ФИЛЬТР Российский патент 1995 года по МПК B01D35/20 

Изобретение относится к области фильтровальной техники, а более конкретно к фильтрам для очистки жидкостей и газов при стендовых испытаниях, и предназначено для обеспечение чистоты рабочих сpед, заправляемых в гидравлические и топливные системы летательных аппаратов при их отработке.

Опыт наземной отработки летательных аппаратов показывает, что 20-40% отказов гидравлических и топливных систем вызваны некачественной очисткой рабочих сред [1] Современные требования к средствам очистки определяются условием отсутствия в рабочих средах частиц, размер которых превышает 2-5 мкм, и высоким техническим ресурсом, позволяющим проводить испытания с большими объемами фильтруемых сред. В связи с потребностью испытательных стендов в фильтрах, обеспечивающих перечисленные требования, ведется проектирование и разработка фильтров тонкой очистки с высоким техническим ресурсом.

Наиболее близким к предложенному является фильтр, содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, установленный в корпусе цилиндрический фильтроэлемент и средство для создания акустических колебаний в виде платины, один конец которой закреплен, а другой установлен свободно [2] В этом устройстве колебания фильтроэлемента препятствует осаждению загрязняющих частиц на фильтрующей поверхности, однако действующие на фильтрующий элемент вибрации создают дополнительные силы в направлении фильтрования, действующие на частицы, способствующие проскоку частиц через пористую структуру фильтрующего элемента.

Цель изобретения устранение указанного недостатка.

На фиг. 1 представлен фильтр, продольный разрез; на фиг. 2 вид А на фиг. 1.

Фильтр состоит из цилиндрического корпуса 1 с входным 2 и выходным 3 патрубками, установленного в корпусе цилиндрического фильтроэлемента, разделенного непроницаемой перегородкой 4 на часть 5 и часть 6, и средства для создания акустических колебаний в виде пластины 7, установленной в патрубке 2, один конец 8 жестко закреплен, а другой конец 9 расположен свободно.

Экспериментально было установлено, что для решения поставленной задачи необходимо свободный конец пластины 7 располагать на расстояние l (0,35-0,45)d от выходного сечения входного патрубка, где d диаметр входного патрубка 2. Размеры пластины должны быть определены из соотношений:
58 t≅ 184; b/t=8-10
H/d 0,5-0,8, где d диаметр входного патрубка, м;
t толщина пластины, м;
b длина пластины, м;
Н ширина пластины, м;
ν вязкость очищаемой среды, м²/с;
с скорость звука в очищаемой среде, м/с.

Соотношение диаметров входного патрубка 2 и корпуса должно составлять d/D0,48-1. Торец фильтрующего элемента, обращенный в сторону патрубка 2 должен быть расположен от последнего на расстоянии L (1,4-1,7)d, а кольцевой зазор δ между фильтроэлементом и корпусом должен быть определен из выражения: δ (0,08-0,2)D, где D диаметр корпуса.

Фильтр работает следующим образом.

Фильтруемая среда поступает во входной патрубок 2 фильтра, обтекает пластину 7, генерируя за ней вихревой звук (звуковую волну). Под воздействием колебаний среды во входном патрубке образуются поперечные стоячие волны. В пучностях стоячей волны (минимальное акустическое давление), как известно, происходит группировка частиц примеси, находящихся в фильтруемой среде (Ганиев Р.Ф. Украинский Л.Е. Динамика частиц при воздействии вибраций. Киев: Наукова думка, 1975). Воздействие акустического давления существенным образом сказывается на частицах, меньших 5 мкм. Поэтому частицы мелкой фракции, находящиеся в фильтруемом потоке, локализуются в пучностях стоячей волны и коагулируют между собой, т.к. частицы указанных размеров являются хорошо слипающимися независимо от собранных физико-химических свойств. Следовательно, под воздействием плоской стоячей волны фракционный состав примесей в потоке изменяется в сторону уменьшения частиц мелкой фракции и происходит концентрация примесей в пучностях стоячей волны.

Наиболее интенсивная стоячая волна это волна, образующаяся на частоте низшей моды поперечных колебаний. Поэтому геометрические размеры пластины выбраны из условия генерирования вихревого звука на частотах, соответствующих низшим модам поперечных колебаний. Соотношение диаметров входного патрубка и корпуса выбраны из условия акустически открытого конца, позволяющего свободно распространяться звуковым волнам в корпус фильтра.

Таким образом, формируется поток, фракционный состав примесей в котором изменяется в сторону увеличения частицы крупных размеров, а осевой слой содержит повышенную концентрацию примесей (стоячая волна на частоте низшей моды поперечных колебаний имеет одну пучность на оси симметрии). Поступая в корпус 1 фильтра, центральная (осевая) часть потока проходит в открытое сечение фильтрующего элемента, а периферийный слой в кольцевой зазор между корпусом и фильтроэлементом. Расстояние от выходного сечения патрубка до части 5 фильтроэлемента должно быть порядка длины образованной стоячей волны, а расстояние от задней кромки пластины до выходного сечения патрубка 2 должно быть порядка 1/4 длины волны с учетом диапазона коэффициентов затухания 0,8-0,95, т. к. при увеличении расстояния акустический эффект интенсивно затухает, а уменьшение расстояния уменьшает время акустического воздействия на частицы примеси. Следовательно, снижается количество локализованных в пучности волны частиц. Размер кольцевого зазора выбран из условия обеспечения прохода через фильтроэлемент большей части потока с локализованными частицами с учетом расширения потока при входе в корпус.

На часть 6 поступает отфильтрованный через часть 5 поток и периферийная часть потока. Следовательно, поток, фильтруемый через часть 6, содержит частицы преимущественно крупных размеров (от периферийной части потока) и общая концентрация примесей снижена благодаря очистке через часть 5 фильтроэлемента.

Таким образом, конструкция фильтра, удовлетворяющая вышеперечисленным соотношениям, позволит, во-первых, повысить технический ресурс фильтров за счет реализации поверхностного механизма фильтрования, обусловленного изменением фракционного состава примеси под воздействием плоской стоячей волны. Уменьшение частиц малых размерных фракций приводит к тому, что внутрипоровое пространство фильтроэлемента засоряется медленно, что увеличивает время его эксплуатации. Аналогично, снижение общей концентрации примесей в потоке и наличие в нем преимущественно частиц крупных фракций тоже увеличивает время эксплуатации фильтра.

Во-вторых, фильтр позволит повысить надежность процесса фильтрования за счет уменьшения количества частиц малых размеров фракций и образования фильтрующей прослойки из частиц крупных фракций на фильтрующей поверхности. В-третьих, изменение фракционного состава примеси позволяет для получения заданной степени очистки фильтруемой среды использовать более крупнопористую фильтрующую перегородку, что существенно снижает сопротивление фильтров и, следовательно, увеличивает его пропускную способность. Кроме того, в фильтре реализуются две ступени очистки, отличающиеся тем, что через часть 5 фильтруемый поток за счет измененного фракционного состава очищается от мелкодисперсной фазы, а через часть 6 от более крупной.

Сущность изобретения: во входном патрубке фильтра установлена пластина, одна кромка которой жестко закреплена, а другая расположена на расстоянии l (0,35 0,45)d, где d диаметр входного патрубка, от выходного сечения входного патрубка. Размеры пластины определяются соотношениями b/t 8 10, H 0,5 0,8; H/d 0,5 0,8, где H толщина, длина, ширина пластины; ν вязкость среды, с скорость звука в среде. Соотношение диаметров входного патрубка и корпуса A/d 0,48 1. Внутренняя полость фильтроэлемента разделена непроницаемой перегородкой на две части. Торец фильтроэлемента расположен на расстоянии L (1,4 1,7)d от выходного сечения патрубка. Кольцевой зазор между фильтроэлементом и корпусом определяется соотношением d=(0,08-0,2)D. 2 ил.

ФИЛЬТР, содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками, установленный в корпусе цилиндрический фильтроэлемент и средство для создания акустических колебаний в виде пластины, один конец которой закреплен, а другой установлен свободно, отличающийся тем, что пластина установлена во входном патрубке, а свободный конец ее расположен на расстоянии l ( 0,35 ^oC 0,45 ) d от выходного сечения входного патрубка, где d диаметр входного патрубка, размеры пластины определены из соотношений

b/t 8 10;
H/d 0,5 0,8,
где d диаметр входного патрубка, м;
t толщина пластины, м;
b длина пластины, м;
h ширина пластины, м;
ν вязкость очищаемой среды, м²/с;
c скорость звука в очищаемой среде, м/с;
при этом соотношение диаметров входного патрубка и корпуса равно d/D 0,48 1, фильтрующий элемент снабжен непроницаемой перегородкой, разделяющей его внутреннюю полость на две части, и торец фильтрующего элемента, обращенный в сторону входного патрубка, расположен от выходного сечения патрубка на расстояние L (1,4 1,7 ) d, а кольцевой зазор d между фильтроэлементом и корпусом определен из выражения
d = (0,08-0,2)D, м,
L расстояние между торцом фильтрующего элемента выходным сечением патрубка, м;
D диаметр корпуса, м.