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，不僅破壞環境影響水質，破壞水中生態系統的穩定性，還可能威脅航行安全，造成安全事故。

經過實地調研發現，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，利用渦輪旋轉產生渦流，形成低壓區，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生動能，從而擾動水流改變水流的原有狀態，形成渦流，進而造成裝置內外的壓力差，使水流順著桶口流進裝置內，把漂浮在水面的垃圾吸入漏網內，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。過濾網為非金屬網，具有質量輕、強度較大和耐腐蝕的特性。漂浮垃圾被濾網隔斷，水流通過濾網向下滲透，最終通過排水系統將水流排出。

3.2 渦輪與動力組件

渦輪與動力組件即為渦流發生裝置，主要作用是通過渦輪旋轉運動，在裝置內產生渦流，造成內外的壓力差，從而將水面漂浮垃圾吸入裝置內，并由過濾網進行收集。該組件包括渦輪、電池和控制開關，該組件可以實現遙控操作，并能夠實時監控電池電量，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。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、公園的水池或景區的小湖中，能夠有效清理水面垃圾，具有一定的實用價值。