ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1995 года по МПК B01D39/16 

Изобретение относится к фильтрующим материалам, используемым в различных отраслях промышленности для фильтрации жидких и газообразных сред, например воздуха, масла, различных видов топлива в двигателеях наземного, морского и воздушного транспорта (комбайнов, тракторов, тепловозов, самолетах, грузовых и легковых автомобилей, а также судов речного и морского флота).

В настоящее время огромное внимание уделяется повышению степени очистки различных сред, что позволяет увеличить ресурс работы двигателей различных видов транспорта, технологических установок и т.п. а кроме того, улучшить экологическую обстановку в целом.

Степень очистки различных счред зависит от многих факторов, основным из которых является структура фильтрующего материала.

По этому признаку известные фильтрующие материалы можно разделить на две группы: первая фильтрующие материалы с нерегулярным хаотичным расположением составляющих их элементов (неориентированное штапельное волокно, частицы или гранулы неорганической (органической) природы, надмолекулярные образования), определяющих структуру фильтрующего материала. К этой группе материалов можно отнести нетканые материалы, бумагу, картон, керамику; вторая фильтрующие материалы с регулярным, заданным расположением составляющих их элементов (проволока, различные комплексные нити, мононити, пряжа и др.), определяющих структуру фильтрующего материала. К фильтрующим материалам этой группы с регулярным расположением составляющих элементов можно отнести различные ткани, сетки и т.п. Кроме того, необходимо отметить, что процесс фильтрации, заключающийся в отделении механических примесей из фильтруемой среды, может осуществляться в объеме фильтрующего материала или на его поверхности. К материалам, обеспечивающим задержание частиц преимущественно в своем объеме, относятся, например, нетканые материалы, керамика, вспененные полимерные материалы.

К материалам, обеспечивающим задержание механических частиц в основном на своей поверхности, относятся бумага, ткани, сетки, полимерные пленки.

Материалы с поверхностным и объемным задержанием механических частиц имеют в своем сравнении как положительные, так и отрицательные стороны. Так материалы, обеспечивающие объемное фильтрование, т.е. задержание частиц фильтруемой среды в своем объеме, позволяют иметь больший ресурс работы в сравнении с материалами поверхностной фильтрации, но они не обеспечивают гарантированный процент задержки частиц заданного размера. Материалы же поверхностного фильтрования наоборот обеспечивают стабильность процента задержания частиц заданного размера, но имеют меньший ресурс работы. При этом следует отметить, что оба показателя, а именно ресурс работы фильтрующего материала и гарантированный стабильный процент задержания частиц заданного размера имеют практически равные значения и являются основными показателями фильтрующего материала, обеспечивающего необходимые условия нормальной работы технологических установок.

Такая обратная зависимость этих показателей объясняется тем, что в фильтрующих материалах с поверхностной очисткой происходит забивание имеющихся сквозных пор отфильтрованными частицами в основном на входе в них, что приводит к снижению площади фильтрации, а следовательно вызывает резкий рост перепада давления в системе до предельного значения, что снижает срок службы фильтрующего материала.

Однако, поскольку независимо от общего числа незабитых пор фильтрующий материал продолжает обеспечивать отделение частиц заданного размера, следовательно, этот материал обеспечивает гарантированный процент задержания этих частиц.

В материалах, реализующих объемную фильтрацию, поры, пронизывающие всю их толщину, соединяются друг с другом и имеют форму с неодинаковым сечением по длине. За счет этого частицы фильтруемой среды имеют возможность проникать в глубь фильтрующего материала, задерживаясь в местах локального сужения пор. Забивание пор не ведет к резкому падению пропускной способности фильтрующего материала, так как поры в нем связаны друг с другом и поток фильтруемой среды будет проходить через смежные поры. Кроме этого, при движении жидкости в порах фильтрующего материала происходит задержание частиц за счет их адгезии к стенкам пор, т.е. к элементам структуры фильтрующего материала, образующим поры.

Однако по технологическим причинам невозможно изготовить фильтрующие материалы, обеспечивающие объемную фильтрацию и имеющие строго определенные размеры пор. Это обстоятельство и приводит к тому, что эти фильтрующие материалы не обеспечивают гарантированный процент задержания частиц.

Таким образом, ни один из вышеперечисленных фильтрующих материалов не может обеспечить одновременно оптималтьное значение обоих показателей, т.е. необходимый срок службы и гарантированный процент задержания частиц заданной величины, что не позволяет широко использовать их в фильтрах различных технологических установок. Это вызывает в свою очередь подбор того или иного материала в зависимости от конкретных условий эксплуатации фильтра, что снижает технологические возможности фильтрующего материала.

Наиболее близким к предлагаемому фильтрующему материалу по количеству существенных признаков являются фильтрующие тканевые материалы [1] Эти материалы орбразованы из нитей, разбитых, как правило, на две группы, причем нити одной группы попеременно расположены то сверху, то снизу нитей другой группы, при этом нити в каждой из групп расположены параллельно друг другу, а одна группа нитей расположена под углом к другой группе, причем для тканей и сеток этот угол составляет 90^о. В зависимости от закономерности чередования расположения нитей друг на друге между нитями образуются различной формы ячейки.

Технической задачей изобретения является создание такого фильтрующего материала, который обеспечивал бы максимальное число необходимых показателей при эксплуатации в различных технологических установках, различных видов транспортных средств при фильтрации различных сред, т.е. имел бы более широкие технологические возможности за счет сочетания положительных свойств присущих материалам и поверхностной и объемной фильтрации.

Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что фильтрующий материал, выполненный из групп нитей, размещенных в каждой группе параллельно друг другу на расстоянии, одна от другой превышающем толщину нити, при этом нити одной группы расположены под углом к нитям предыдущей группы, каждая последующая группа нитей размещена на предыдущей, а и их количество выполнено более двух, при этом угол между нитями каждой предыдущей и последующей групп выполнен переменным.

Кроме того, группы с одинаковым направлением нитей смещены относительно друг друга. Одновременно с этим угол между нитями каждой пары последующих групп выполнен менее угла между каждой парой предыдущих групп. Кроме того, каждая нить выполонена из отдельных филоментов. При этом каждая последующая группа нитей размещена с возможностью контакта как минимум с двумя предыдущими группами. Одновременно с этим расстояние между двумя соседними нитями в каждой группе выполнено не менее двух толщин нити.

Отличительными существенными признаками предлагаемого фильтрующего материала от известного являются:
расположение одной группы нитей на другой;
выполнение фильтрующего материала из числа групп нитей более двух;
выполнение угла между нитями каждой предыдущей и последующей группы переменным;
смещение групп с одинаковым направлением нитей относительно друг друга;
выполнение угла между нитями каждой пары последующих групп менее угла между каждой парой предыдущих групп;
выполнение нитей из отдельных филаментов;
размещение каждой последующей группы нитей с возможностью контакта как минимум с двумя предыдущими группами;
выполнение расстояний между двумя соседними нитями в каждой группе не менее двух толщин нити.

Предлагаемое изобретение обеспечивает возможность использования фильтрующего материала в фильтрах различного назначения при фильтрации как различных сред, так и в различных условиях эксплуатации за счет сочетания положительных свойств, присущих материалам поверхностной и объемной очистки, т.е. обеспечения необходимого ресурса эксплуатации и гарантированного процента задержания необходимых частиц.

Это достигается тем, что при наложении группы нитей на предыдущую группу с постепенным изменением угла наклона и смещения нитей в толщине материала образуются разветвленные поры, состоящие из ячеек, смещающиеся в процессе увеличения числа групп и изменяющиеся по форме и площади сечения.

При достаточном числе групп эти ячейки и создают поры, имеющие переменное направление и сечение. Эти поры, изменяя свое направление и разветвляясь, идут от одной наружной поверхности фильтрующего материала к другой. Наличие этих пор и обеспечивает объемную фильтрацию, т.е. задержание частиц на боковых поверхностях пор, что не вызывает быстрое их зарастание, а следовательно рост перепада давления. Это и увеличивает ресурс работы фильтра в целом. Примененное же сечение пор, изменяющееся от величины превышающей размер отфильтрованных частиц до величины меньшей размера этих частиц, позволяет обеспечить стабильность показателя гаранитрованного процента задержания частиц.

На фиг. 1 изображено 12-ть групп нитей; на фиг. 2, 3, 4 поперечное сечение фильтрующего материала в 3-х параллельных плоскостях.

Фиг. 1, 2, 3, 4 выполнены на ЭВМ по программе расположения нитей с обозначением и номера.

Предлагаемый фильтрующий материал состоит из большого числа нитей 1, уложенных группами 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13. В каждой группе нити расположены параллельно друг другу с заданным шагом h. Группа 3 нитей 1 размещена непосредственно на группе 2 так, что между нитями этих групп образуется угол α. Начальный угол α= α_н между нитями групп 2 и 3 имеет максимальное значение, а далее значение угла α уменьшается до конечного значения α_к. Кроме того, величина начального угла α_н также может быть различной в зависимости от природы нитей (неорганические, органические, растительного или животного происхождения). На группу 3 нитей 1 уложены нити группы 4, при этом нити имеют то же направление, что и нити группы 2, но смещены относительно них на величину Δh. Кроме того, нити 1 группы 4 размещены под меньшим углом α к нитям группы 3, чем нити группы 3 по отношению к нитям группы 2. Нити группы 5 размещены в том же направлении, что и нити группы 3, с тем же смещением Δh, что и нити группы 4 по отношению к нитям группы 3 и под меньшим углом.

Далее нити последующих групп 6, 7, 8, 9, 10, 11, 13 и т.д. расположены друг на друге, при этом нити, имеющие одинаковое направление, т.е. нити групп 6, 8, 10, 12 смещены относительно нитей предыдущих групп на величину Δh, например, слева направо, а нити групп 7, 9, 11 на эту же величину Δh справа налево. При этом угол α между нитями каждой последующей группы по отношению к нитям предыдущей группы уменьшается на величину Δα. Расстояние h между нитями 1 в группе выполняют более двух максимальных толщин нити, в силу чего нить каждой последующей группы имеет возможность контакта с нитями двух и более групп.

На фиг. 1 для наглядности изображено двенадцать групп нитей, в силу чего между нитями образуются окна 14.

В действительности при дальнейшем наложении групп нитей друг на друга создают как бы полное перекрытие таких окон. Для убедительности дадим пример в цифрах. Комплексная нить состоит из 100.120-ти элементарных нитей и имеет толщину порядка 0,3 мм. По условиям эксплуатации фильтрующий материал, как правило, имеет общую толщину порядка 15-20 мм. Из этого видно, что число рядов нитей в таком материале достигает значения 50.70. На фиг. 1 изображено только 12-ть слоев, но ячейка, образованная между нитями двух первых групп при 12-ти группах нитей уменьшилось более чем в 2 раза.

На фиг. 2, 3 и 4 изображены поперечные сечения фильтрующего материала, плоскости сечения которых удалены на 3 мм друг от друга. Из этих фигур видно, что канал 15 (фиг. 2), образованный яечйками между нитями 1^а, 1^б, 1^в как бы перекрыт, т.е. является тупиковым. Однако из фиг. 3 видно, что этот же канал 15 между этими же нитями 1^а, 1^б и 1^в является сквозным. При этом следует учесть, что расстояние между сечениями по фиг. 2 и 3 удалены друг от друга всего на 3 мм. Таким образом, из этих фигур видно, что канал 13 имеет сложную конфигурацию и состоит из криволинейных вертикального участка, горизонтального участка между сечениями и далее вновь из вертикального участка. При этом ширина каналов то увеличивается, то уменьшается.

Каждая нить 1, как отмечалось ранее, состоит из большого числа элементарных нитей и при наложении большого числа групп нитей с возможностью контакта с нитями более двух групп и позволяет создать сложную структуру пор с одновременным обеспечением сквозного прохода по ним фильтруемой среды. При прохождении фильтруемой среды крупные частицы застревают внутри канала поры соответствующего сечения, а малые частицы продолжают перемещаться до сечения, величина которого меньше, чем эта частица. Кроме того, эффективность фильтрации усиливается за счет того, что часть фильтруемой среды проходит сквозь зазоры между элементарными нитями.

Таким образом, решение поставленной технической задачи обеспечивается расположением нитей каждой последующей группы непосредственно на нитях предыдущей группы с одновременным увеличением числа групп и изменением угла наклона между нитями каждой последующей пары групп, смещением групп с одинаковым направлением нитей. Все это обеспечивает в свою очередь регулярность структуры.

Выполнение нитей из отдельных филаментов позволяет усилить эффект глубинной объемной фильтрации.

Все вышеперечисленное позволяет создать фильтрующий материал, обеспечивающий гарантированный процент задержания частиц с длительным сохранением гидравлических характеристик (соотношением расхода и давления), т.е. обеспечивает сочетание положительных качеств, присущих различным фильтрующим материалам. Все это позволяет использовать предлагаемый фильтрующий материал во многих отраслях промышленности и в различных технологических установках, т. е. расширить технологические возможности.

Использование: очистка жидких и газообразных сред. Сущность изобретения: фильтрующий материал, выполненный из групп нитей, размещенных в каждой группе параллельно друг другу на расстоянии одна от другой, превыщающем толщину нити, при этом нити одной группы расположены под углом к нитям предыдущей группы, каждая последующая группа нитей размещена на предыдущей, а их общее количество выполнено более двух, при этом угол между нитями каждой предыдущей и последующей групп выполнен переменным. Группы с одинаковым направлением нитей смещены относительно друг друга, а угол между нитями каждой пары последующих групп выполне менее угла между каждой парой предыдущих групп. Каждая нить выполнена из отдельных филаментов, а каждая последующая группа нитей размещена с возможностью контакта как минимум с двумя предыдущими группами. Расстояние между двумя соседними нитями в каждой группе выполнено не менее двух толщин нити. 4 ил., 5 з.п. ф-лы.

1. ФИЛЬТРУЮЩИЙ МАТЕРИАЛ, выполненный из групп нитей, размещенных в каждой группе параллельно друг другу на расстоянии одна от другой, превышающем толщину нити, при этом нити одной группы расположены под углом к нитям предыдущей группы, отличающийся тем, что каждая последующая группа нитей размещена на предыдущей, количество групп выполнено более двух, при этом группы с одинаковым направлением нитей смещены относительно друг друга. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что угол между нитями каждой предыдущей и последующей групп выполнен переменным. 3. Материал по пп.1 и 2, отличающийся тем, что угол между нитями каждой пары последующих групп менее угла между каждой парой предыдущих групп. 4. Материал по пп.1 3, отличающийся тем, что каждая нить выполнена из отдельных филаментов. 5. Материал по пп.1 4, отличающийся тем, что каждая последующая группа нитей размещена с возможностью контакта не менее чем с двумя предыдущими группами. 6. Материал по пп. 1 5, отличающийся тем, что расстояние между двумя соседними нитями в каждой группе составляет не менее двух толщин нити.