ЩЕЛЕВОЙ ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЙ ПАТРОН Российский патент 2003 года по МПК B01D29/44 B01D24/38 B01D101/02 B01D101/04 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки жидкости от механических примесей, преимущественно в системах дренажа напорных кварцевых, ионообменных и сорбционных фильтров, предназначенных для осветления, очистки, умягчения, обработки вод промышленного и хозяйственно-питьевого назначения.

Напорные кварцевые, ионообменные, сорбционные фильтры имеют общие конструктивные элементы и принцип действия.

Наиболее широкое применение получили фильтры для осветления воды - напорные фильтры с фильтрующим слоем, состоящим из кварцевого песка, и фильтры для умягчения ионным обменом (катионированием) со специальным мелкозернистым ионообменным материалом - ионитами.

В нормальных напорных фильтрах используют кварцевый песок со средним размером частиц фильтрующего материала от 0,3 до 0,8 мм.

В катионитовых фильтрах мелкозернистый материал, катионит, имеет размер зерен меньше 0,3 мм. Так катионит - сульфоуголь СК-1 ГОСТ 5696-74, содержит зерна размером менее 0,5 мм - 10%, менее 0,25 мм - 5%.

В конструкциях фильтров предусмотрены нижние сборно-распределительные устройства с дренажной системой, устанавливаемой на дне фильтра и предназначенной для отвода воды из под фильтрующего материала, не допуская выноса вместе с ней зерен катионита или песка, и равномерного распределения промывной воды на площади фильтра при промывке (регенерации) слоя катионита.

К дренажным устройствам относятся и так называемые дренажные колпачки различных конструкций, такие как колпачок системы М.И.Чиркина, колпачок Института Водгео, колпачок системы Б.П.Полякова, колпачок системы Водоканалпроекта, щелевой фильтровальный патрон по а.с. 2140316.

К дренажным щелевым колпачкам предъявляются определенные требования:
- они должны иметь тонкость фильтрации от 0,05 мм до 0,8 мм, при допуске отклонения от номинала щели в пределах ±0,01 мм;
- они должны обладать достаточной механической прочностью, не разрушаясь от действия веса загружающего материала и динамического давления воды;
- они не должны засоряться в процессе фильтрования;
- они должны очищаться и обеспечивать эффективную работу дренажной системы в режиме регенерации катеонита и при промывке фильтрующего материала (В. А. Клячко и др. Очистка воды промышленного водоснабжения. - М.: Гос. Издательство строительной литературы, 1950, с. 128-176, 226-232. А.Ф.Шабалин. Эксплуатация промышленных водопроводов. - М.: Металлургия, 1972, с. 236-243, 253, 254, 295-312, 361-365).

Общим признаком у большинства известных щелевых дренажных колпачков является постоянный размер фильтрующих щелей в процессе работы колпачков в режиме фильтрации и в режиме регенерации.

Известен фильтровальный патрон (а.с. 1526754, В 01 D 29/44, 1989), выполненный из свитой в винтовую спираль пружины и прикрепленных к ней с торцов фланцев, один из которых соединен с механизмом растяжения-сжатия пружины, у которой обращенные одна к другой поверхности витков спирали выполнены плоскими.

Основным недостатком известного устройства является то, что с какой бы точностью не выполнялись межвитковые зазоры, при осевом сжатии до пластической деформации в местах контакта витков, в процессе работы устройства обеспечение равновеликости межвитковых зазоров по всей длине пружины будет затруднительно, так как из-за конструктивных особенностей, свойств пружин растяжения и условий работы патрона межвитковые зазоры могут иметь значительные отклонения от необходимого номинального заданного размера щели
Механизм растяжения-сжатия устройства позволяет регулировать величины зазоров между витками пружины и производить регенерацию, но усложняет настройку механизма при регенерации, так как каждый раз необходимо откручивать, а потом закручивать регулирующую гайку, регулируя зазор по шкале, что увеличивает вероятность ошибок при установке необходимых зазоров между витками.

Известен щелевой фильтр (а.с. СССР 1318256, В 01 D 29/48, 1987), содержащий цилиндрический каркас со сквозными пазами, основной фильтрующий элемент в виде пружин сжатия и поршень, размещенный в нижней части каркаса, щелевой фильтр снабжен ограничительным кольцом, прикрепленным к верхней части каркаса, дополнительными фильтрующими элементами в виде пружин сжатия, кольцами, установленными между основным и дополнительными фильтрующими элементами, и стержнями, к которым прикреплены кольца и поршень.

Основным недостатком известного устройства является то, что пружины сжатия, в виде которых выполнены основной и дополнительные фильтрующие элементы, не обеспечивают высокое качество очистки. Вследствие динамического движения подвижных частей устройства из-за перепада давления жидкости и конструктивных особенностей пружины сжатия могут терять устойчивость, выпучиваться, а витки пружины деформироваться, вибрировать, что приводит к неравномерному и значительному изменению межвитковых зазоров.

Известен фильтр водозаборной скважины (а.с СССР 912855, Е 03 В 3/11, 1982), содержащий перфорированный цилиндрической корпус и днище, перфорация корпуса выполнена в виде прорезей, расположенных перпендикулярно образующей цилиндра и выполненных на глубину, равную сумме внутреннего диаметра корпуса и одной толщины его стенки, а также поочередно с диаметрально противоположных сторон корпуса, на равном расстоянии одна от другой.

Основными недостатками данного фильтра являются:
- в процессе фильтрации осевое усилие, возникающее вследствие перепада давления жидкости, сжимает корпус и передается на соседние кольца через одну перемычку, расположенную асимметрично относительно оси корпуса, что способствует возникновению больших изгибающих моментов в перемычках и значительных перемещений колец, что может привести к потере продольной устойчивости корпуса, а это в свою очередь может привести к неконтролируемому изменению размеров прорезей до величин больше заданных,
- асимметричное расположение одной перемычки между двумя соседними кольцами способствует возникновению больших изгибающих напряжений в перемычках и кольцах, что может привести к уменьшению прочности при циклических нагрузках элементов фильтра;
- отсутствие ограничителя осевого перемещения днища относительно неперфорированной верхней части корпуса при регенерации (чистке) фильтра, может привести к остаточным деформациям или потере прочности и разрушению перемычек и колец фильтра.

Известен щелевой фильтровальный патрон (RU 2140316, В 01 D 29/44, 1999), принятый за прототип, содержащий цилиндрический корпус с выходным патрубком и сквозными отверстиями, фильтрующий элемент и механизм изменения величины зазоров филирующего элемента.

Фильтрующий элемент снабжен прикрепленными к нему с торцов фланцами, один из которых жестко связан с корпусом и выполнен с прорезями, имеющими диаметрально противоположные перемычки, последовательно смещенные в каждой последующей прорези на угол, равный половине угла между осями перемычек, а механизм изменения величины зазоров выполнен в виде штока, закрепленного на одном из фланцев с возможностью осевого перемещения относительно корпуса, а шток снабжен упорами, ограничивающими его осевое перемещение относительно корпуса.

Основными недостатками данного щелевого фильтровального патрона являются:
- технологические трудности при изготовлении прорезей в диапазоне размеров щелей от 0,05 мм до 0,8 мм, так как требуется специальное оборудование с высокой производительностью процесса механической обработки, а отечественные электроэрозионные станки имеют очень низкую производительность при операции - резке щелей;
- большая трудоемкость операций при резке щелей, что значительно увеличивает себестоимость изготовления щелевых фильтровальных патронов;
- в процессе изготовления перфорированного корпуса из-за технологических погрешностей и наличия внутренних напряжений в заготовке при выполнении размеров щелей, обеспечивающих упругие деформации колец, необходимых для нормальной эксплуатации фильтровального патрона, сложно получить прорези с отклонениями от номинального размера в пределах ±0,01 мм, с номинальным размером в пределах от 0,1 до 0,5 мм;
- в процессе длительной эксплуатации щелевого патрона под воздействием статических и динамических нагрузок возникают остаточные деформации фильтрующего элемента, что приводит к изменению размеров прорезей в большую сторону на величины, превышающие величины допусков на размеры прорезей.

Задачей изобретения является разработка конструкции щелевого фильтровального патрона, свободного от вышеуказанных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в щелевом фильтровальном патроне для очистки жидкости от твердых примесей, содержащем цилиндрический фильтрующий элемент, имеющий равномерно распределенные поперечные прорези, соединенный с торцевыми крышками, одна из которых соединена с центральным выходным патрубком и жестко связана с цилиндрической перфорированной вставкой, которая установлена с кольцевым зазором внутри фильтрующего элемента, перфорация вставки выполнена в виде поперечных прорезей, которые смещены вдоль оси относительно прорезей фильтрующего элемента, перемычки прорезей вставки расположены равномерно по окружности и совмещены друг с другом вдоль оси, а величина кольцевого зазора не превышает высоты прорезей фильтрующего элемента и высоты прорезей вставки.

Щелевой фильтровальный патрон выполнен с обеспечением частичного или полного совмещения прорезей фильтрующего элемента с прорезями вставки при его регенерации.

На фиг. 1 показан щелевой фильтровальный патрон в разрезе; на фиг.2 и фиг.3 - сечения А-А и Б-Б на фиг.1 соответственно, на фиг.4 - элемент В фиг. 1 в процессе фильтрации; на фиг.5 - элемент Г фиг.1 в процессе регенерации.

Щелевой фильтровальный патрон содержит цилиндрический фильтрующий элемент 1, выполненный с равномерно распределенными прорезями 2 высотой δ₁, которые образуют перемычки 3.

В верхней части фильтрующего элемента 1 установлена верхняя крышка 4, а в нижней части - нижняя крышка 5 с закрепленным в ней выходным патрубком 6.

Внутри фильтрующего элемента 1 установлена жесткая цилиндрическая перфорированная вставка 7, жестко связанная с нижней крышкой 5 сварным швом 8
Перфорация вставки 7 выполнена в виде прорезей 9 размером δ₂. А жесткость перфорированной вставки 7 обеспечивается тем, что перемычки 10 расположены равномерно по окружности и без смещения вдоль оси, одна под другой. На наружной цилиндрической поверхности вставки 7 выполнен буртик 11 размером S= (0,05÷0,8) мм, а наружный диаметр буртика равен внутреннему диаметру фильтрующего элемента 1. Вставка 7 установлена коаксиально фильтрующему элементу 1 с фиксированным кольцевым зазором 12, размер которого S₁=S=(0,05÷0,8) мм. При этом прорези 9 вставки 7 смещены вдоль оси относительно прорезей 2 фильтрующего элемента 1 на величину Н=(1,5÷2) мм, тем самым образуя фильтрующие щели 13.

Щелевой фильтровальный патрон при использовании его преимущественно в качестве дренажного устройства в напорных кварцевых и ионообменных фильтрах работает следующим образом.

После установки патрона на распределительные трубы дренажной системы напорного фильтра производится засыпка фильтрующего материала во внутрь напорного фильтра. Загрязненная вода подается сверху во внутрь фильтра под давлением, она проходит через сдой фильтрующего материала, где загрязнения отделяются от воды. Очищенная вода, проникая через прорези 2 фильтрующего элемента 1, фильтрующие щели 13 и прорези 9 вставки 7, попадает во внутреннюю полость вставки 7 и отводится через выходной патрубок 6 в дренажные трубы фильтра. Частицы же фильтрующего материала, кварцевого песка или катнонята - сульфоугля, имея размеры больше чем размеры фильтрующих щелей патрона, не проникают сквозь щели во внутрь его, а остаются за пределами фильтрующего элемента 1 и частично в прорезях 2.

Перепад давления воды, возникающий за счет гидравлического сопротивления в щелях 13, создает осевое усилие, которое стремится сжать в осевом и радиальном направлениях фильтрующий элемент 1. Но так как фильтрующий элемент выполнен в виде упругого элемента, а жесткая вставка 7 обеспечивает создание жесткой и прочной системы фильтрующий элемент-крышка-вставка-крышка, гарантирующей сохранение механической прочности элементов системы, то обеспечивается сохранение геометрических размеров прорезей и фильтрующих щелей патрона в процессе фильтрации. При этом даже упругие деформации фильтрующего элемента 1 и вставки 7 в осевом направления не приведут к изменению размеров фильтрующих щелей в сторону их увеличения.

По мере загрязнения щелевого фильтровального патрона производится регенерация - промывка обратным потоком воды с добавлением воздуха. При регенерации чистая вода под давлением с воздухом подается через выходной патрубок 6 во внутреннюю полость патрона. Так как операция промывки фильтра предусматривает значительно больший расход воды, чем в режиме фильтрации, примерно в 4 раза, то в конструкции щелевого фильтровального патрона предусмотрено автоматическое увеличение живого сечения фильтрующих щелей 14. Это достигается тем, что при регенерации фильтра давление промывочной воды внутри патрона становится значительно больше чем снаружи, а возникающее осевое усилие, преодолевая упругость фильтрующего элемента, растягивает его как пружину, в результате чего размеры каждой прорези 2 (δ₁) увеличиваются на одну и ту же величину до величины
δ₃ = δ₄-δ₁, при δ₄>δ₁
Осевое перемещение прорезей 2 фильтрующего элемента 1 относительно прорезей 9 вставки 7, жестко закрепленной на нижней крышке 5, обеспечивает полное или частичное совмещение в радиальном направлении (см. фиг.5).

Так как размеры прорезей 2 и 9 значительно больше кольцевого зазора 12, примерно в 5-7 раз, то при полном или частичном их совмещении, с образованием щелей 14 между прорезями с размером C = (0,8÷1)δ₄, расход воды возрастает значительно, что соответствует повышенному расходу, необходимому в процессе регенерации напорного фильтра.

В результате упругой деформации фильтрующего элемента 1 происходит перемещение внутренних поверхностей их относительно наружной поверхности вставки 7, в результате чего частицы фильтрующего материала или катионита, прочно застрявшие в кольцевом зазоре 12, деформируются, разрушаются и выносятся потоком воды. Тем самым фильтрующие щели очищаются и при этом восстанавливается максимальное суммарное живое сечение фильтрующих щелей патрона.

После окончания регенерации давление промывочной воды сбрасывается и прорези фильтрующего элемента принимают исходное положение с первоначальными размерами.

Конструкция предлагаемого устройства обладает по сравнению с существующими устройствами следующими преимуществами:
- конструкция устройства технологична при изготовлении, прорези на корпусе и на выставке можно выполнить на универсальном фрезерном оборудовании, имеющем невысокую точность, так как точность выполнения прорезей не влияет на качество фильтрации, а прорези могут быть выполнены прорезными фрезами толщиной от 1,6 до 2,0 мм;
- цилиндрические поверхности корпуса и вставки, образующие кольцевой зазор, обеспечивают заданные размеры фильтрующих щелей с размерами от 0,05 до 0,8 мм с точностью ± 0,01 мм, также могут быть выполнены на универсальном токарном оборудовании, обеспечивающем выполнение цилиндрических поверхностей с точностью ±0,01 мм;
- конструкция устройства обладает высокой стабильностью и надежностью при эксплуатации, обусловленными конструктивными особенностями упругого фильтрующего элемента, его прочностью и простотой конструкции;
- конструкция устройства позволяет расширить пределы пропускной способности при регенерации напорного фильтра за счет автоматического увеличения размеров фильтрующих щелей патрона.

Это позволяет упростить конструкцию и техническое обслуживание напорного фильтра, что повышает качество и эффективность очистки жидкости.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для очистки жидкости от механических примесей, преимущественно в системах дренажа напорных кварцевых, ионообменных и сорбционных фильтров, обработки вод промышленного и хозяйственно-питьевого назначения. Щелевой фильтровальный патрон содержит цилиндрический фильтрующий элемент, имеющий равномерно распределенные поперечные прорези и закрепленный с торцов крышками, одна из которых соединена с центральным выходным патрубком и жестко связана с цилиндрической перфорированной вставкой. Вставка установлена с кольцевым зазором внутри фильтрующего элемента. Перфорация вставки выполнена в виде поперечных прорезей, которые смещены вдоль оси относительно прорезей фильтрующего элемента. Перемычки прорезей вставки расположены равномерно по окружности и совмещены друг с другом вдоль оси. Величина кольцевого зазора между фильтрующим элементом и вставкой не превышает высоты прорезей фильтрующего элемента и высоты прорезей вставки. Данное устройство обладает высокой прочностью при простоте конструкции, что обеспечивает стабильность и надежность его в работе. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Щелевой фильтровальный патрон для очистки жидкости от твердых примесей, содержащий цилиндрический фильтрующий элемент, имеющий равномерно распределенные поперечные прорези, соединенный с торцевыми крышками, одна из которых соединена с центральным выходным патрубком и жестко связана с цилиндрической перфорированной вставкой, установленной внутри фильтрующего элемента с кольцевым зазором, отличающийся тем, что перфорация вставки выполнена в виде поперечных прорезей, которые смещены вдоль вертикальной оси относительно прорезей фильтрующего элемента, а перемычки прорезей вставки расположены равномерно по окружности и совмещены друг с другом вдоль оси, при этом величина кольцевого зазора не превышает высоты прорезей фильтрующего элемента и высоты прорезей вставки. 2. Щелевой фильтровальный патрон по п. 1, отличающийся тем, что он выполнен с обеспечением частичного или полного совмещения прорезей фильтрующего элемента с прорезями вставки при его регенерации.