矿区16和集水区17，
所述集矿区16通过所述圆台状吸矿筒12，所述壳体11内壁和所述过滤网15围成，所述壳体11上设有与所述集矿区16连通的吸矿孔113，所述吸矿孔113上设有阀门114，所述吸矿孔113通过所述阀门114与吸矿管2连通，所述阀门114与所述吸矿管2可旋转连接，
所述集水区17通过所述壳体11内壁和所述过滤网15围成，所述壳体11上设有四个与所述集水区17连通的通孔115，所述通孔115通过导管1151与转向喷嘴18连通。
所述上盖板111为盘型上盖板，所述盘型上盖板的中部设有向上凸起的圆台Ⅰ116，所述圆台Ⅰ116大端的径向外侧设有环形连接部Ⅰ117，所述环形连接部Ⅰ包括依次连接的环状弧形板Ⅰ1171，环状连接板Ⅰ1172和环状弧形板Ⅱ1173，所述环状弧形板Ⅰ1171的靠近所述环状弧形板Ⅰ1171内沿的内壁与所述圆台Ⅰ116的靠近所述圆台Ⅰ116大端的内壁相切，所述环状弧形板Ⅰ1171的靠近所述环状弧形板Ⅰ1171外沿的内壁与所述环状连接板Ⅰ1172的内壁相切，所述环状弧形板Ⅱ1173的靠近所述环状弧形板Ⅱ1173内沿的外壁与所述环状连接板Ⅰ1172的外壁相切，
所述下盖板112为盘型下盖板，所述盘型下盖板的中部设有向下凸起的圆台Ⅱ118，所述圆台Ⅱ118大端的径向外侧设有环形连接部Ⅱ119，所述环形连接部Ⅱ119包括依次连接的环状弧形板Ⅲ1191，环状连接板Ⅱ1192和环状弧形板Ⅳ1193，所述环状弧形板Ⅲ1191的靠近所述环状弧形板Ⅲ1191内沿的内壁与所述圆台Ⅱ118的靠近所述圆台Ⅱ118大端的内壁相切，所述环状弧形板Ⅲ1191的靠近所述环状弧形板Ⅲ1191外沿的内壁与所述环状连接板Ⅱ1192的内壁相切，所述环状弧形板Ⅳ1193的靠近所述环状弧形板Ⅳ1193内沿的外壁与所述环状连接板Ⅱ1192的外壁相切，
所述环状弧形板Ⅱ1173外沿与所述环状弧形板Ⅳ1193外沿相匹配并连接，
所述圆台Ⅰ116小端具有弧形帽1161，所述弧形帽1161的外壁与所述圆台Ⅰ116小端的外壁相切。
所述盘型上盖板的壁厚均匀一致，所述盘型下盖板的壁厚均匀一致。
所述圆台状吸矿筒12的轴线与所述壳体11的轴线重合，所述弧形帽1161的内壁设有固定所述泵Ⅰ13的固定部。
所述过滤网15为圆台状过滤网，所述圆台状过滤网的小端位于所述环状弧形板Ⅲ1191的内沿与所述圆台Ⅱ118的大端的交界处，
所述圆台状过滤网的大端位于所述环状弧形板Ⅱ1173的内沿与所述环状连接板Ⅰ1172的交界处。
所述螺旋导流板14的横截面呈梯形。
所述泵Ⅰ13为矿浆泵。
实施例2
如图5-图6一种包括多个实施例1所述的一种海底浮式集矿装置1的集矿系统，包括水面母船3，水力提升管道4和中继舱5，所述中继舱5与所述吸矿管2连通，所述中继舱5设有泵Ⅱ51，所述泵Ⅱ51通过泵Ⅲ6与所述水力提升管道4连通，所述水力提升管道4的另一端与所述水面母船3连通，所述水力提升管道4上还设有两个泵Ⅳ41。
所述泵Ⅱ51为矿浆泵，所述泵Ⅲ6为矿浆泵，所述泵Ⅳ41为矿浆泵。
实施例3
如图7，一种使用实施例2所述的集矿系统的集矿方法，具有如下步骤：所述一种海底浮式集矿装置1被送至指定矿区7后，所述泵Ⅰ13开启，吸入物从所述圆台状吸矿筒12吸入，并经过所述泵Ⅰ13进入所述集矿区16，吸入物经过所述过滤网15，吸入物中的矿石被所述过滤网15阻挡并沉积，吸入物中的海水进入所述集水区17，并从所述转向喷嘴18喷射出，所述过滤网15上的矿石重量达到所述压力感应装置预设上限时，所述泵Ⅰ13关闭，所述阀门114打开，之后所述泵Ⅱ51，所述泵Ⅲ6和所述泵Ⅳ41同时开启，将所述集矿区16内的矿石经过所述中继舱5吸入到所述水面母船3，所述过滤网15上的矿石重量降到所述压力感应装置预设下限时，所述泵Ⅱ51，所述泵Ⅲ6和所述泵Ⅳ41同时关闭，之后所述阀门114关闭，所述泵Ⅰ13启动，继续吸入吸入物。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海底浮式集矿装置，其特征在于：包括壳体，所述壳体包括上盖板和下盖板，
所述壳体内设有圆台状吸矿筒，所述圆台状吸矿筒的小端设有泵Ⅰ，所述圆台状吸矿筒的大端与所述下盖板固定连接，并穿过所述下盖板，所述圆台状吸矿筒内壁设有螺旋导流板，
所述壳体内还设有过滤网，所述过滤网上设有压力感应装置或矿物密度感应装置，
所述壳体内设有集矿区和集水区，
所述集矿区通过所述圆台状吸矿筒，所述壳体内壁和所述过滤网围成，所述壳体上设有与所述集矿区连通的吸矿孔，所述吸矿孔上设有阀门，所述吸矿孔通过所述阀门与吸矿管连通，所述阀门与所述吸矿管可旋转连接，
所述集水区通过所述壳体内壁和所述过滤网围成，所述壳体上设有多个与所述集水区连通的通孔，所述通孔与转向喷嘴连通。
2.根据权利要求1所述的一种海底浮式集矿装置，其特征在于：所述上盖板为盘型上盖板，所述盘型上盖板的中部设有向上凸起的圆台Ⅰ，所述圆台Ⅰ大端的径向外侧设有环形连接部Ⅰ，所述环形连接部Ⅰ包括依次连接的环状弧形板Ⅰ，环状连接板Ⅰ和环状弧形板Ⅱ，所述环状弧形板Ⅰ的靠近所述环状弧形板Ⅰ内沿的内壁与所述圆台Ⅰ的靠近所述圆台Ⅰ大端的内壁相切，所述环状弧形板Ⅰ的靠近所述环状弧形板Ⅰ外沿的内壁与所述环状连接板Ⅰ的内壁相切，所述环状弧形板Ⅱ的靠近所述环状弧形板Ⅱ内沿的外壁与所述环状连接板Ⅰ的外壁相切，
所述下盖板为盘型下盖板，所述盘型下盖板的中部设有向下凸起的圆台Ⅱ，所述圆台Ⅱ大端的径向外侧设有环形连接部Ⅱ，所述环形连接部Ⅱ包括依次连接的环状弧形板Ⅲ，环状连接板Ⅱ和环状弧形板Ⅳ，所述环状弧形板Ⅲ的靠近所述环状弧形板Ⅲ内沿的内壁与所述圆台Ⅱ的靠近所述圆台Ⅱ大端的内壁相切，所述环状弧形板Ⅲ的靠近所述环状弧形板Ⅲ外沿的内壁与所述环状连接板Ⅱ的内壁相切，所述环状弧形板Ⅳ的靠近所述环状弧形板Ⅳ内沿的外壁与所述环状连接板Ⅱ的外壁相切，
所述环状弧形板Ⅱ外沿与所述环状弧形板Ⅳ外沿相匹配并连接，
所述圆台Ⅰ小端具有弧形帽，所述弧形帽的外壁与所述圆台Ⅰ小端的外壁相切。
3.根据权利要2所述的一种海底浮式集矿装置，其特征在于：所述盘型上盖板的壁厚均匀一致，所述盘型下盖板的壁厚均匀一致。
4.根据权利要3所述的一种海底浮式集矿装置，其特征在于：所述圆台状吸矿筒的轴线与所述壳体的轴线重合，所述弧形帽的内壁设有固定所述泵Ⅰ的固定部。
5.根据权利要求1所述的一种海底浮式集矿装置，其特征在于：所述过滤网为圆台状过滤网，所述圆台状过滤网的小端位于所述环状弧形板Ⅲ的内沿与所述圆台Ⅱ的大端的交界处，
所述圆台状过滤网的大端位于所述环状弧形板Ⅱ的内沿与所述环状连接板Ⅰ的交界处。
6.根据权利要求1所述的一种海底浮式集矿装置，其特征在于：所述螺旋导流板的横截面呈梯形或矩形。
7.根据权利要求1所述的一种海底浮式集矿装置，其特征在于：所述泵Ⅰ为矿浆泵。
8.一种包括多个权利要求1-7任一权利要求所述的一种海底浮式集矿装置的集矿系统，其特征在于：包括水面母船，水力提升管道和中继舱，所述中继舱与所述吸矿管连通，所述中继舱设有泵Ⅱ，所述泵Ⅱ通过泵Ⅲ与所述水力提升管道连通，所述水力提升管道的另一端与所述水面母船连通，所述水力提升管道上还设有多个泵Ⅳ。
9.根据权利要求8所述的集矿系统，其特征在于：所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ均为矿浆泵。
10.一种使用权利要求8所述的集矿系统的集矿方法，其特征在于具有如下步骤：所述一种海底浮式集矿装置被送至指定矿区后，所述泵Ⅰ开启，吸入物从所述圆台状吸矿筒吸入，并经过所述泵Ⅰ进入所述集矿区，吸入物经过所述过滤网，吸入物中的矿石被所述过滤网阻挡并沉积，吸入物中的海水进入所述集水区，并从所述转向喷嘴喷射出，所述过滤网上的矿石重量达到所述压力感应装置或矿物密度感应装置预设上限时，所述泵Ⅰ关闭，所述阀门打开，之后所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ同时开启，将所述集矿区内的矿石经过所述中继舱吸入到所述水面母船，所述过滤网上的矿石重量降到所述压力感应装置或矿物密度感应装置预设下限时，所述泵Ⅱ，所述泵Ⅲ和所述泵Ⅳ同时关闭，之后所述阀门关闭，所述泵Ⅰ启动，继续吸入吸入物。
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