ФИЛЬТР Российский патент 1996 года по МПК B01D36/00 B01D39/20 B04C9/00 

Изобретение относится к очистке жидкостей и газов от дисперсных включений с помощью фильтрующих элементов из спеченных пористых материалов и может быть использовано при очистке агрессивных жидкостей, топлив и масел от твердых примесей, запыленных горячих газов и воздуха от частиц пыли и капельных примесей, при очистке выхлопных газов дизельных двигателей от сажевых частиц и в других областях техники.

Известен фильтр, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками, в котором с общим кольцевым зазором размещен трубчатый фильтрующий элемент, образованный набором параллельно установленных друг относительно друга пористых керамических трубок, заглушенных с одного торца и имеющих спиральную канавку на наружной поверхности. Каждая пористая трубка вставлена внутрь плотной трубки так, что между ними образуется кольцевой винтовой канал. При работе фильтра суспензия через впускной патрубок поступает в полость корпуса и проходит в кольцевой винтовой канал снаружи каждой пористой трубки. Статическим давлением жидкость фильтруется в радиальном направлении через стенки пористых трубок, и фильтрат удаляется через их открытый торец по выпускному патрубку. Осадок удаляется со стенок кольцевого винтового канала входящим потоком суспензии, концентрация которой непрерывно увеличивается, и сгущенная суспензия накапливается в общем кольцевом зазоре, откуда постепенно удаляется через специальное отверстие в боковой стенке корпуса (см. заявку ФРГ N 2800125, кл. B 01 D 29/20, опубл. 12.07.79).

Недостатком известного фильтра является его повышенное гидравлическое сопротивление, обусловленное наличием узких кольцевых винтовых каналов снаружи пористых трубок, а также существенно меньшей площадью внутренней выходной поверхности трубок в сравнении с площадью ее наружной оребренной входной поверхности.

Известен фильтр для очистки газа от пыли, образующейся при производстве полупроводников, который содержит корпус с размещенным в ней керамическим фильтрующим элементом, выполненным в виде пористого спеченного многогранного блока с рядами осевых сквозных каналов. Подача запыленного газа-азота осуществляется в радиальном направлении к блоку через его наружную поверхность, а выход очищенного газа осуществляется через осевые каналы. Толщина пористых перемычек между каналами составляет 2 мм и более, диаметр пор 10 15 мкм. Для удержания мелких частиц пыли на стенки каналов наносится тонкий мембранный керамический слой (см. пат. США N 4902314, кл. B 01 D 39/20, 55-97, опубл. 20.02.90).

Недостаток известного фильтра заключается в том, что при радиально-осевом течении газа через фильтрующий блок максимальный расход приходится на пористые перемычки между осевыми каналами наружного ряда. Это ведет к более быстрому забиванию пылью пористого объема блока между каналами внешнего ряда и соответственно к более быстрому росту гидравлического сопротивления фильтра в целом.

Известен фильтр для очистки выхлопных газов дизельных двигателей от сажевых частиц, содержащий цилиндрический корпус с впускным боковым и выпускным центральным патрубками, в котором с кольцевым зазором размещен цилиндрический трубчатый фильтрующий элемент, выполненный из спеченной пенокерамики и закрепленный между торцами корпуса, фильтрующий элемент может быть изготовлен двухслойным, с наружным крупнопористым и внутренним мелкопористым слоями. Выхлопные газы через впускной патрубок поступают в кольцевой зазор, проходят в радиальном направлении через оба слоя фильтрующего элемента, поворачивают на 90 градусов и вытекают наружу по его оси через выпускной центральный патрубок (см. пат. США N 4732594, кл. B 01 D 39/06, 55-523, опубл. 22.03.88).

Недостатки известного фильтра состоят в том, что при радиальном обтекании цилиндрической пористой трубы выхлопными газами гидравлическое сопротивление фильтра возрастает из-за неравномерного расхода по поверхности трубы и, как следствие, неравномерного забивания ее пористого объема частицами сажи. Кроме того, отсеченная в описании к патенту необходимость иметь большую поверхность фильтрации за счет увеличения количества пор в пенокерамике приводит к снижению прочностных характеристик фильтрующего элемента и потере его работоспособности в условиях виброударных и термоциклических нагрузок при работе двигателя.

Известен фильтр для отделения золы от газа, образующегося при сжигании угля с температурой 1200 1700^oC, содержащий цилиндрический корпус с топкой, в которой с кольцевым зазором размещена цилиндрическая пористая труба, выполненная из пористой керамики (оксидов алюминия, кремния, магния, циркония) и закрепленная торцами в топке. Газообразные продукты сгорания, содержащие зону в виде жидких капель, проходят через стенки пористой трубы в радиальном направлении, а очищенные газы отводятся по ее оси в обе стороны через центральные патрубки корпуса (см. заявку ФРГ N 3720963, кл. B 01 D 39/06, F 23 J 5/00, опубл. 05.01.89).

К недостаткам известного фильтра наряду с неравномерностями расхода газа через пористую трубу, обусловленными радиальной схемой его подачи, относятся также неразвитость поверхности фильтрования и повышенная скорость ее забивания каплями жидких продуктов сгорания.

Известен фильтр для очистки запыленных газов, в частности нагретых, содержащий корпус, в котором размещен оребренный снаружи трубчатый фильтрующий элемент, выполненный из пористого спеченного материала. На выступах ребер, коаксиально трубе закреплен слой фильтрующей ткани, а образованная между ними кольцевая камера соединена с трактом для подачи сжатого воздуха. При работе фильтра тракт подачи сжатого воздуха перекрывается, газы подаются снаружи через слой фильтрующей ткани, попадают в кольцевую камеру и проходят через стенки спеченной пористой трубы. Затем очищенные газы вдоль по оси трубы проходят в выпускной патрубок, размещенный на корпусе фильтра. При регенерации фильтра сжатый воздух подается в кольцевую камеру и очищает противотоком слой фильтрующей ткани от пылевых частиц (см. заявку ФРГ N 3919505, кл. B 01 D 46/00, 46/14, опубл. 23.08.90).

Недостатки известного фильтра, также как и приведенных аналогов, заключаются в неравномерности процесса фильтрации при радиальной подаче газа и быстром увеличении перепада давления на фильтрующем элементе. Повышенное гидравлическое сопротивление cоздается также спеченной пористой оребренной трубой, являющейся подложкой для слоя фильтрующей ткани и практически не участвующей в фильтрации. При этом возникает задача надежного крепления слоя фильтрующей ткани с поверхностью ребер пористой трубы, причем места крепления уменьшают фильтровальную поверхность, что также увеличивает ее гидравлическое сопротивление.

Наиболее близким к заявленному по технической сущности и достигаемому результату является фильтр, содержащий корпус, фильтрующий элемент, размещенный в корпусе с кольцевым зазором, выполненный с гофрированной поверхностью, тангенциально которой установлен впускной патрубок, а выпускной патрубок соединен с внутренней поверхностью фильтрующего элемента (а.с. N 806137, кл. B 04 C 9/00, 1981).

Недостатком известного фильтра является низкая производительность при фильтровании жидкостей с тонкими частицами.

Техническим результатом изобретения является повышение эффективности фильтров с радиально-осевым течением фильтруемой среды, а именно их производительности и ресурса за счет снижения гидравлического сопротивления и неравномерностей расхода через фильтрующего элементы.

Для решения поставленной задачи и достижения технического результата изобретения авторами предлагается в известном фильтре, содержащем корпус с впускным и выпускным патрубками, в котором с кольцевым зазором размещен фильтрующий элемент, установленный между торцами корпуса, выполнить фильтрующий элемент из спеченного материала с поперечными гофрами, образующими его пористое тело, установить впускной патрубок преимущественно тангенциально к гофрированной поверхности фильтрующего элемента и соединить его с кольцевой полостью посредством прорези, выполненной вдоль корпуса по его образующей, снабдить корпус дополнительной полостью для сбора отсепарированных частиц и также соединить ее с кольцевой полостью.

Кроме того, гофры могут быть выполнены конусными, соединение впускного патрубка с кольцевой полостью может быть образовано улиткой, а внутренние гофры выполнены с диаметрами, увеличивающимися в направлении выпускного патрубка.

Выполнение фильтрующего элемента с поперечными (круговыми, кольцевыми) гофрами, образующими его пористое тело, позволяет развить площадь как наружной, так и внутренней поверхности трубы, превращая ее в пористый сильфон и тем самым сохраняя толщину ее стенки и не увеличивая ее длину. Это обеспечивает снижение расхода газа или жидкости через единицу поверхности пористого сильфона, уменьшение перепада давления на его равнотолщинной стенке и позволяет увеличить производительность фильтра. Кроме того, потребное давление на прокачку фильтруемой среды может быть снижено. Но при этом не исключается опасность забивания локальных участков пористого сильфона крупными частицами, что может привести к росту его гидравлического сопротивления задолго до расчетного значения. Для исключения такого забивания, а также для дополнительного снижения перепада давления за счет уменьшения лобового сопротивления гофров впускной патрубок устанавливается преимущественно тангенциально к гофрированной поверхности пористого сильфона. При этом раздача набегающего потока по длине прорези, выполненной вдоль корпуса по его образующей, обеспечивает равномерную подачу фильтруемой среды по касательной ко всей гофрированной поверхности пористого сильфона так, чтобы снизить осевые перетечки среды и ее торможение между соседними гофрами и обеспечить преимущественную закрутку потока по внутренней поверхности корпуса. Для выравнивания поля скоростей потока прорезь может быть образована заранее калиброванными перфорированными отверстиями заданной формы, содержать сетки и т.д. Круговое течение в кольцевой полости с радиальным отсосом через гофры позволяет осуществлять предварительную очистку потока путем сепарации наиболее крупных твердых и капельных примесей за счет центробежных сил и уменьшать их концентрацию в потоке, проходящем через гофрированную поверхность, уменьшая тем самым степень забивания ее пор и увеличивая время эффективного фильтрования. Для сбора отсепарированных частиц служит дополнительная полость (бункер, карман), которая конструктивно связана с корпусом и соединена с кольцевой полостью, окружающей пористый сильфон. Тем самым концентрация частиц в кольцевой полости, заполняемой фильтруемой средой, не возрастает. Выполнение гофров с небольшим углом конусности (6 10 градусов) между их стенками создает оптимальные условия для безотрывного течения потока между соседними гофрами без образования местных возмущений (вихрей), способствующих увеличению общего гидравлического сопротивления. Кроме того, одинаковый наклон гофров (как наружных, так и внутренних) способствует более равномерной раздаче фильтруемой среды по их высоте. Выполнение гофров с такой конусностью целесообразно для фильтров, используемых в системах с низким входным давлением и большой скоростью входящего потока, например в системах очистки выхлопных газов дизелей от частиц сажи. Соединение впускного патрубка с кольцевой полостью, окружающей пористый сильфон, с помощью улитки позволяет влиять на переносную скорость очищаемого потока в спиральном канале за счет выбора радиуса кривизны спирали так, чтобы при минимально допустимом гидравлическом сопротивлении фильтра в целом обеспечить требуемую степень сепарирования частиц перед фильтрацией через пористый сильфон. Выполнение внутренних гофров с диаметрами, увеличивающимися в направлении выпускного патрубка, способствует снижению гидравлического сопротивления потоку среды за счет постепенного расширения проходного сечения по оси сильфона (пористый сильфон с внутренним диффузором).

На фиг. 1 приведен фильтр в разрезе; на фиг. 2 вид сбоку на фильтр с улиткой; на фиг. 3 укрупненно показана конфигурация конических гофров; на фиг. 4 продольное сечению пористого сильфона с внутренним диффузором.

Фильтр содержит цилиндрический корпус 1, на боковой поверхности которого установлен впускной патрубок, а на торцах выпускные патрубки 3 (такой патрубок в зависимости от привязки фильтра к конкретной системе очистки может быть выполнен и на одном торце). Внутри корпуса размещен пористый гофрированный фильтрующий элемент сильфон 4, установленный в корпусе с кольцевым зазором 5 и закрепленный между торцами корпуса в местах 6 так, что полость сильфона сообщается с выпускными патрубками.

Вдоль корпуса 1 выполнена прорезь 7, соединяющая друг с другом входной патрубок 2 и кольцевой зазор 5. В нижней части корпуса установлена дополнительная полость 8, выполненная в виде бункера для сбора отсепарированных частиц 9, который может быть съемным или иметь крышку для выгрузки частиц. В варианте фильтра с улиткой 10 (фиг. 2), предназначенном, например, для улавливания сажевых или других легко выжигаемых частиц, в центральной полости пористого сильфона 4 устанавливается нагревательный элемент 11 (электрическая спираль). Как показано на фиг. 3, пористый сильфон может быть выполнен с конусными гофрами 12, угол α между стенками которых составляет 6 10 градусов. Кроме того, как показано на фиг. 4, пористый сильфон может иметь внутренний диффузор 13, расширяющийся в направлении выпускного патрубка. Направление течения газа на фигурах обозначено стрелками.

Фильтр работает следующим образом.

В конструкции, приведенной на фиг. 1, фильтруемая среда вводится в фильтр через патрубок 2 по касательной к внутренней поверхности цилиндрического корпуса 1 с помощью прорези 7 и совершает вращательно-поступательное движение в кольцевом зазоре 5 вдоль гофров 12 пористого сильфона 4. Под действием центробежной силы наиболее крупные дисперсные частицы (пыль, сажа, капли влаги и др.) сепарируются из потока и попадают в бункер 8, где постепенно накапливаются. Далее поток заходит в промежутки между гофрами и фильтруется через пористые стенки гофров 12, очищается от мелких частиц и выходит по оси фильтра через патрубки 3.

В конструкции, приведенной на фиг. 2, вращательное движение потока и сепарация крупных частиц обеспечиваются с помощью улитки 10, в нижней части которой установлен бункер 8 для сбора отсепарированных частиц 9. Последующее течение через пористый сильфон 4 осуществляется аналогично фиг. 1. При вертикальном расположении фильтра бункер 8 размещается на нижнем торце корпуса 1, что обеспечивает удобство его разгрузки и/или замены.

Сильфон 4 может выполняться из пористых порошковых материалов (металлических и керамических), пористых материалов из волокон (также металлических и керамических), пористых материалов из вязаных и тканых металлических сеток, высокопористых ячеистых и др. спеченных высокотемпературных материалов. Способы изготовления сильфона из порошковых материалов заключаются в формовании заготовки сильфона методами порошковой металлургии и ее спекании. При изготовлении сильфона из волокон используются операции войлокования, формования пористой заготовки из войлока и ее спекания. Одна из технологий изготовления сильфона из металлических сеток включает операции получения гладкостенной трубы типа рукава или оплетки, осаживания ее на специальной оправке с формированием кольцевых гофров и спекания полученной заготовки в вакууме для окончательного закрепления нитей путем их диффузионной сварки в местах контакта друг с другом. При получении гофрированной заготовки сильфона также может использоваться технология вязания трикотажных вязаных сеток на кругловязальных металлических станках-автоматах. При изготовлении сильфона из высокопористого ячеистого металлокерамического материала используется технология пропитки порошковой суспензией гофра-основы из пенополиуретана с последующей сушкой заготовки, термообработкой ее для удаления пенополиуретана, изотермической выдержкой для удаления остатков органики и спеканием.

Таким образом, в заявляемом фильтре может использоваться пористый сильфон, изготовленный из промышленно освоенных спеченных материалов, с учетом необходимых конструкторско-технологических требований к фильтру.

Способы регенерации заявляемого фильтра являются стандартными и выбираются в зависимости от природы фильтруемой среды (газ, жидкость, суспензия) и улавливаемых частиц (твердые, капельные), условий эксплуатации, монтажа и т. д. Фильтр может регенерироваться в режиме противотока чистым фильтратом, а также выжигаться с помощью спирали 11, разбираться и регенерироваться в ультразвуковой ванне и т.д.

Ниже приведены примеры выполнения заявляемого фильтра для очистки жидкости и газа.

Пример 1.

Фильтр для очистки моторного топлива от твердых частиц выполнен по схеме фиг. 1. Фильтр содержит пористый сильфон длиной 150 мм, изготовленный из спеченного сферического порошка малоуглеродистой стали. Наружный диаметр сильфона (по наружным гофрам) 60 мм, внутренний диаметр (по внутренним гофрам) 25 мм. Толщина стенки гофров 3 мм, количество гофров 10 шт. Пористость стенки гофров составляет 40% максимальный размер пор 60 мкм. Площадь поверхности пористого сильфона составляет 720 см², что обеспечивает при его проницаемости по топливу, равной 1 л/мин•см², с коэффициентом динамической вязкости h 2,5 Па•с, при давлении 0,1 МПа, расход через фильтр 720 л/мин. Для сравнения при тех же параметрах фильтрующего элемента, но выполненного в виде гладкостенной пористой спеченной трубы длиной 150 мм, наружным диаметром 60 мм, с толщиной стенки 3 мм, расход через фильтр, имеющий одинаковые габариты с заявляемым фильтром, составляет 280 л/мин, т.е. в 2,6 раза меньше. Тангенциальная подача топлива через впускной патрубок в кольцевой зазор диаметром 66 мм по касательной к вершинам гофров обеспечивает в ней сепарацию частиц размером более 180 мкм, которые накапливаются в бункере, размещенном в донной части корпуса. В случае снижения расхода через заявляемый фильтр до уровня 280 л/мин, как в сравниваемом фильтре, давление во впускном патрубке с учетом потерь на закрутку потока в кольцевом зазоре может быть уменьшено с 0,1 МПа до -0,05 МПа. Тонкость очистки в пористом сильфоне по твердым частицам составляет 20 мкм, т.е. сохраняется такой же, как и в сравниваемом фильтре. Но при этом более чем в два раза увеличивается время до допустимого забивания фильтра, и соответственно уменьшается количество циклов его регенерации. Как показано выше, фильтр обеспечивает более высокую производительность.

Пример 2.

Фильтр для очистки выхлопных газов дизельных двигателей от сажевых частиц выполнен по схеме фиг. 2 (с улиткой). Сильфон с внутренним диффузором (фиг. 4) изготавливается из спеченной высокопористой ячеистой керамики по технологии пропитки заготовки сильфона из открытого пенополиуретана (ППУ) металлокерамической суспензией на основе кордиерита. Технология заключается в прессовании заготовок двух полусильфонов из ППУ, сборке их в целый сильфон, пропитке его суспензией и последующей термообработке со спеканием, обеспечивающим неразъемное соединение полусильфонов друг с другом по контактным плоскостям. Длина сильфона 210 мм, наружный диаметр 150 мм, внутренние диаметры по концам диффузора составляют 60 мм и 80 мм, толщина стенки гофров 15 мм (наружный слой 10 мм из ППУ с ячейками со средним диаметром около 400 мкм, внутренний слой 5 мм из ППУ с ячейками со средним диаметром около 300 мкм). Гофры выполнены с углом конусности 8^o. Средняя длина мелкопористой перемычки между соседними тремя ячейками в теле сильфона составляет 0,15 мкм. Пористый сильфон закреплен торцами в спиралеобразном корпусе улитки и содержит в центре электрический нагреватель трубчатого типа, выполненный из карбида кремния. Токовыводы нагревателя пропущены через глухой торец корпуса со стороны меньшего диаметра диффузора, второй торец корпуса имеет выпускной патрубок. Впускной патрубок диаметром 95 мм с помощью переходника плавно соединен с входом улитки, образующей кольцевой спиральный канал снаружи пористого сильфона. Фильтр устанавливается в горизонтальном положении с верхним расположением впускного патрубка. В донной части корпуса улитки имеется бункер для приема и сбора отсепарированных частиц, снабженный съемным поддоном. При стендовых испытаниях фильтра его гидравлическое сопротивление составило 1300 мм водяного столба, при массовом расходе выхлопных газов 600 кг/ч. Фильтр обеспечивает улавливание в спиральном канале улитки частиц размерами более 5 мкм и степень очистки газов в пористом сильфоне на уровне 5 мкм и степень очистки газов в пористом сильфоне на уровне 70% Периодическое выжигание сажи осуществляется с помощью нагревателя. При температуре выхлопных газов на уровне 600 ^oC происходит самовыжигание пористого сильфона.

Использование изобретения в различных областях техники позволит снизить энергоемкость фильтровальных установок, повысить их производительность и ресурс.

Использование: для очистки жидкостей и газов от дисперсных включений с помощью фильтрующих элементов из спеченных пористых материалов. Сущность: фильтр содержит корпус с впускным и выпускным патрубками, фильтрующий элемент в виде пористого сильфона из спеченного материала с поперечными гофрами, размещенного в корпусе с кольцевым зазором. В корпусе имеется продольная прорезь, соединяющая полость, образованную кольцевым зазором, с тангенциально установленным впускным патрубком. В корпусе предусмотрена дополнительная полость, служащая для сбора отсепарированных частиц, которая также соединена с кольцевой полостью. Гофры сильфона выполнены с углом конусности, равным 6 - 10^o, а корпус представляет собой улитку. Внутренние гофры сильфона образуют диффузор, соединенный с выпускным патрубком фильтра. При работе фильтра среда предварительно очищается от крупных примесей в кольцевом зазоре за счет сепарации, затем фильтруется вдоль гофров через пористый сильфон и по его оси выводится через выпускной патрубок. 4 ил.

Фильтр, содержащий корпус, фильтрующий элемент, размещенный в корпусе с кольцевым зазором, выполненный с гофрированной поверхностью, тангенциально которой установлен впускной патрубок, а выпускной патрубок соединен с внутренней полостью фильтрующего элемента, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен в виде пористого сильфона с поперечными гофрами, угол конусности между которыми составляет 6 10^o, а внутренняя полость сильфона выполнена с диаметром, увеличивающимся в направлении выпускного патрубка.