用于收集水域表面的碎片的过滤设备的制作方法

1.本发明涉及收集漂浮在诸如大洋、海洋、河流和湖泊的水域的表面或表面附近的固体碎片。


背景技术：

2.已经提出了许多解决方案。一般来说，这些解决方案由专门用于收集漂浮废物的自主设备组成。这种设备包括其自身的推进装置，使得其制造、操作和维护成本高昂。
3.还提出了能够由船舶拖曳的设备。例如，在专利ep 2 812 498中描述了这种设备。该设备包括沿船舶的行进方向定位在水域表面的导管。导管具有从导管的入口到过滤器的入口增加的宽度，以试图减小过滤器的阻力，从而限制由于在水域表面上被拖曳的设备的存在而导致的船舶的过量能量消耗。该设备的缺点是只能以低于2m/s的低速使用，尤其是以便保持其将进入的流体朝向过滤器引导的能力。事实证明，它不适合装备通常以大于2m/s的速度行进的船舶。此外，在这样的速度下，布置在过滤器周围的导管引入的阻力可能超过过滤器的阻力。
4.具体地，发现为了减小该过滤器的阻力而减小流体周围的水的速度的程度越大，过滤器周围的引导元件的阻力增加得越多。


技术实现要素：

5.因此，希望提出一种过滤设备，该过滤设备在不需要推进装置的情况下有效地收集水域表面的废物。还希望尽可能地增大过滤后的水的流速与过滤设备在浸没状态下被拖曳时产生的阻力之间的比。还希望过滤设备能够装备任何船舶，并且因此能够以大于2m/s的速度被驱动。为此，该设备需要能够承受高速行进的波浪的冲击，并防止可能堵塞过滤器入口的大型废物。
6.一些实施方式涉及一种过滤设备，所述过滤设备包括：旨在浸入流体流中的管道、以及布置在所述管道中以过滤进入所述管道的流体的过滤器，所述管道包括：接收所述流体流的入口开口、从所述入口开口延伸并容纳所述过滤器的上游区段、出口开口、以及从所述过滤器延伸直至所述出口开口以将离开所述过滤器的所述流体流朝向所述出口开口输送的下游区段，所述下游区段的长度大于或等于所述上游区段的长度，所述出口开口的表面积小于所述入口开口的表面积，这些表面积是在垂直于所述管道的纵向轴线的平面中的表面积。
7.根据一个实施方式，所述上游区段在穿过所述管道的纵向轴线的平面中具有内部轮廓，该内部轮廓朝向所述管道的纵向轴线与所述流体流的方向成零角或0
°
至16
°
的角度。
8.根据一个实施方式，所述管道在其围绕所述入口开口的外表面上具有凸起，所述凸起在所述入口开口处具有切线，所述切线相对于所述管道的纵向轴线成大于45
°
的角度。
9.根据一个实施方式，所述下游区段在穿过所述管道的纵向轴线的平面中具有直线或弯曲的内部轮廓，该内部轮廓与所述流体流的方向成0
°
至20
°
的角度，优选地成4
°
至9
°
的
角度。
10.根据一个实施方式，所述出口开口的表面积被定制为使得在所述管道的出口处的所述流体流的速度为所述出口开口周围的流体速度的80％至110％。
11.根据一个实施方式，所述出口开口的表面积为穿过所述过滤器的总流体通过表面积的0.1倍至5倍。
12.根据一个实施方式，所述管道的横截面为圆形、椭圆形、梯形、三角形、多边形、正方形或矩形形状，或者为由这些形状组成的形状。
13.根据一个实施方式，所述设备包括格栅，所述格栅定位在所述过滤器前方，并且具有大于所述过滤器的通过表面积的流体流通过表面积，所述格栅定位在所述管道中，或者定位在所述管道的开口前方，以便用作过滤器和/或防波堤，所述格栅潜在地与用于去除由所述格栅捕获的碎片的清洁或抽吸设备相关联。
14.根据一个实施方式，所述设备包括至少一个具有以下特征之一的过滤器：所述过滤器具有圆锥或角锥形状；所述过滤器具有圆锥或角锥形状以及在所述圆锥或角锥形状的顶点处的碎片排放开口；所述过滤器是平面的并且垂直于所述管道的纵向轴线布置；所述过滤器是平面的并且相对于所述管道的纵向轴线倾斜地布置；所述过滤器具有多个具有v形正截面的并置凹槽；所述过滤器的每个面具有凸部和凹部；所述过滤器由平行杆组成；以及所述过滤器包括杆或网格，所述杆或网格的轮廓使得减小所述过滤器的阻力。
15.根据一个实施方式，所述过滤器与清洁设备或抽吸设备相关联，以去除由所述过滤器捕获的碎片。
16.根据一个实施方式，所述设备包括被构造成当所述设备完全浸入水域中时向上推动所述设备的构件、以及被构造成当所述设备未完全浸入水域中时向下推动所述设备的构件。
17.一些实施方式还可以涉及一种用于收集水域表面附近的固体碎片的方法，所述方法包括以下步骤：提供如上所述的过滤设备，以及将所述过滤设备与将所述过滤设备的管道保持在水域表面处浸入水流中的结构相关联，或者将所述过滤设备与船舶相关联以将所述过滤设备的管道保持在水域表面处浸入，并使所述船舶以巡航速度移动以在所述过滤设备的管道内和管道周围产生水流。
18.根据一个实施方式，所述方法包括以下步骤：在储存器中收集碎片。
19.根据一个实施方式，所述水流的速度为1m/s至15m/s。
附图说明
20.以下将非限制性地并结合附图描述本发明的示例性实施方式，附图中：
21.[图1]图1以竖直平面上的纵向截面描绘了根据一个实施方式的过滤设备，
[0022]
[图2]图2是根据另一个实施方式的过滤设备的透视图，
[0023]
[图3]图3是根据一个实施方式的图2的过滤设备在竖直平面上的纵向截面图，
[0024]
[图4]图4是根据一个实施方式的过滤设备的过滤器的纵向截面图，图4a是图4所示过滤器的一部分的详细截面图，
[0025]
[图5]图5是根据另一个实施方式的过滤设备的透视图，
[0026]
[图6]图6是根据一个实施方式的图5的过滤设备在竖直平面上的纵向截面图，
[0027]
[图7]图7是根据另一个实施方式的过滤设备在竖直平面上的纵向截面图，
[0028]
[图8]图8是根据另一个实施方式的过滤设备的透视图，
[0029]
[图9]图9a和图9b是根据一个实施方式的图8的过滤设备在竖直平面和水平平面上的纵向截面图，
[0030]
[图10]图10是根据另一个实施方式的过滤设备的过滤器的透视图，
[0031]
[图11]图11a和图11b分别是根据另一个实施方式的过滤设备在水平平面上的俯视图和在竖直平面上的纵向截面图，
[0032]
[图12][图13][图14]图12-图14是根据各种其他实施方式的过滤设备在竖直平面上的纵向截面图，
[0033]
[图15][图16]图15和图16是根据现有技术的过滤设备在竖直平面上的纵向截面图。
具体实施方式
[0034]
图1描绘了根据一个实施方式的过滤设备10。设备10包括布置在管状管道11中的过滤器14，管状管道11包括上游区段11a和下游区段11b，上游区段11a输送待过滤且已经通过管道的入口开口12进入的流体流，下游区段11b朝向管道的出口开口13输送过滤后的流体流。过滤器14在管道中布置在上游区段和下游区段之间，以便接收待过滤的流体流。
[0035]
过滤设备10可以浸入流体流中使用，例如在水域的表面1下方被拖曳或推动，或者固定在水道的表面下方。可以注意到，可以仅设备的入口开口12被浸入，设备10的纵向轴线x相对于水的表面1保持小于25
°
的角度。
[0036]
根据图1所示的一个实施方式，上游区段11a界定了圆柱形形状的内部体积，该圆柱形形状具有在入口开口12和过滤器14的入口之间保持恒定的横截面积。因此，过滤器的总表面积可以与入口开口12的表面积相同。下游区段11b界定了截头圆锥形形状的内部体积，该截头圆锥形形状具有从过滤器14的出口到出口开口13变窄的内部横截面。下游区段的内部体积可以具有其他形状，例如旋转双曲面的形状。
[0037]
管道11的外表面可以在入口开口12周围具有从入口开口12变宽的凸起轮廓。该凸起轮廓具有与开口12的边缘的切线t1，该切线t1朝向开口的平面会聚，也就是说，该切线t1与纵向轴线x形成大于45
°
、优选地大于65
°
的角度θ。在上游区段11a和下游区段11b之间的接合处，这些区段的轮廓具有相同的切线。可以注意到，这样的轮廓产生与流2的方向相反的方向上的阻力，也就是说，这样的轮廓促进设备移动穿过流体流。在图1的示例中，这种凸起轮廓沿着上游区段11a的长度加宽直至大约中间，然后变窄直至出口开口13。根据一个实施方式，上游区段11a的内部轮廓的长度和外部轮廓的长度之间的比率为0.7至1.0。如此形成的凸起增加了流体所走路径的长度，并因此增加了该流体在上游区段11a周围的速度。其结果是上游区段11a周围的压力降低，从而形成正阻力。这于是赋予管状管道11更好的流体动力学性能，无论管道内和管道周围流体的速度如何，都是这样。
[0038]
根据一个实施方式，上游区段11a在穿过管道的纵向轴线x的平面中具有弯曲或直线的内部轮廓，该内部轮廓与流体流的方向成0
°
至16
°
的角度，优选地成4
°
至9
°
的角度。这些特征有助于减小在流2的方向上作用的阻力。
[0039]
根据一个实施方式，下游区段11b在穿过管道11的纵向轴线x的平面中具有直线或
弯曲的内部轮廓，该内部轮廓与流体流的方向成0
°
至20
°
的角度α。
[0040]
根据一个实施方式，下游区段11b包括区段11c，区段11c具有圆形内部横截面，其下游端界定开口13。区段11c的内部横截面的尺寸使得开口13的边缘逐渐变尖。下游区段11b的截头圆锥形内部部分和圆柱形内部部分11c之间的过渡区域可以具有倒圆外部轮廓，以便延迟流体在该区域中与管道11的外壁的可能分离。
[0041]
根据一个实施方式，出口开口13的表面积被限定为使得在管道11的出口处的流体速度为出口开口13周围的流体速度的80％至110％，优选地等于100％。以这种方式，在通过出口开口13离开的流体与管道外部的流体之间的界面处出现的剪应力减小，从而使得可以减小施加在管道11上的阻力。出口开口13的表面积可以通过改变下游区段11b的长度和改变角度α来定制。此外，管道中流体流的速度取决于过滤器的特性，特别是取决于其阻力系数。该系数越低，下游管道11b的长度可以减小得越多，并且这同样减小了下游管道的阻力。此外，过滤器的阻力系数越低，流体穿过过滤器的速度就可以越高。因此，出口开口13可以更大。
[0042]
过滤器14具有孔隙或网格，流体可以流动穿过这些孔隙或网格。在下文中，过滤器的“通过表面积”是指过滤器的孔隙或网格的表面积的总和。根据一个实施方式，出口开口13的表面积小于过滤器14的通过表面积，以便减小管道11的出口13处的流体速度与管道出口周围的流体速度之间的差异。
[0043]
出口开口13的表面积可以是穿过过滤器14的流体通过表面积的0.1倍至5倍，这取决于过滤器的特性。
[0044]
过滤器的网格可以由圆形横截面的丝线界定。根据一个实施方式，界定过滤器的网格的丝线具有顶着(face into)流体流2的方向的流体动力学轮廓(较低的阻力系数)，如图4a所示。
[0045]
根据图2和图3所示的实施方式，过滤设备10包括定位在过滤器14前方的格栅17(或多个格栅17)，以防止过大的碎片进入管道11并到达过滤器，并将该碎片朝向碎片储存器22引导，碎片储存器22可固定在管道11上方。格栅17包括平行杆，所述平行杆在顶部朝向管道11的后部倾斜直到储存器22的入口，使得该碎片可以在流体流2的作用下朝向储存器22被驱赶。为此，管道11具有上部开口26，格栅17的杆穿过该上部开口26。格栅17可以具有大于过滤器14的通过表面积的流体流通过表面积。根据一个实施方式，形成格栅17的杆具有流体动力学轮廓，以便最小化这些杆在流体流2的作用下引起的阻力。
[0046]
根据一个实施方式，旨在用作防波堤和偏转器以使大碎片转向的异形元件27通过杆23跨入口开口12被保持。异形元件27可以具有流体动力学轮廓，以便限制其阻力。
[0047]
根据图3和图4所示的一个实施方式，过滤器14具有圆锥形形状，该圆锥形形状的轴线基本上与管道11的轴线x重合。过滤器14在其圆锥形形状的顶点处具有开口，该开口定位在管道11中的下游并通向管道24。过滤器14的形状允许所收集的碎片在穿过过滤器的流体流的作用下被朝向管道24输送。根据一个实施方式，排放管道24通向碎片收集储存器21，碎片收集储存器21可以固定在管道11上方。管道24可以布置成使得进入管道11然后进入管道24的流体流将碎片携带到形成定位或固定在管道11上方的单个储存器的储存器21或储存器22中。
[0048]
根据图1至图3所示的一个实施方式，入口开口12以管道11的纵向轴线为中心。在
图1的示例中，管道11具有绕其纵向轴线x的旋转对称性(如果忽略开口26的话)。
[0049]
此外，当考虑上游区段11a的轮廓的凸起形状和下游区段11b的截头圆锥形形状时，管道11的每个角分区(围绕管道的纵向轴线x)具有在垂直于管道的内表面的方向上朝向管道的外部施加推力的趋势。当管道11完全浸入流体中时，由管道的各个分区施加的推力彼此平衡。相反，当例如管道11的上部从流体中露出时，这种平衡消失，因为管道的上部分区不再施加向上的推力。其结果是，管道的下部分区具有将管道11向下驱动到完全浸入位置的趋势。
[0050]
根据一个实施方式，管道11的上部比其下部长。因此，由于管道的上部施加的推力大于管道的下部施加的推力，因此管道具有上升到水面上方的趋势。当管道部分露出时，由于管道的下部施加的推力大于管道的露出的上部施加的推力，因此管道具有回落到水面下方的趋势。因此，管道自动保持在水面附近。这种效果也可以通过调整上游区段11a的上部的凸起来获得。这种效果也可以使用翅片(图2中的翅片19)来获得，这些翅片固定在管道的外表面、管道的顶部、管道的前部或后部、或管道11的每个侧面以便保持浸入，并且取向成使得施加向上的推力，该向上的推力小于或等于管道在仅部分浸入时施加的向下的推力。
[0051]
图4描绘了根据一个实施方式的过滤器14。圆锥形形状的过滤器14与清洁设备15相关联，该清洁设备15包括刷子，该刷子被构造成刷过滤器14的网格，并且自身围绕过滤器14的纵向轴线旋转，从而碎片被朝向圆锥形形状的顶点驱赶，以使碎片能够在流体流的作用下经由管道24去除。穿过过滤器的流体流的推力可用于驱动刷子的旋转。
[0052]
根据另一个实施方式，清洁设备是固定的，而过滤器14围绕其纵向轴线旋转。可以通过向过滤器施加振动来实现或促进朝向管道24去除碎片。
[0053]
根据另一个实施方式，过滤器在与流体流的方向相反的一侧上具有形成在凹部中的凸部。因此，过滤器可以呈现具有大基部和小基部的截头圆锥形部分，小基部联接到圆锥形形状的端部，圆锥形形状的顶点朝向截头圆锥形形状的大基部延伸。因此，在垂直于包含截头圆锥形部分的大基部并且穿过圆锥形形状的顶点的平面的平面中，过滤器具有w形的横截面。
[0054]
图5和图6描绘了根据另一个实施方式的过滤设备30。过滤设备30与图2的过滤设备的不同之处在于，过滤设备30包括矩形横截面的管道31，管道31具有矩形形状的入口开口32和出口开口33。过滤器14由过滤器34替代。过滤器34可以与清洁设备35相关联，该清洁设备35为在过滤器34的下部和上部之间移动的辊刷形式，以将过滤器上的碎片朝向储存器21’驱赶。
[0055]
过滤设备30还可以包括一组平行杆37，该组平行杆37固定在入口开口32和过滤器34之间的管道31中。杆37能够将大的碎片朝向定位在管道31上方的储存器22’去除。为此，每个杆37在管道31的开口32前方具有倾斜部分，使得杆的上部比杆的倾斜部分的下部更靠近管道31的下游。因此，被杆37捕获的碎片可以在流体流的作用下向上转向到储存器22’中。为此，管道31具有上部开口26’，杆37可穿过上部开口26’。杆37可以具有大于过滤器的通过表面积的流体流通过表面积。杆37可以例如具有大于管道的正截面积的70％的流体流通过表面积。根据一个实施方式，杆37的轮廓使得它们在流体流2的作用下引起的阻力最小化。
[0056]
根据一个实施方式，旨在使非常大的碎片转向的异形元件27’由杆23’保持在入口
开口32的前方。
[0057]
根据一个实施方式，杆37还与清洁设备36相关联，该清洁设备36沿着杆移动，以便将碎片朝向储存器22’驱赶。
[0058]
根据一个实施方式，杆具有顶着流体流2的方向的流体动力学轮廓。
[0059]
根据一个实施方式，管道31与侧向翅片39相关联，侧向翅片39布置成使得将管道31保持为刚好浸入流体的表面1下方，如图5所示。翅片也可以放置在管道31的顶部、前部、后部或下侧。
[0060]
根据各种实施方式，过滤器44是平面的，并且像管道31中的过滤器34一样在管道41中布置在朝向设置在管道41的上部中的开口倾斜的位置，或者布置在形成在管道31的外表面和内表面之间的空间中。过滤器44也可以具有联接到用于将碎片排放到储存器的管道的过滤器14的形式。
[0061]
根据图7中所示的另一个实施方式，管道31’、特别是管道的上外表面被构造成使得容纳一组杆37和储存器21”、22”。因此，该管道的上外表面可以例如凸起以适应这种情况。在这种情况下，开口26是不必要的并且可以省略。
[0062]
图8、图9a和图9b描绘了根据另一个实施方式的过滤设备40。过滤设备40与图2的过滤设备的不同之处在于，过滤设备40包括矩形横截面的管道41，管道41具有矩形形状的入口开口42和出口开口43。过滤器14由过滤器44替代。过滤器44可以与清洁设备45相关联，清洁设备45为在过滤器44的下部和上部之间移动的辊刷形式。
[0063]
过滤设备40还可以包括一组平行杆47，该组平行杆47固定在管道41的面向入口开口42的外部。杆47用作防波堤，并且能够将大的碎屑去除到定位在管道41上方的储存器48中。为此，每个杆47具有在管道41的开口42前方倾斜的部分，使得杆的上部比杆的倾斜部分的下部更靠近管道41的下游。因此，被杆47捕获的碎片可以在流体流的作用下向上转向到储存器48中。杆的倾斜部分的下部通过朝向下游并且相对于水平位置稍微倾斜的部分连接到开口42的边缘的下部。
[0064]
根据一个实施方式，格栅47还与清洁设备46相关联，清洁设备46沿着杆移动以将格栅捕获的碎片朝向储存器48驱赶。
[0065]
根据一个实施方式，杆47具有顶着流体流2的方向的流体动力学轮廓。
[0066]
根据一个实施方式，管道41与如图8和图9b所示地布置的侧向翅片49相关联，以将管道41保持为刚好浸入流体的表面1下方。
[0067]
根据各种实施方式，过滤器44是平面的，并且像管道11中的格栅17一样在管道41中布置在朝向形成在管道41的上部中的开口倾斜的位置。过滤器44也可以具有联接到用于将碎片排放到储存器的管道的过滤器14的形式。
[0068]
根据一个实施方式，过滤器44和杆基本平行并相对于管道的纵向方向x倾斜，并且管道被构造成使得入口开口42的平面平行于过滤器。因此，如果过滤器和杆向上倾斜，则管道的下部比管道的上部在上游方向上延伸得更远。
[0069]
图10描绘了根据另一个实施方式的过滤器44’。过滤器44’具有多个v形正截面的并置凹槽。过滤器44’可以在管道41中布置成使得其凹槽在管道的竖直纵向平面内取向并且在顶部朝向管道44的后部倾斜。过滤器44’可以与水平布置的清洁刷相关联，该清洁刷的形状与过滤器在水平面中的横截面形状一致。可通过在过滤器44’的下部和上部之间移动
该清洁刷来清洁过滤器44’。
[0070]
根据其他实施方式，过滤器具有正方形或矩形横截面的角锥形状，该角锥形状具有尖的或直线边缘的顶点。因此，为了使过滤器适合过滤设备40，过滤器可以是具有矩形横截面和直线段形式的顶点的角锥形状。
[0071]
根据一个实施方式，过滤器由联接到储存器(例如储存器21、21’或48)的抽吸系统清洁，该抽吸系统包括连接到软管的泵，软管的端部沿着过滤器的表面移动。收集碎片的储存器也可以通过管道输送而连接到更大容量的储存器。
[0072]
根据一个实施方式，过滤器不具有网格，而是由平行杆组成，例如由竖直布置的平行杆组成。已经发现，这样的过滤器更容易清洁并且产生更小的阻力。形成过滤器的杆或网格的轮廓可以使得减小过滤器阻力。
[0073]
图11a和图11b描绘了根据另一个实施方式的过滤设备。该过滤设备包括参照图8、图9a和图9b描述的管道41，以及一组平行杆47’，这些杆47’通过两个浮子9保持在管道41的上游开口的前方，管道41例如通过线缆8锚固到浮子9。杆47’能够将大的碎片去除到固定在浮子9上方的储存器48’中。为此，杆47’在管道41的开口42的前方倾斜，使得杆的上部比杆的下部更靠近管道41的下游。因此，由杆47’捕获的碎片可以在流体流2的作用下向上转向到储存器48’中。
[0074]
根据一个实施方式，杆47’与清洁设备相关联，该清洁设备沿杆移动以将碎片朝向储存器48’驱赶。
[0075]
杆47’可以具有流体动力学轮廓，从而最小化它们的阻力。此外，杆47’可以是中空的，以便具有浮力，从而最小化浮子9的体积，并因此最小化浮子9的阻力。
[0076]
根据一个实施方式，存在于上述实施方式中的过滤器可以是柔性的，并且可以围绕在管道11、31、41的顶部和底部的辊滚动。固定旋转刷能够在缠绕在其中一个辊上的过滤器向上或向下移动时清洁该过滤器。
[0077]
过滤器也可以使用输送泵来清洁，该输送泵在与流体流2的方向相反的方向上喷射水射流。
[0078]
根据一个实施方式，浮子9由连接到由杆47’形成的格栅的一个或多个翅片替代，以便产生升力并将格栅保持在期望高度，其中一部分浸入，一部分露出。
[0079]
图12至图16描绘了根据各种实施方式的过滤设备的管道的各种轮廓。图12描绘了过滤设备50，其包括管道51和过滤器54。管道51包括上游区段51a和下游区段51b，下游区段51b的长度为上游区段51a的长度的7至9倍。上游区段51a的内部体积在水平纵向平面中具有梯形横截面，该梯形横截面关于管道50的纵向轴线x对称，并且沿下游方向以角度α1加宽直至过滤器54。下游区段51b的内部体积在水平纵向平面中具有梯形横截面，该梯形横截面关于纵向轴线x对称，并且沿上游方向以相对于纵向轴线x的角度α2加宽直至过滤器54。在外部，上游区段51a的纵截面具有倒圆形状，该倒圆形状加宽直至过滤器54的位置。下游区段51b的纵向横截面的外部形状基本上是直线的或者稍微向外弯曲。出口开口53的表面积小于入口开口52的表面积，并且入口开口52的表面积小于管道50在过滤器54的位置处的正截面积。
[0080]
图13描绘了过滤设备60，其包括管道61和过滤器64。根据一个实施方式，管道61仅包括下游区段61b。下游区段61b的内部体积在水平纵向平面中具有梯形横截面，该梯形横
截面关于纵向轴线x对称，并且沿上游方向以相对于纵向轴线x的角度α2加宽直至过滤器64。下游区段61b的纵截面的外部形状遵循弯曲外形而加宽，然后再次变为基本上直线的。出口开口63的表面积小于对应于过滤器64的尺寸的入口开口62的表面积。入口开口62可以具有所描述的凸起。
[0081]
图14描绘了过滤设备70，其包括管道71和过滤器74。管道71包括上游区段71a和下游区段71b，该下游区段71b的长度等于上游区段71a的长度。上游区段71a的内部体积在水平纵向平面中具有梯形横截面，该梯形横截面关于管70的纵向轴线x对称，并且沿下游方向上以角度α1加宽直至过滤器74。下游区段71b的内部体积在水平纵向平面中具有梯形横截面，该梯形横截面关于纵向轴线x对称，并且沿上游方向以相对于纵向轴线x的角度α2加宽直至过滤器74。在外部，上游区段71a的纵截面具有凸起形状，该凸起形状在入口开口72和过滤器74处逐渐变尖，并且在上游区段的中间附近较厚。下游区段71b的纵截面的外部形状基本上是直线的，其厚度可以基本上恒定。
[0082]
出口开口73的表面积小于入口开口72的表面积，并且入口开口72的表面面积小于管道71在过滤器74的位置处的正截面积。
[0083]
根据一个示例性实施方式，角度α1为0
°
至20
°
，角度α2为7
°
至20
°
。在图14的示例中，角度α1和α2为4
°
至9
°
，例如等于6
°
。
[0084]
图15描绘了过滤设备80，其包括管道81和过滤器84。管道81仅包括上游区段81a。上游区段81a的内部体积在水平纵向平面中具有梯形横截面，该梯形横截面关于纵向轴线x对称，并且沿下游方向以角度α1加宽直至过滤器84。在外部，上游区段81a的纵截面具有倒圆形状，该倒圆形状在入口开口82和出口开口83处逐渐变尖，并且在开口82、83之间较厚。与过滤器84的尺寸相对应的出口开口83的表面积大于入口开口82的表面积。
[0085]
图16描绘了过滤设备90，其包括管道91和过滤器94。管道91与管道71的不同之处在于其出口开口93的表面积大于入口开口92的表面积。
[0086]
为了评估包括布置在管道中的过滤器的上述过滤设备的有效性，有必要考虑过滤设备在例如由船舶驱动穿过水中时的阻力。阻力是彼此相加的四个分量的结果，即过滤器的压力阻力和粘性阻力、以及管道的压力阻力和粘性阻力。通常，阻力与流体沿管道壁和穿过过滤器的速度相关。过滤器的压力阻力与过滤器的形状、过滤器的网格的组合表面积、和过滤器的横截面积相关。过滤器的粘性阻力是由水在由过滤器的网格形成的壁上的摩擦引起的。因此过滤器的粘性阻力低，因为摩擦面积小。管道的粘性阻力取决于流体在管道的内壁和外壁上摩擦的面积。压力阻力取决于管道的形状和横截面积。
[0087]
为了评估参照图1和图12-图16所示的各种轮廓的性能，进行了各种模拟，将管道周围的流体速度固定在11m/s，即21.38节，并将过滤器的网格的累积表面积设置为过滤器的总表面积的50％，这些面积为在横向平面中的面积。下面表1中整理的结果是在将平面过滤器以倾斜位置放置在圆形截面管道中的情况下获得的，其中过滤器的上游表面朝上。下面表2中整理的结果是在将平面过滤器垂直于管道的纵向轴线x放置的情况下获得的。
[0088]
[表1]
[0089][0090]
[表2]
[0091][0092]
表1和表2的第一列包含图1和图12至图16中使用的过滤设备的编号。表1和表2的第2列和第3列整理了过滤器的压力阻力和粘性阻力的值。表1和表2的第4列和第5列整理了管道的压力阻力和粘性阻力的值。第6列包含第2列至第5列中指示的阻力值的总和。应该注意的是，负阻力值对应于有助于设备穿过流体向前运动的力，并且由于由管道的上游区段的外表面形成的凸起而获得。第7列整理了管道出口处的流体流速的值。最后，最后一列指示了流速与总阻力之比的值，从而能够比较各种轮廓的有效性。
[0093]
从表1和表2中可以明显看出，过滤器的倾斜位置通常更有利，并且过滤设备10、50和60的轮廓的性能比过滤设备70、80和90的轮廓的性能更好。还应当注意，旨在限制过滤器处的流体压力的过滤设备80的轮廓的性能最差。此外，如果比较过滤设备70和90的轮廓的性能，则设置比入口开口更小的表面积的出口开口使得可以改善轮廓的性能。
[0094]
本领域技术人员将清楚地意识到，本发明适用于各种实施方式变型和各种应用。
特别地，本发明不限于由船舶拖曳或推动的设备。具体地，该设备可以相对于用管道输送流体流的结构固定，例如固定到将该设备保持在水道中的静止结构。
[0095]
此外，管道的内部横截面可以是任何形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形、梯形、三角形、多边形或组合这些形状的形状。
[0096]
此外，过滤器可以具有不同尺寸的网格，例如较粗的网格以允许浮游生物通过。过滤器不一定覆盖管道的整个横截面积。此外，多个过滤器可以串联布置在管道中，并沿着纵向轴线x间隔开。

技术特征：
1.一种过滤设备，包括旨在浸入流体流中的管道(11，31，41，51，61，71)、以及布置在所述管道中以过滤进入所述管道的流体的过滤器(14，34，44，44’，54，64，74)，所述管道包括：接收所述流体流的入口开口(12，32，42，52，62，72)，从所述入口开口延伸并容纳所述过滤器的上游区段(11a，31a，41a，51a，71a)，出口开口(13，33，43，53，63，73)，以及从所述过滤器延伸直至所述出口开口以将离开所述过滤器的所述流体流朝向所述出口开口输送的下游区段(11b，31b，41b，51b，61b，71b)，所述下游区段的长度大于或等于所述上游区段的长度，所述出口开口的表面积小于所述入口开口的表面积，这些表面积是在垂直于所述管道的纵向轴线(x)的平面中的表面积。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述上游区段(11a，31a，41a，51a，71a)在穿过所述管道的纵向轴线(x)的平面中具有内部轮廓，所述内部轮廓朝向所述管道的纵向轴线与所述流体流的方向成零角或0
°
至16
°
的角度。3.根据权利要求1和2中任一项所述的设备，其中，所述管道(11，31，41，51)在其围绕所述入口开口(12，32，42，52)的外表面上具有凸起，所述凸起在所述入口开口处具有切线(t1)，所述切线(t1)相对于所述管道(11，31，41，51)的纵向轴线(x)成大于45
°
的角度。4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述下游区段(11b，31b，41b，51b，61b，71b)在穿过所述管道的纵向轴线(x)的平面中具有直线或弯曲的内部轮廓，该内部轮廓与所述流体流的方向成0
°
至20
°
的角度，优选地成4
°
至9
°
的角度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中，所述出口开口(13，33，43，53，63，73)的表面积被定制为使得在所述管道的出口处的所述流体流的速度为所述出口开口周围的流体速度的80％至110％。6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述出口开口(13，33，43，53，63，73)的表面积为穿过所述过滤器(14，34，44，44’，54，64，74)的总流体通过表面积的0.1倍至5倍。7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中，所述管道(11，31，41，51，61，71)的横截面为圆形、椭圆形、梯形、三角形、多边形、正方形或矩形形状，或者为由这些形状组成的形状。8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，包括格栅(23，17，47)，所述格栅(23，17，47)定位在所述过滤器(14，34，44，44’，54，64，74)前方，并且具有大于所述过滤器的通过表面积的流体流通过表面积，所述格栅定位在所述管道中，或者定位在所述管道的开口前方，以便用作过滤器和/或防波堤，所述格栅潜在地与用于去除由所述格栅捕获的碎片的清洁或抽吸设备(16，36，46)相关联。9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，包括至少一个具有以下特征之一的过滤器：所述过滤器(14)具有圆锥或角锥形状；所述过滤器(14)具有圆锥或角锥形状以及在所述圆锥或角锥形状的顶点处的碎片排放开口(24)；所述过滤器(34)是平面的并且垂直于所述管道(31)的纵向轴线(x)布置；所述过滤器(34)是平面的并且相对于所述管道的纵向轴线倾斜地布置；所述过滤器(44’)具有多个具有v形正截面的并置凹槽；
所述过滤器的每个面具有凸部和凹部；所述过滤器由平行杆组成；以及所述过滤器包括杆或网格，所述杆或网格的轮廓使得减小所述过滤器的阻力。10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中，所述过滤器(14，34，44，44’)与清洁设备(15，35)或抽吸设备相关联，以去除由所述过滤器捕获的碎片。11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，包括被构造成当所述设备完全浸入水域中时向上推动所述设备的构件(19，39，49)、以及被构造成当所述设备未完全浸入水域中时向下推动所述设备的构件。12.一种用于收集水域表面附近的固体碎片的方法，所述方法包括以下步骤：提供根据权利要求1至11中任一项所述的过滤设备，以及将所述过滤设备与将所述过滤设备的管道(11，31，41，51)保持在水域表面处浸入水流中的结构相关联，或者将所述过滤设备与船舶相关联以将所述过滤设备的管道(11，31，41，51)保持在所述水域表面处浸入，以及使所述船舶以巡航速度移动以在所述过滤设备的管道内和管道周围产生水流。13.根据权利要求12所述的方法，包括以下步骤：在储存器(21，22，21’，22’，21”，22”，48，48’)中收集碎片。14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述水流的速度为1m/s至15m/s。

技术总结
本发明涉及一种过滤设备，包括：旨在浸入流体流中的管道(11)、以及布置在所述管道中并在所述管道的整个横截面上延伸的过滤器(14)，所述管道包括接收所述流体流的入口开口(12)和出口开口(13)，所述管道包括朝向所述出口开口输送离开所述过滤器的流体流的下游区段(11b)，所述出口开口的表面积小于所述入口开口的表面积，这些表面积是在垂直于所述管道的纵向轴线(X)的平面中的表面积。纵向轴线(X)的平面中的表面积。纵向轴线(X)的平面中的表面积。


技术研发人员：帕斯卡
受保护的技术使用者：帕斯卡
技术研发日：2022.02.10
技术公布日：2023/10/15