一種基于渦流原理的水面垃圾收集裝置設計

顧勵之 呂鴻雁 陳卓軒 郭宇涵

上海工程技術大學，中國·上海 201600

1 引言

水面垃圾是指漂浮在各種水體（湖泊、河道、景觀水域等）上層的、惡化水體水質，并對公眾造成視覺影響的各種廢棄物。水面垃圾有著很多危害，不僅破壞環(huán)境影響水質，破壞水中生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，還可能威脅航行安全，造成安全事故。

經(jīng)過實地調研發(fā)現(xiàn)，城市河道垃圾主要包括塑料袋、飲料瓶和樹葉等，垃圾尺寸一般不大，較輕，多漂浮于水面[1]。本項目針對城市河道漂浮垃圾問題，提出一種簡易便攜的水面垃圾收集裝置，利用渦流原理，能夠有效清理漂浮垃圾，具有成本低、結構簡單、功能實用的特點。

2 裝置總體設計方案

水面垃圾收集裝置的主要設計目標為：裝置體積較小、結構簡單、便于攜帶；利用渦流工作原理，能夠有效收集漂浮垃圾；裝置結構耐腐蝕。

針對上述設計目標，本裝置的主要組成包括垃圾過濾與收集組件、渦輪與動力組件、外殼和防護組件[2]。其核心部件是渦輪，利用渦輪旋轉產(chǎn)生渦流，形成低壓區(qū)，利用壓力差，將水面漂浮垃圾吸入裝置當中[3]。本裝置的總體設計流程見圖1。

圖1 水面垃圾收集裝置設計流程圖

圖2為水面垃圾收集裝置的結構示意圖。該裝置為組合式裝置，易于攜帶和固定安裝在不同的船體等位置。裝置主要利用電池供電，裝置工作時，電池帶動渦輪旋轉產(chǎn)生動能，從而擾動水流改變水流的原有狀態(tài)，形成渦流，進而造成裝置內(nèi)外的壓力差，使水流順著桶口流進裝置內(nèi)，把漂浮在水面的垃圾吸入漏網(wǎng)內(nèi)，最終達到收集水面垃圾的目的。

圖2 水面垃圾收集裝置示意圖

3 主要組件的設計

3.1 垃圾過濾與收集組件

垃圾過濾與收集組件主要包括漂浮板和過濾網(wǎng)兩個部分。漂浮板為輕質材料，主要作用是確保裝置上部浮于水面之上。過濾網(wǎng)為非金屬網(wǎng)，具有質量輕、強度較大和耐腐蝕的特性。漂浮垃圾被濾網(wǎng)隔斷，水流通過濾網(wǎng)向下滲透，最終通過排水系統(tǒng)將水流排出。

3.2 渦輪與動力組件

渦輪與動力組件即為渦流發(fā)生裝置，主要作用是通過渦輪旋轉運動，在裝置內(nèi)產(chǎn)生渦流，造成內(nèi)外的壓力差，從而將水面漂浮垃圾吸入裝置內(nèi)，并由過濾網(wǎng)進行收集。該組件包括渦輪、電池和控制開關，該組件可以實現(xiàn)遙控操作，并能夠實時監(jiān)控電池電量，另外，這部分增加了防腐蝕和防漏電設計，以確保裝置在水中安全可靠工作。

3.3 外殼與防護組件

裝置的外殼由堅固而且耐腐蝕的聚丙烯塑料制成，渦流發(fā)生裝置與外殼之間的固定支架則是由強度較高的金屬材料制成，外殼上部有固定裝置，用來將裝置固定與船舶或其他部位，進行垃圾定點或移動清理作業(yè)。另外，防護組件則主要起到防漏電和防腐蝕的作用。

4 結論

論文所提出的水面垃圾收集裝置，可便攜也可固定放置。其工作原理是利用渦輪轉動形成人工小漩渦，產(chǎn)生水壓差，從而吸入漂在水面上的垃圾。裝置可放置于河道、公園的水池或景區(qū)的小湖中，能夠有效清理水面垃圾，具有一定的實用價值。