CN111119146A - 一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置 - Google Patents

Abstract

一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，属于水面污染物处理技术领域。该装置包括装置平台、供能单元、吸入单元和收集推进单元。所述的供能单元包括太阳能电池组件和储能组件；所述的吸入单元采用射流吸入单元，该射流吸入单元包括吸入管、高压泵和射流组件；所述的收集推进单元包括收纳箱、拦污栅和出水口。本发明将漂浮物吸入、收集和装置平台推进合而为一，避免了常规技术中复杂而庞大的液压系统与配套机械装置，使得装置设计简洁而高效。与已有技术相比，该发明具有的优点是结构简洁紧凑、工作适应性强、清除效率高、机动性良好，可以长期稳定工作。

Description

一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置

技术领域

本发明涉及环保领域中水面污染物的处理技术，特别涉及采用喷水推进作为动力、采用射流方式吸入水面植物与柔性水面漂浮物质的收集装置，可用于快速收集漂浮于各种水域水面的垃圾和水生植物，改善江河湖泊与人工水域的水质。

背景技术

柔性水面漂浮物包括水面植物(如水葫芦、水草、水藻，等)和分散在水面的固形漂浮物，是造成水域污染与水质变差的重要因素，同时对社会发展有诸多负面影响。为了保持良好的水质和水域景观，以及必要的航道安全，需要进行水面漂浮物的及时清理。目前，常采取的水面漂浮物清理方法是通过人工或机械打捞水面漂浮物，进行直接或者适当压缩后运送至储存处。在进行打捞作业时，需要船只提供必要的操作平台和装载空间。如中国专利文献CN201510558447.5公布了一种水葫芦打捞船及打捞方法。该专利使用常规打捞船作为作业平台，采用传送系统来处理进入收集仓中的水葫芦；中国专利文献CN201510248343.4则发明了一种水面垃圾自动打捞船，该专利采用电机拖动叶轮旋转，从而产生打捞船的推力，且采用了两个来回摆动的打捞网来收集水面垃圾；中国专利文献CN201510002869.4公布了可加工式近海浒苔打捞船，清理船上安装有浒苔收集装置、浒苔脱水装置、浒苔干燥装置和浒苔粉碎装置，而浒苔收集装置、浒苔脱水装置、浒苔干燥装置和浒苔粉碎装置均配置有驱动电机；中国专利文献CN201410362428.0公布了一种新型履带式水路两用割草打捞船，包括船体，设置在船体上的履带驱动机构、螺旋桨驱动机构和收集存储机构，设置在船艉的控制室。通过总结已有技术，不难看出水面漂浮物收集系统的主要技术难点体现在装置平台设计技术、平台驱动技术和漂浮质收集技术。已有专利采用了螺旋桨、人力、明轮等驱动技术，而漂浮物收集主要靠手工、液压系统控制机械臂或传送带等完成，系统的各个部件之间相对独立，缺乏良好的协同性。中国专利文献CN201610849765.1将喷水推进的概念引入水面漂浮物收集装置，在系统协调控制与能源有效利用方面均较之前的技术方案有优势。实践表明该技术可以很好地解决水藻等短纤维漂浮物的收集问题，但需要克服韧性较好的漂浮物对喷水流道的堵塞影响。为了更好地满足社会发展的需求，亟需研发更加先进的柔性水面漂浮物收集技术，以取得更好的社会效益与经济效益。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，将射流技术与先进的水力推进技术相结合，采用协调性更强的设计方案来改善收集装置的工作效能，使该装置达到操作简便、清除效率高、机动性良好、工作适应性强、自动化程度高的效果，从整体上改善柔性水面漂浮物收集装置的工作特性。

本发明的技术方案如下：

一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，包括装置平台、供能单元、吸入单元和收集推进单元，其特征在于：所述的吸入单元采用射流吸入单元，该射流吸入单元包括吸入管、高压泵和射流组件，所述射流组件包括引流管、射流主流管，以及依次连接的环形腔、收缩段、混合段、扩散段和平直段；所述的高压泵的出口通过射流主流管与环形腔连接；吸入管的出口与引流管的入口连接，引流管的末端穿过环形腔插入收缩段内。

本发明的技术特征还在于：所述吸入管的入口断面开口向上，相对于水面呈倾斜布置，二者的夹角θ为10～25°。

本发明的技术特征还在于：收缩段的收缩角α为10～13°，引流管末端的收缩角度β小于等于α。

本发明的技术特征还在于：吸入管的入口断面距水面的距离小于吸入管水平出口断面距水面的距离，且入口断面面积大于其出口断面面积，从吸入管入口到出口光滑过渡。

本发明的技术特征还在于：入口断面的形状关于水流方向对称，且前方宽度大于后方宽度。

本发明的技术特征还在于：所述的收集推进单元包括收纳箱、拦污栅和出水口。所述出水口提供联接段与所述的平直段连接。

本发明的技术特征还在于：所述的供能单元包括太阳能电池组件和储能组件；所述太阳能电池组件和储能组件被固定安装在装置平台舱面上。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及技术效果：①由于采用了基于射流原理的吸入方式，收集装置的吸入流动通道中没有任何阻塞流动的结构，克服了常规收集装置中易发生韧性固形物缠绕进而阻塞流道的现象，所以整个装置的流动阻力小，被吸入的柔性水面漂浮物能够顺畅地输送至装置末端的收纳箱中，大幅度提高了收集效率。②吸入管的进口断面相对于水面呈倾斜布置，这样可以让被吸入的水流可以扰动吸入管进口附近更大范围的水域，在装置平台运动过程中使得收集装置附近的水生植物与其它水面漂浮物跟随吸入水流进入流道，从而进一步强化了水面漂浮物的收集效果。③将水力推进概念引入装置平台设计中，充分利用了吸入水流的能量来推动装置平台。由于吸入流道的流动阻力小，在出水口喷射的水流仍然具有较大的动量。从出水口喷射的水流动量作用于装置平台末端的水面形成反作用力，反作用力可以驱动装置平台运动。由于本发明不涉及类似于螺旋桨的其它推进装置，对工作环境的水深没有要求，所以收集装置的机动性好，适合于在浅滩、水底环境复杂的河流与沟渠中工作。④采用了太阳能电池与储能部件构成的能源供给单元，可以充分利用水面漂浮物在野外水面工作时的便利聚集可再生能源，为收集装置提供绿色能源。在太阳能资源较好的水域，收集装置完全可以不需额外供能的情况下自动巡航、高效工作。因而，可以更好地体现绿色环保可持续发展的理念。⑤通过拦污栅对吸入的固形漂浮物进行拦截，使漂浮物在重力作用下自动落入收纳箱中。这样很方便地完成了漂浮物的输送过程。所以本发明采用非常简洁的流动控制技术实现了水面漂浮物的吸入、收集与输送过程，以及装置平台的驱动，摈弃了传统方法中繁杂的液压装置与传送系统，大大简化了装置结构，节约了制造成本。而且基于射流吸入的方式可以更加有效地收集在水面及接近水面的漂浮物，减少收集遗漏现象，提高了收集效率与工作可靠性。此外，从出水口喷射出来的水流可以更好地混合空气，使得更多的氧分进入水体中，有助于改善水下生物的生存条件，从而改变水域的水质。

因此，采用本发明提供的水面漂浮质收集装置具有结构简洁、功能齐备的特点。与已有技术相比，本发明极大地降低了收集装置的运行故障率，改善了水面漂浮物收集装置的工作适应性、运行稳定性与工作可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置的结构原理示意图(主剖视图)。

图2为图1中射流组件中流道的剖面形状。

图3为图1中吸入管的进口断面与水面的关系示意图。

图4为图3的A向视图。

图中：1－水面；2－平台运动方向；3－吸入管；4－联接段；5－收纳箱；6－拦污栅；7－出水口；8－太阳能电池组件；9－装置平台舱底；10－储能组件；11－高压泵；12－装置平台舱面；13－装置平台；14－吸入管进口断面；15－引流管；16－射流主流管；17－环形腔；18－收缩段；19－混合段；20－扩散段；21－平直段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的原理、结构及工作过程作进一步的说明。

图1为本发明提供的基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置的主剖视图，包括装置平台13、供能单元、吸入单元和收集推进单元；所述的吸入单元采用射流吸入单元，该射流吸入单元包括吸入管3、高压泵11和射流组件；所述射流组件包括引流管15、射流主流管16，以及依次连接的环形腔17、收缩段18、混合段19、扩散段20和平直段21；所述的高压泵11的出口通过射流主流管16与环形腔连接；吸入管3的出口与引流管15的入口连接，引流管的末端穿过环形腔插入收缩段18内。

吸入管3的入口断面14开口向上，相对于水面1呈倾斜布置，二者的夹角θ为10～25°。

收缩段18的收缩角α为10～13°，引流管15末端的收缩角度β小于等于α。

吸入管3的入口断面距水面的距离小于吸入管水平出口断面距水面的距离，且入口断面面积大于出口断面面积，从吸入管入口到其出口光滑过渡。吸入管入口断面的形状关于水流方向对称，且前方宽度大于后方宽度。

收集推进单元包括收纳箱5、拦污栅6和出水口7。所述出水口提供联接段4与所述的平直段21连接。供能单元包括太阳能电池组件8和储能组件10；所述太阳能电池组件和储能组件被固定安装在装置平台舱面12上。

本发明提供的基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置的工作过程如下：装置平台13是一种类似船舶的装载平台，可承受该装置包含所有零部件的重量和收纳箱5中所收集的漂浮物重量。太阳能电池组件8被固定安装在装置平台舱面12上，储能组件10、高压泵11均布置在装置平台舱底9。储能组件10包括氢能电池或者锂电池，以及连接太阳能电池组件的逆变与控制系统。由太阳能电池组件8和储能组件10构成漂浮物自动收集装置的供能单元来驱动高压泵11。高压泵11从装置平台13的侧边吸入水流，将水流加压后送入射流组件中的射流主流管16，其中的水流称为射流主流。射流主流经过环形腔17后，在收缩段18中很快加速，导致在引流管15的末端处压力急剧下降。而吸入管进口断面14附近的水流在大气压的作用下连同所挟带的柔性水面漂浮物进入吸入管3与引流管15内。进入引流管15中的水流及其挟带的柔性水面漂浮物称为射流的二次流。此时，由于引流管15的前端压力大于引流管15的末端处压力，所以射流的二次流将从引流管15进入收缩段18的后半段与混合段19，并于射流主流进行混合。混合的过程中，射流主流与射流的二次流将发生充分的动量交换，混合后的水流再经扩散段20、平直段21后基本上成为均匀的混合流。混合流经联接段4被输送至出水口7。从出水口7喷射出的混合流受到拦污栅6的作用，其中的漂浮物被拦截后在重力作用下落入收纳箱5，而穿过拦污栅6的水流具有足够的动量，可喷射至装置平台13后的水面。水流喷射至水面产生的反作用力将为装置平台提供驱动力，使装置平台沿着平台运动方向2运动。因此，只要太阳能电池组件或者储能组件能够提供必要的能量，本收集装置就可以自动工作，持续不断地在水域中巡航和收集柔性水面漂浮物。

吸入管3的吸入管进口断面14相对于水面1呈倾斜布置，二者的夹角θ为10-25°；在吸入管进口断面14与吸入管水平出口断面之间光滑过渡、联接。吸入管进口断面14的形状关于水流方向对称，且前方宽度大于后方，这样的布置使得吸入管进口断面14之外较大范围的水体受到扰动，便于更多的柔性水面漂浮物、水中悬浮物跟随水流进入吸入管3，从而提高收集效率。

这样，本发明的柔性水面漂浮物自动收集装置通过射流吸入装置周围的柔性水面漂浮物，并利用喷射水流的动量推动装置平台运动。与常规技术相比，避免了复杂而庞大的液压系统与配套机械装置，使得装置设计简洁而高效。

Claims (7)

1.一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，包括装置平台(13)、供能单元、吸入单元和收集推进单元，其特征在于：所述的吸入单元采用射流吸入单元，该射流吸入单元包括吸入管(3)、高压泵(11)和射流组件，所述射流组件包括引流管(15)、射流主流管(16)，以及依次连接的环形腔(17)、收缩段(18)、混合段(19)、扩散段(20)和平直段(21)；所述的高压泵(11)的出口通过射流主流管(16)与环形腔连接；吸入管(3)的出口与引流管(15)的入口连接，引流管的末端穿过环形腔插入收缩段(18)内。

2.如权利要求1所述的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，其特征在于：所述吸入管(3)的入口断面(14)开口向上，相对于水面(1)呈倾斜布置，二者的夹角θ为10～25°。

3.如权利要求1所述的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，其特征在于：收缩段(18)的收缩角α为10～13°，引流管(15)末端的收缩角度β小于等于α。

4.如权利要求1所述的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，其特征在于：吸入管(3)的入口断面距水面的距离小于吸入管水平出口断面距水面的距离，且入口断面面积大于其出口断面面积，从吸入管入口到出口光滑过渡。

5.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，其特征在于：吸入管(3)的入口断面的形状关于水流方向对称，且前方宽度大于后方宽度。

6.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，其特征在于：所述的收集推进单元包括收纳箱(5)、拦污栅(6)和出水口(7)，所述出水口提供联接段(4)与所述的平直段(21)连接。

7.如权利要求1-4任一权利要求所述的一种基于射流原理的水面柔性漂浮物自动收集装置，其特征在于：所述的供能单元包括太阳能电池组件(8)和储能组件(10)，所述太阳能电池组件被固定安装在装置平台舱面(12)上。

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