СПОСОБ ФИЛЬТРОВАНИЯ ВОЗДУХА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК B01D46/00 B01D46/24 

Изобретение относится к способам и устройствам для фильтрования воздуха от аэрозолей в различных системах жизнеобеспечения замкнутых объемов транспортных средств, таких как кабины автомобилей, герметичные автомобильные кузова, салоны самолетов и т.д.

Известен способ, заключающийся в том, что содержащий жидкие и пылевидные аэрозоли исходный воздух последовательно пропускают через гидрофильный, а затем гидрофобный фильтрующие элементы. (См., например, патент США 615299б, М.Кл. В 01 D 053/004).

Такой способ обеспечивает эффективное улавливание частиц аэрозолей фильтрующими слоями. Однако такой способ характеризуется нестабильностью работы, обусловленной переменными проницаемостью и селективностью фильтрующих слоев, так как в начальный период работы селективность минимальна из-за возможности проскока задерживаемых частиц через крупные поры и другие дефекты фильтрующих слоев, а их газопроницаемость максимальна. В процессе фильтрования селективность фильтрующих слоев возрастает за счет оседания на фильтрующих поверхностях задерживаемых частиц, но при этом возрастает динамическое сопротивление слоев потоку газа и уменьшается их проницаемость, что вызывает уменьшение производительности устройства. Другим существенным недостатком известного способа является невозможность эффективной регенерации фильтрующих слоев из-за их последовательного соединения: при обратноточной продувке задерживаемые частицы из одного фильтрующего слоя могут переходить во второй. Накопление задерживаемых частиц в фильтрующих слоях ведет к выходу фильтрующего устройства из строя, что при фильтровании аэрозолей, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, недопустимо из-за опасности заражения обслуживающего персонала при эксплуатации и при дезактивации фильтрующего устройства. Кроме того. такие фильтры являются пожароопасными при накоплении горючих и способных к самовозгоранию веществ.

От этих недостатков свободен способ, основанный на мембранном методе фильтрования газов. Этот способ заключается в том, что содержащий жидкие и пылевидные аэрозоли исходный воздух последовательно пропускают через гидрофильный, а затем гидрофобный мембранный фильтрующие элементы. При мембранном методе фильтрования воздуха очищенный от аэрозолей воздух под действием перепада давления над и под мембраной проходит сквозь поры мембраны, а задерживаемые частицы, неспособные из-за своих размеров пройти сквозь поры мембраны, сбрасывают из фильтрующего устройства. Так как мембрана в известном устройстве является эластичным элементом, авторы известного технического решения предлагают использовать для очистки мембраны от отложений задерживаемых частиц методы обратноточной продувки и воздействие вибрации для отделения отложений на мембране. (См., например, патент США 5928414, M.Kл. B 01 D 029/66 и 046/04).

Однако первый метод (обратноточная продувка) недостаточно надежен, так как вызывает знакопеременные нагрузки на мембрану и при длительной эксплуатации приводит к разрушению сварного либо клеевого шва мембранного элемента. Это также происходит и при применении рекомендуемого авторами вибрационного метода очистки. Другим недостатком вибрационного метода является сложность удаления отложений из мембранных патронов и аппаратов, содержащих большое количество мембранных элементов, так как при их очистке происходит образование новых отложений на других участках мембран. Невозможность эффективной регенерации мембран приводит к снижению их проницаемости, что в свою очередь уменьшает производительность и срок службы мембранных элементов.

Известен воздушный очиститель воздуха, имеющий встроенный сорбционный элемент, содержащий заключенные в снабженный подающим и выходным патрубками герметичный корпус, в котором размещены фильтрующие гидрофобный и гидрофильный элементы так, что содержащий жидкие и пылевидные аэрозоли исходный воздух последовательно проходит через гидрофильный, а затем гидрофобный фильтрующие элементы. (См. , например, патент США 6152996, М. Кл. B 01 D 053/004).

В таком фильтрующем устройстве все частицы аэрозолей задерживаются фильтрующим слоями, т. е. фильтрация происходит с постоянным накоплением задерживаемых частиц. Это устройство характеризуется нестабильностью работы, обусловленной переменными проницаемостью и селективностью фильтрующих слоев: в начальный период работы селективность минимальна при максимальной проницаемости фильтрующих слоев. В процессе фильтрования селективность фильтрующих слоев возрастает за счет оседания на фильтрующих поверхностях задерживаемых частиц, но при этом возрастает динамическое сопротивление слоев потоку газа и уменьшается их проницаемость, что вызывает уменьшение производительности устройства.

Другим существенным недостатком известного устройства является невозможность эффективной регенерации фильтрующих слоев из-за их последовательного соединения: при обратноточной продувке задерживаемые частицы из одного фильтрующего слоя могут переходить во второй. Накопление задерживаемых частиц в фильтрующих слоях ведет к выходу фильтрующего устройства из строя, что при фильтровании аэрозолей. содержащих токсичные или радиоактивные вещества, недопустимо из-за опасности заражения обслуживающего персонала при эксплуатации и при дезактивации фильтрующего устройства. Кроме того, такие фильтры является пожароопасными при накоплении горючих и способных к самовозгоранию веществ.

От этих недостатков свободно очищаемое фильтрующее средство и фильтрующий элемент, основанные на мембранном методе фильтрования газов. Известное фильтрующее устройство содержит корпус с установленным внутри мембранным элементом и снабженный патрубком подачи очищаемого газа, патрубком отвода очищенного газа и патрубком сброса концентрата. При мембранном методе фильтрования воздуха очищенный от аэрозолей воздух под действием перепада давления над и под мембраной проходит сквозь поры мембраны, а задерживаемые частицы, неспособные из-за своих размеров пройти сквозь поры мембраны, сбрасываются из фильтрующего устройства. Так как мембрана в известном устройстве является эластичным элементом, авторы известного технического решения предлагают использовать для очистки мембраны от отложений задерживаемых частиц методы обратноточной продувки и воздействие вибрации на отложения на мембране. (См., например, патент США 5928414, М.Кл. В 01 D 029/66, 046/04).

Однако первый метод (обратноточная продувка) недостаточно надежен, так как вызывает знакопеременные нагрузки на мембрану и при длительной эксплуатации приводит к разрушению сварного либо клеевого шва мембраны Это также происходит и при применении рекомендуемого авторами вибрационного метода очистки Другим недостатком вибрационного метода является сложность удаления отложений из мембранных патронов и аппаратов, содержащих большое количество мембранных элементов, так как при их очистке происходит образование новых отложений на других участках мембран. Невозможность эффективной регенерации мембран приводит к снижению их проницаемости, что в свою очередь уменьшает производительность и срок службы мембранных элементов.

Известны также способ и устройство для фильтрования воздуха, заключающийся в том, что содержащий жидкие и пылевидные аэрозоли исходный воздух последовательно пропускают через гидрофильный, а затем гидрофобный фильтрующие элементы, а фильтрующее устройство содержит корпус с тангенциальным вводом очищаемого воздуха, установленным внутри мембранным элементом и снабженный патрубком подачи очищаемого газа, патрубком отвода очищенного газа и патрубком сброса концентрата. (См., например, заявку ЕР 1155729, М.Кл. В 01 D 53/047, опубликованную 21.11.2001 г., бюллетень 2001/47).

Недостатком известных способа и устройства является то. что сброс загрязненного воздуха осуществляют из полости, заключенной между корпусом и внешней поверхностью коалесцирующего фильтра, как это показано на фиг.3. Это приводит к засорению дренажного отверстия, что может привести к его запиранию и выходу из строя фильтрующего устройства, так как оно неспособно эффективно работать в тупиковом режиме из-за недостаточной грязеемкости.

По совокупности общих признаков в качестве прототипа способа и устройства выбрано техническое решение по заявке ЕР 1155729, М.Кл. В 01 D 53/047.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей повышение производительности и увеличение срока службы фильтрующих элементов.

Поставленная задача достигается тем, что согласно заявляемому способу фильтрования воздуха, при котором воздушный поток последовательно пропускают через гидрофильный и гидрофобный фильтры и часть потока удаляют в атмосферу, сброс воздуха осуществляют из пространства, заключенного между гидрофильным и гидрофобным фильтрами.

Поставленная задача достигается также тем. что в устройстве для фильтрования воздуха, содержащем корпус с установленным внутри гидрофобным и гидрофильным фильтрами и снабженный патрубком подачи очищаемого воздуха, патрубком отвода очищенного воздуха и патрубком сброса загрязненного воздуха, на внешней поверхности гидрофобного мембранного патрона установлен гидрофильный фильтр, пространство между мембранным патроном и гидрофильным фильтром соединено с патрубком сброса загрязненного воздуха, на выходе которого установлено дросселирующее устройство, а также тем, что между гидрофильным и гидрофобным фильтрами установлен упругий элемент и устройство для его блокировки, и на патрубке отвода очищенного газа установлено запорное устройство, а на патрубке сброса концентрата перед дросселирующим устройством установлен соединенный с атмосферой клапан сброса воздуха и на выходе патрубка очищаемого воздуха установлена отражательная пластина.

Осуществление сброса воздуха из пространства, заключенного между гидрофильным и гидрофобным фильтрами, обеспечивает независимую работу гидрофобного и гидрофильного фильтров, так как происходит сдувка в атмосферу всех не прошедших сквозь каждый фильтр задерживаемых частиц. Это обеспечивает надежную работу фильтрующего устройства при различных неблагоприятных условиях, например при очистке воздуха от капельной влаги во время проливного дождя, при пролете самолета сквозь грозовую облачность, при перемещении транспортных средств через зоны поражения химическим, бактериологическим, либо термоядерным оружием. При попадании аэрозолей на гидрофильный фильтр происходит коалесценция аэрозолей в капельную влагу, которая выносится из корпуса фильтрующего устройства и пространства между гидрофильным и гидрофобным фильтрами, поскольку вода не может пройти сквозь гидрофобную мембрану из-за низкого давления фильтруемого воздуха Это обеспечивает расширение функциональных возможностей способа, так как обеспечивается процесс фильтрации воздуха независимо от природы образования аэрозолей: за счет конденсации парообразных жидкостей, либо распыления жидкостей и пылевидных веществ гидрофобного либо гидрофильного происхождения. Одновременно достигается повышение производительности за счет раздельного фильтрования через гидрофильный и гидрофобный фильтры и достигается увеличение срока службы мембранных элементов за счет исключения забивания пор фильтрующих материалов пылевидными частицами за счет непрерывного удаления задерживаемых фильтром частиц при фильтровании воздуха.

Установка на внешней поверхности гидрофобного мембранного патрона гидрофильного фильтра позволяет осуществлять предварительную очистку фильтруемого воздуха от способных коалесцироваться на гидрофильном фильтре имеющих жидкостную природу аэрозолей делает более надежной работу мембранного патрона за счет исключения блокировки пор мембраны капельной жидкостью.

Соединение пространства между мембранным патроном и гидрофильным фильтром с патрубком сброса загрязненного воздуха, на выходе которого установлено дросселирующее устройство, обеспечивает проведение процесса мембранного разделения с необходимой производительностью, которая линейно зависит от движущей силы процесса перепада давления над и под мембраной. При открытии дросселирующего устройства давление над мембраной снижается, что приводит к уменьшению производительности и наоборот. Одновременно решается и другая задача - удаление из гидрофильного фильтра скоалесцированной воды обдувом фильтра потоком воздуха, который воздействует на фильтр с внешней и внутренней стороны. Не прошедший через мембранный патрон воздух выбрасывается в атмосферу. Так как в этом воздухе не содержатся пылевидные частицы, которые оседают на гидрофильном фильтре, то исключается возможность образования отложений на внутренних поверхностях, которые могут привести к засорению канала сброса загрязненного воздуха, что приводит к выходу мембран из строя. Таким образом, достигается расширение функциональных возможностей фильтрующего устройства, повышение производительности и увеличение срока службы фильтрующих элементов.

Установка между торцами гидрофильного и гидрофобного фильтров упругого элемента и устройства для его блокировки позволяет компенсировать изменение линейных размеров за счет температурного расширения элементов конструкции под воздействием положительных и отрицательных температур внешней среды.

Установка перед дросселирующим устройством соединенного с атмосферой клапана сброса газа обеспечивает возможность продувки фильтра при увеличении гидравлического сопротивления выше нормы потоком газа со сбросом всего воздуха в атмосферу. При этом скорость потока продувки в несколько раз превышает скорость потока при фильтровании, благодаря чему из устройства выносятся частицы твердых веществ, осевшие на мембране при фильтровании. Это также способствует повышению производительности и увеличению срока службы мембранных элементов.

Установка на патрубке отвода очищенного газа запорного устройства обеспечивает более эффективную регенерацию мембранного элемента за счет устранения концентрационной поляризации на поверхности мембран. Так как задерживаемые мембранным элементом образующие аэрозоль жидкость и твердые частицы под действием перепада давления перекрывают поры мембранного элемента, то после включения запорного устройства происходит выравнивание давлений над и под мембраной, т.е. исчезает причина, обуславливающая образование концентрационной поляризации на поверхности мембраны и задерживаемые мембраной вещества потоком исходного газа выносятся из мембранного элемента и удаляются из устройства Таким образом достигается исключение образования отложений на поверхности мембран, что обеспечивает повышение производительности и увеличение срока службы мембранных элементов.

Установка на патрубке очищаемого воздуха отражательной пластины обеспечивает раскрутку потока поступающего в фильтр воздуха, при которой за счет центробежного эффекта происходит отбрасывание капель жидкости и крупных твердых частиц к внутренней поверхности стенки фильтра. Это исключает опасность забивания всей поверхности гидрофильного фильтра. Перемещаясь в направлении потока, задерживаемые частицы увлекаются потоком в нижнюю часть фильтра, в которой они либо задерживаются до замены гидрофильной части фильтра, либо выносятся в атмосферу вместе со сбрасываемым воздухом (в первую очередь это относится к тонкодисперсным частицам и жидким составляющим аэрозолей). Это обеспечивает расширение функциональных возможностей фильтрующего устройства, повышение производительности и увеличение срока службы фильтрующих элементов.

На представленных чертежах показана конструкция предлагаемого устройства:
на фиг. 1 показан поперечный разрез аэрозольного фильтра, на фиг.2 показана технологическая схема реализации способа А-А, на фиг.3 - поперечное сечение подсоединения патрубка подвода очищаемого воздуха и отражательной пластины, на фиг. 4 и 5 показан механизм блокировки упругого элемента, на фиг. 6 показан вариант выполнения конструкции нижней части корпуса устройства, на фиг.7 показан вид устройства фиг.6 снизу.

Устройство для фильтрования воздуха содержат корпус 1, внутри которого установлены гидрофобный 2 и гидрофильный 3 фильтры. Корпус герметизуется посредством верхней крышки 4 и нижней крышки 5. В верхней крышке 4 выполнены патрубок подачи очищаемого воздуха 6 и патрубок отвода очищенного воздуха 7. В нижней крышке 5 выполнен канал, в котором установлены дросселирующая шайба 8 и патрубок сброса загрязненного воздуха 9. На внешней поверхности гидрофобного мембранного патрона 2 с зазором установлен гидрофильный фильтр 3, содержащий перфорированный каркас. выполненный в виде цилиндрической перфорированной обечайки 10, к которой по торцам прикреплены цилиндрические резьбовые вставки 11 и 12, на которые навернуты выполненная в виде стакана нижняя крышка 13 и верхняя крышка 14. На поверхность перфорированной обечайки 10 на участке между резьбовыми вставками 11 и 12 установлен фильтрующий материал 15 путей многослойной намотки полотна из боросиликатного стекла с последующим закреплением сеткой 16. Между гидрофобным фильтром 2 и нижней крышкой 13 установлена пружина 17. В нижней крышке 11 выполнены отверстия 18, соединяющие полость между гидрофобным фильтром 2 с полостью в корпусе 1 с патрубком сброса загрязненного воздуха 9. В центральной части нижней крышки 13 посредством шайбы 19 установлен винт 20 и упор 21. Винт 20 снабжен поворотным кольцом 22. Между нижней крышкой 13 и нижней крышкой 5 установлена пружина 23. Нижняя крышка 5 установлена в корпусе 1 посредством пружинного кольца 24, а верхняя крышка 4 - посредством фиксаторов 25.

На выходе патрубка отвода очищенного воздуха 7 установлен клапан 26, а на патрубке сброса загрязненного воздуха 9 параллельно дросселирующей шайбе 8 установлен клапан 27. Верхняя крышка 4 изнутри снабжена кольцевой расточкой, в которой вблизи выхода патрубка 6 установлена отражательная пластина 28. Дополнительный вариант конструкции фильтрующего устройства, показанного на фиг.6 и 7, содержит нижнюю крышку 13, снабженную выступами в центральной части. Выступ, обращенный к гидрофобному фильтру 2, снабжен колпачком 30 из упругого материала, а нижний выступ снабжен поворотным кольцом 22 и взаимодействует со стаканом 31. установленным в резьбовом гнезде крышки 5 через толкатель 32 и пружину 23. Между концами пружинного кольца 24 установлена распорная втулка 32, исключающая самопроизвольное выпадение кольца 24 из расточки в корпусе 1 под действием вибрации.

Предлагаемый способ реализуют следующим образом. Воздушный поток, подаваемый в корпус 1 через патрубок 6, последовательно пропускают через гидрофильный 2 и гидрофобный 3 фильтры и часть потока удаляют в атмосферу путем сброса воздуха из пространства, заключенного между ними, через штуцер 8.

Пример: в качестве гидрофильного фильтра использовали ультратонкое алюмоборосиликатное стекловолокно типа БМД-Ф, в качестве гидрофобного фильтра - мембранный элемент типа ЭПМ.Ф.005.250 АХ, выпускаемый фирмой "Владипор" с размерами пор фторопластовой мембраны 0,05 мкм и поверхностью мембранного разделения 0,7 м². Расход воздуха при фильтровании составил 350 дм³/мин при давлении 0,5 МПа. Сопротивление потоку не превышало 10 КПа, при степени очистки воздушного потока от аэрозолей (масляный туман, взвесь дисперсной белой сажи) не ниже 99.9999.

Предлагаемый способ реализуется в описанном выше устройстве следующим образом. Исходный воздух подается в корпус 1 через патрубок очищаемого воздуха 6 и за счет взаимодействия с отражательной пластиной 28 поток закручивается в кольцевой расточке крышки 4 и освобождается от капельной влаги и крупных твердых частиц, которые, перемещаясь вместе с потоком, задерживаются гидрофильным фильтром 3, последовательно проходя через сетку 16, фильтрующий материал 15 и перфорированную перегородку, выполненную из перфорированной обечайки 10 с резьбовыми вставками 11 и 12. Прошедший через гидрофильный фильтр 3 воздух поступает в кольцевую щель. образованную внутренней поверхностью фильтра 3 и внешней поверхностью гидрофобного фильтра 2 и ограниченную с торцов крышками 13 и 14, Под действием движущей силы процесса - перепада давления над и под мембраной очищенный воздух поступает во внутреннюю полость фильтра 2, из которой удаляется на потребление через патрубок отвода очищенного воздуха 7. Не прошедший через мембрану воздух через отверстия 18 в нижней крышке 5, дросселирующую шайбу 8 удаляется в атмосферу через патрубок сброса загрязненного воздуха 9. Сборка, включающая в себя фильтры 2 и 3, пружину 17 и крышки 13 и 14, представляет собой сменный патрон, для установки которого извлекается пружинное кольцо 24 и нижняя крышка 5. Затем извлекается из корпуса 1 сменный фильтрующий патрон вытягиванием его за поворотное кольцо 22. После обтирки внутренней поверхности корпуса 1 и крышек 4 и 5 от загрязнений устанавливается новый фильтрующий патрон, для чего для исключения влияния пружины 17 вращением за поворотное кольцо 22 вращают в шайбе 19 винт 20 до достижения контакта упора 21 с нижним торцом фильтра 2. После установки патрона устанавливается пружина 23 и устанавливается нижняя крышка 5 и пружинное кольцо 24. При необходимости проведения ревизии внутренней поверхности верхней крышки 4 ее извлекают из корпуса 1 после извлечения фиксаторов 25.

При необходимости проведения регенерации фильтрующих поверхностей клапан 26 закрывают и через патрубок 6 подают воздух в полость фильтра. Воздушный поток при этом сбрасывается вместе с загрязнениями через клапан 27.

Показанный на фиг.6 и 7 вариант позволяет упростить процесс сборки и разборки устройства. Перед установкой фильтрующей сборки, состоящей из фильтров 2 и 3, в корпус 1 стакан 31 путем вращения в резьбовом гнезде крышки 5 отводится в крайнее нижнее положение, при котором усилие сжатия пружины 23 будет минимальным. После установки крышки 5 стакан 31 заворачивается до отказа и давление пружины 23 передается через толкатель 32 на крышку 29.

Предложенные способ и устройство расширяют функциональные возможности, повышают производительность и обеспечивают увеличение срока службы фильтрующих элементов.

Изобретение предназначено для фильтрования воздуха от аэрозолей в различных системах жизнеобеспечения замкнутых объемов транспортных средств, таких как кабины автомобилей, герметичные автомобильные кузова, салоны самолетов и т.д. Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей, повышение производительности и увеличение срока службы фильтрующих элементов. Поставленная задача достигается тем, что согласно заявляемому способу фильтрования воздуха, при котором воздушный поток последовательно пропускают через гидрофильный и гидрофобный фильтры и часть потока удаляют в атмосферу, сброс воздуха осуществляют из пространства, заключенного между гидрофильным и гидрофобным фильтрами. Устройство для фильтрования воздуха содержит корпус с установленным внутри гидрофобным и гидрофильным фильтрами и снабженный патрубком подачи очищаемого воздуха, патрубком отвода очищенного воздуха и патрубком сброса загрязненного воздуха, причем на внешней поверхности гидрофобного мембранного патрона установлен гидрофильный фильтр, пространство между мембранным патроном и гидрофильным фильтром соединено с патрубком сброса загрязненного воздуха. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 7 ил.

1. Способ фильтрования воздуха, при котором воздушный поток последовательно пропускают через гидрофильный и гидрофобный фильтры и часть загрязненного воздушного потока удаляют в атмосферу, отличающийся тем, что сброс части загрязненного воздушного потока осуществляют из пространства, заключенного между гидрофильным и гидрофобным фильтрами.2. Устройство для фильтрования воздуха, содержащее корпус с установленными внутри гидрофобным и гидрофильным фильтрами и снабженный патрубком подачи очищаемого воздуха, патрубком отвода очищенного воздуха и патрубком сброса загрязненного воздуха, отличающееся тем, что на внешней поверхности гидрофобного мембранного патрона установлен гидрофильный фильтр, пространство между мембранным патроном и гидрофильным фильтром соединено с патрубком сброса загрязненного воздуха, на выходе которого установлено дросселирующее устройство.3. Устройство для фильтрования воздуха по п.2, отличающееся тем, что между гидрофильным и гидрофобным фильтрами установлен упругий элемент и устройство для его блокировки.4. Устройство для фильтрования воздуха по п.2, отличающееся тем, что на патрубке отвода очищенного воздуха установлено запорное устройство, а на патрубке сброса перед дросселирующим устройством установлен соединенный с атмосферой клапан сброса воздуха.5. Устройство для фильтрования воздуха по п.2, отличающееся тем, что на выходе патрубка подачи очищаемого воздуха установлена отражательная пластина.