Комбинированный пористый материал Советский патент 1991 года по МПК B01D39/00 

Изобретение относится к конструкциям пористых материалов на основе металлических сеток и металлических порошков, используемых для фильтрации жидкостей и газов, в том числе для очистки от механических загрязнений.

Цель изобретения - повышение эффективности процесса фильтрации жидкостей и газов, уменьшение толщины фильтромате- риала, снижение экономических затрат.

На фиг. 1 изображена схема комбинированного материала с направлением движения фильтруемого потока; на фиг. 2 - схема трехслойного комбинированного материала; на фиг. 3 - схема пятислойного материала; на фиг. 4 - схема комбинированного материала с дополнительной перфорацией в виде параллельных плоских щелей; на фиг. 5 - вид А на фиг. 4; на фиг, 6 - комбинированный материал с дополнительной перфорацией в виде эквидистантно расположенных щелей; на фиг. 7 - вид Б на фиг. 6.

Комбинированный материал состоит из не менее трех слоев. Верхний внешний слой 1 выполнен мелкоячеистым с размером ячейки di, пористостью ГИ и толщиной h0, обеспечивающей тонкость очистки а. Внутренний слой 2 выполнен крупноячеистым с размером ячеек J2 и пористостью Па и толщиной hi2. Нижний внешний слой 3 выполнен мелкоячеистым с такими же характеристиками, что и верхний слой 1. При этом внешние мелкоячеистые слои 1 и 3 выполнены с дополнительной перфорацией, размер отверстий которой d4 не менее размера ячейки крупноячеистого слоя d2 при верхней границе d4 4 h2- П2/(П2-ГН).

Комбинированный пористый проницаемый материал работает следующим образом.

ю

Загрязненная рабочая среда - газ или жидкость - подается на комбинированный материал в направлении по стрелке N (фиг. 1) и подвергается очистке от механических примесей за счет прохождения по пористой структуре материала. При этом возможно три варианта прохождения рабочей среды через пористую структуру по направлениям А, Б, В, причем направление А характеризуется максимальным гидравлическим сопротивлением и минимальным расходом (рабочая среда проходитдва мелкоячеистых слоя с малым размером пор и один крупноячеистый слой с большим размером пор), направление Б характеризуется меньшими гидравлическими потерями и большим расходом (рабочая среда проходит крупноячеистый слой толщиной h2 и один мелкоячеистый слой), направление В характеризуется наименьшими потерями, поскольку рабочая среда проходит только по крупноячеистому слою, но толщиной больше, чем h2. Очищеная рабочая среда (по стрелке М) давлением Рг подается далее в трубопровод или другие системы.

Пример. Фильтроматериал с номинальной тонкостью очистки 10 мкм, толщиной не более 1 мм и удельным расходом не менее 1,0 г/см с создают из двух фильт- роматериалов: мелкоячеистого фильтрома- териала на требуемую тонкость очистки со средним размером пор 15 мкм (dn cp i), толщиной 0,12 мм (ho), но удельным расходом только 0,2 г/см с (Gi) и крупноячеистого материала на ту же тонкость очистки со средним размером пор 50 мкм (dn cp 2), удельным расходом 10 г/см2 с (G2), но толщиной 3,6 мм (h2).

Трехслойный комбинированный материал, например, при щелевой дополнительной перфорации в мелкоячеистых слоях размером d4 0,6 мм (d4 dn cp 2), толщине крупноячеистого слоя, равного 0,6 мм (между мелкоячеистыми), и расстоянием между границами щелей I 3,6 мм (I h2) имеет удельный расход Скппм 1,4 г/см с и толщину (чкппм 0,84 мм (0,12+0,6+0,12).

При таких исходных мелкоячеистом и крупноячеистом материалах и выбранных параметрах комбинированного материала расход через щели составляет 93,5% (при расчетах использован принцип суперпозиции расходов через мелкоячеистый и крупноячеистый материалы в комбинированном материале).

Таким образом, полученный трехслойный материал имеет меньшую толщину, чем крупноячеистый материал, примерно в 4 раза, а удельный расход больше, чем мелкоячеистый материал, приблизительно в 7 раз; последнее приводит к фактической экономии более дорогого мелкоячеистого материала (в данном случае приблизительно в 3,5

раза).

Основное требование к взаимному расположению слоев - плотное прилегание один к другому без образования зазоров между слоями с размером проходных сече0 ний большим, чем размер ячеек крупноячеистого слоя, что легко достигается известными способами, например для металлических материалов - спеканием, диффузионной сваркой; для неметаллических 5 склеиванием; или за счет плотного прижатия в конструкции.

Требования к указанным размерам di и da меньше размера ячейки d2 настолько, чтобы проницаемость (свойство пористых

0 структур) в направлении В больше, чем в направлении Б, которое в свою очередь больше, чем в направлении А.

Уменьшать толщину h2 крупноячеистого слоя в комбинированном материале можно

5 в границах от Н0 до размера d2, т.е. d2 h2 Но (где Но - толщина крупноячеистого слоя, обеспечивающего ту же тонкость очистки, что и крупноячеистые и мелкоячеистые слои; d2 - размер ячейки крупноячеистого

0 слоя), так как в противном случае становится технологически неосуществимой задача создания крупноячеистого слоя такой толщины, а также задача повышения эффективности (увеличение расхода) за счет этого

5 слоя.

Расстояние I между границами дополнительной перфорации выбрано из условия, что расстояние равно или больше толщины крупноячеистого слоя Н0, обеспечивающего

0 ту же тонкость очистки, что и крупноячеистый и мелкоячеистый слои, т.е. это расстояние I между границами соседних отверстий дополнительной перфорации в соседних слоях больше, чем толщина крупноячеисто5 го слоя, заключенного между ними, I Но/п, где п - количество крупноячеистых слоев, т.е. при п 1 расстояние между границами соседних отверстий в ближайших друг к другу мелкоячеистых слоях I равно толщине

0 крупноячеистого слоя Н0, имеющего тонкость очистки а, при п 2 это расстояние в 2 раза меньше, чем Н0, т.е. за счет именно этого механизма реализуется уменьшение толщины комбинированного материала.

5 Расстояние I можно определить следующим выражением: для трехслойного материала (фиг. 2)

NNi l NNM- h 2h0+h2

tg a tg a

tga

и для пятислойного материала (фиг. 3)

N N

I , N N hЈ 3 h0 + 2-h2

tg a tg а

tga

Или в общем случае для многослойного фильтроматериала с числом п крупноячеистых слоев это выражение имеет вид

, (n + 1)ho + n-h2 tg a

где or-угол наклона, образованный расстояние NN между внешними точками N и N двух ближайших отверстий дополнительной перфорации (или проекциями этих точек) на внешних (верхнем и нижнем) мелкоячеистых слоях и проекций этого расстояния на мелкоячеистый слой (N N );

hЈ - суммарная толщина (окончательная) комбинированного фильтроматериала.

Согласно смысловым связям проекция N N гипотенузы NN1 (для трехслойного фильтроматериала) или сумма длин всех участков крупноячеистых слоев, заключенных между вертикальными прямыми, восстановленными из точек N и N1 , должна быть более или равна параметру Н0, т.е. так конструируется и ориентируется слой крупноячеистого материала толщиной Н0, что этот параметр переводится в длину (для трехслойного фильтроматериала) и тогда I Н0, или многократно его делят между n-слоями (крупноячеистыми слоями), но опять же выдерживая соотношение I

Но/П.

Возможно использовать проницаемые материалы из порошков с частицами, по форме близкими к сферическим. Это их применение объясняется, с одной стороны, более высокой (в 1,3-1,8 раза) проницаемостью (меньшим гидравлическим сопротивлением), чем проницаемые материалы, полученные из сеток для той же тонкости очистки, с другой стороны, полученные из сферических порошков при их небольшой деформации проницаемые материалы имеют практически одинаковые ха- рактеристики во всех направлениях. Поэтому сочетание этих известных достоинств с предлагаемыми конструкционными особенностями дает дополнительный эффект еще и за счет преимуществ порошковых материалов. Мелкоячеистый слой из порошков в этом случае как более механически прочный выполняет еще и защитную функцию по отношению к крупноячеистому.

Использование материалов из волокон (типа металлорезина, нетканые материалы

типа войлоков и т.д.) имеет то преимущество переддругими, что технология их получения позволяет получить буквально микронные и субмикронные толщиной волокна, а в дальнейшем фильтроматериалы получают уже из этих волокон. Известно, что именно толщина волокна в конечном случае и определяет тонкость очистки: чем меньше размер волокна (его диаметр), тем меньше и размер

уловленных частиц. Набранные в маты такие волокна при высокой пористости (до 70- 96%) имеют высокую грязеемкость за счет осаждения частиц загрязнителя во внутреннем объеме материала. Однако последние

вследствие их рыхлости требуют защиты с поверхности более плотным слоем, что и выполняют мелкоячеистые слои, допуская рабочую среду через дополнительную перфорацию.

Предусмотрен вариант выполнения

комбинированного материала с мелкоячеистым слоем из непроницаемого материала с перфорацией.

В данном случае непроницаемые слои

служат для улучшения тонкости фильтрования, так как в этом случае очистка происходит в слое между непроницаемыми слоями и тонкость фильтрования связана с длиной пройденного пути. Условие размера дополнительной перфорации е непроницаемых слоях - размер отверстий перфорации d4 определен диапазоном d2 d4 4 П2 (что следует из условия равенства расходов через дополнительную перфорацию и бгковую поверхность под перфорацией в проницаемом крупноячеистом слое), т.е. размер отверстия дополнительной перфорации J4 не менее размера ячейки проницаемого крупноячеистого слоя d2 толщиной h

и пористостью П2 при верхней границе размера (J4 4 П2.

Возможно выполнять крупноячеистые слои из порошков, а мелкоячеистые - из тканых сеток. Это обусловлено тем, чтобы

не было уноса с поверхности порошковых материалов отдельных частиц и для предотвращения механического воздействия ка эти поверхности. В результате повышаются механические свойства комбинированных

материалов, например, при гибке.

Предусмотрены варианты выполнения дополнительной перфорации в виде параллельных плоских щелей (фиг. 4 и 5) или в виде эквидистантно расположенных щелей

(фиг. 6 и 7).

Целесообразность же выбора таких конфигураций определена задачей неравномерной подачи рабочей среды через фильтроэлементы различной формы. Например, если требуется подача газа в конусном или цилиндрическом фильтроэлементе по кольцевым щелям, то на плоском фильт- роматериале перфорация должна выполняться в виде параллельных щелей.

Таким образом, целесообразность применения дополнительной перфорации разной конфигурации определяется конструктивными требованиями к фильтроматериалу. В данном случае, например, требованием неравномерности расхода на выходе.

За размер дополнительной перфорации принята ширина щели оЧ при учете того, что для щели длиной L и шириной d4 выполняется условие L/d4 10, тогда верхняя граница равна d4 2 h2 П2/(П2-П1), причем ширина щели d4 не менее размера ячейки крупноячеистого слоя da.

Данные соотношения (для верхней границы величины перфорации) определены из условия равенства проходных площадей для прохода рабочей среды (газа, жидкости) через дополнительную перфорацию как приток рабочей среды и отток рабочей среды через отводящие поверхности.

Для трехслойного материала: через отверстия дополнительной перфорации d4 площадью rd4 /4 (но загромажденного крупноячеистым материалом пористостью П2), т.е. проходной площадью (jrd4 П2)/4 газ подходит, а отходит через условную площадь - боковую тс d4 и дно (л: d4 ГН)/4, тогда для случая отверстий получаем, что

Па л: d4 h2 П2 +

4 П2 П2

7Td4 ГН

d4

П2-П1

Для перфорации в верхних (внешних) слоях при варианте выполнения мелкоячеистого слоя непроницаемым ГН О d4 4 h2.

Для, например, щелей это преобразуется в следующий вид: d4 (2 П2)/(П2-ГН), так как здесь площадь боковой отводящей газ поверхности 2L П2 П2 (торцами пренебрегаем, так как L 10 ), а для дна L d4 ГН, тогда

L d4 Па 2 L h2 Па + L d4 П1, откуда

d4 (2 h2 П2)/(П2-ГН)

Для аналогичных щелей, но при непроницаемых внешних слоях (ГН 0), получаем d4 2 h2.

В данном комбинированном материале эффективность очистки в плане уменьшения тонкости очистки решается за счет увеличения длины пути по крупноячеистому слою в направлении В (фиг. 1) без увеличения его толщины h2.

Таким образом данный комбинированный материал сочетает в себе высокую тонкость очистки, высокую пропускную способность, малую толщину (при той же величине тонкости очистки, если сравнивать с однородным фильтроматериалом или многослойным, имеющим одно направление фильтрования).

Кроме этого, более крупноячеистые пористые среды более дешевы в производстве по сравнению с мелкоячеистыми, поэтому, заменяя толстый мелкоячеистый фильтро- материал на крупноячеистый, получаем значительный эффект только за счет

удешевления производства (или сокращения применения дорогого фильтроматериа- ла).

С целью повышения проницаемости и изотропности структурных характеристик

мелкоячеистые и крупноячеистые слои можно выполнить из порошков, например, гидростатическим прессованием. Такие структуры характеризуются достаточно однородными свойствами во всех направлениях.

Одной из важных характеристик фильт- роматериалов является их загрязненность, т.е. способность не терять свои фильтровальные свойства при незначительном росте перепада давления. Этому условию удовлетворяют волокнистые материалы.

Для ряда гидросистем требуется высокая тонкость очистки, которую не могут обеспечить выпускаемые фильтроматериалы при применении в традиционном виде, поэтому , используя непроницаемые пластины с дополнительной перфорацией в качестве мелкоячеистых слоев, в данном материале можно решить и эту задачу за

счет удлинения пути прохождения жидкости в сердцевине комбинированного материала.

Одним из требований к фильтроматери- алам является их прочность, поэтому сочетание мелкоячеистых слоев из тканых сеток,

а крупноячеистых слоев из порошков (для

высокой проницаемости) решает эту задачу

с помощью комбинированного материала.

Решение формы дополнительной перфорации определяется технологичностью операции образования перфорации и конструкцией фильтроапементов. Форма отверстий перфорации может быть как круглой, так и в форме плоских щелей, а также произвольной формы.

Формула изобретения 1. Комбинированный пористый материал, состоящий из мелкоячеистого проницаемого во всех направлениях слоя и крупноячеистого проницаемого во всех направлениях слоя, отличающийся тем, что, с целью повышения эффективности процесса фильтрации газов и жидкостей за счет уменьшения толщины фильтроматери- ала и снижения экономических затрат, пористый материал состоит из не менее трех слоев, причем внутренний слой выполнен крупноячеистым, а внешние слои - мелкоячеистыми с дополнительной перфорацией, размер отверстий которой не менее размера ячейки крупноячеистого слоя, причем расстояние между соседними отверстиями в соседних мелкоячеистых слоях определяют следующим соотношением

(П + 1) ho + п h2 tga

где п - количество крупноячеистых слоев;

h0 - толщина мелкоячеистого слоя;

ha - толщина крупноячеистого слоя;

а - угол, образованный расстоянием между соседними отверстиями дополнительной перфорации внешних мелкоячеистых слоев и проекцией этого расстояния на мелкоячеистый слой.

2.Материал по п. 1,отличающий- с я тем, что, с целью повышения проницаемости и изотропности структурных характеристик, слои пористого материала выполнены из порошка.

3.Материал по п. 1,отличающий- с я тем, что, с целью повышения проницаемости, грязеемкости и надежности фильтрования, слои выполнены из волокон.

4.Материал по п. 1,отличающий- с я тем, что, с целью повышения тонкости очистки, внешние слои выполнены из непроницаемого материала с перфорацией.

5.Материал по п. 1,отличающий- с я тем, что, с целью повышения прочности при сохранении высокой проницаемости, крупноячеистые слои выполнены из порошков, а мелкоячеистые слои выполнены из тканых сеток.

6.Материал по п. 1,отличающий- с я тем, что дополнительная перфорация выполнена в виде параллельных плоских

щелей.

7.Материал поп. 1,отличающий- с я тем, что дополнительная перфорация выполнена в виде эквидистантно расположенных щелей.

Изобретение относится к конструкции пористых материалов на основе металлических сеток и металлических порошков для фильтрации жидкостей и газом, в том числе для их очистки от твердых примесей в химической, авиационной и других отраслях, и позволяет обеспечение повышения эффективности процесса фильтрации жидкостей и газов, уменьшения толщины фильтромате- риала и снижения экономических затрат за счет применения крупноячеистых материалов. Комбинированный проницаемый материал имеет, как минимум, трехслойную структуру, причем два наружных слоя выполняются из мелкоячеистых материалов, а внутренние слои выполчяютсч из крупноячеистых материалов, кроме того, внешние слои имеют искусственно выполненную перфорацию, размер которой не менее размера ячейки крупноячеистого слоя. 6 з.п.ф- лы. 7 ил.

9игЈ

Мелкоячеистые слои

Нрупноячеисть/ц r/w

Фиг А

I

(

г-

I

1 /

/

I I

1632464 ВиЭА

II

Мелкоячеистые слои

Крупноячеистый слои

Видб

v

I I / /

/ /