СОРБЦИОННЫЙ ФИЛЬТР
SORPTION FILTER

Предлагаемое изобретение относится к фильтрам, в частности к насыпным сорбционным фильтрам для очистки различных сред, например газов, от механических и химических примесей, и может быть использовано в устройствах, где положение фильтра меняется в пространстве и(или) присутствуют вибрационные нагрузки.
Известен насыпной фильтр, содержащий корпус с патрубками, коаксиально расположенный в корпусе фильтрующий узел, состоящий из заполненного зернистым материалом ограничительного элемента, выполненного в виде винтовой спирали, верхний конец которой соединен с корпусом, а нижний установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения. Нижний конец ограничительного элемента снабжен перегородкой и сильфоном, размещенным между перегородкой и корпусом (авторское свидетельство СССР №841643 от 01.08.1977, B01D 24/00, опубликовано 30.06.1981, бюллетень №11).
Конструктивные особенности указанного устройства не позволяют использовать его во время воздействия вибрации, а также в любом другом положении, кроме вертикального, так как при вибрации и(или) отклонении положения устройства от вертикального сорбент будет беспрепятственно высыпаться наружу, при этом эффективность очистки газа от вредных примесей заметно снижается. Дополнительная закладка сорбента, компенсирующая высыпающийся сорбент, приведет к существенному увеличению массы и габаритов устройства.
Из известных технических решений наиболее близким является устройство для очистки жидкости (свидетельство РФ 3693 от 21.04.1992, B01D 24/12, С02 F 1/18, опубликован 16.03.1997), содержащее корпус и крышку, имеющие по меньшей мере по одному штуцеру, верхний и нижний фильтры и расположенный между этими фильтрами сорбент, который сжат между верхним и нижним фильтрами, причем по меньшей мере один из фильтров выполнен из упругого эластичного материала и прижат к сорбенту.
Основным недостатком данного устройства является то, что усилие упругого эластичного материала не достаточно для надежного прижатия сорбента в устройствах со сравнительно большими габаритами. Поэтому гранулы сорбента во время воздействия вибрации и(или) при изменении положения устройства в пространстве, например при вращении, будут перемещаться относительно друг друга и корпуса. Это, во-первых, приведет к «проскоку» жидкости в зазорах, образующихся во время перемещения гранул, что значительно ухудшит степень очистки среды, во-вторых, вызовет интенсивный износ гранул, следствием которого будет быстрая потеря работоспособности фильтра и увеличение гидравлического сопротивления из-за дробления гранул на более мелкие части.
Техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением, состоит в создании сорбционного фильтра с малым гидравлическим сопротивлением, обладающего прочной и жесткой конструкцией при низкой массе, надежно работающего в течение длительного времени в условиях вибрации и(или) при изменении его положения в пространстве (например, во время вращения или поворота) с сохранением высокой степени очистки.
Технический результат заключается в обеспечении равномерного прижатия сорбента в фильтре по всей площади фильтрации с силой, исключающей перемещение гранул сорбента относительно друг друга и корпуса фильтра во время действия вибрации и(или) изменения положения фильтра в пространстве, например при вращении.
Технический результат достигается тем, что в сорбционном фильтре, содержащем корпус, верхний и нижний фильтры, сорбент, засыпанный в корпус и сжатый между верхним и нижним фильтрами, нижний и верхний фильтры выполнены в виде каркаса, содержащего внешнюю рамку и ребра жесткости, прикрепленные к внешней рамке, на каркасе расположен фильтрующий элемент, жестко прикрепленный к внешней рамке и к ребрам жесткости, во внешней рамке и ребрах жесткости верхнего фильтра выполнены отверстия, нижний фильтр прикреплен к корпусу, а верхний имеет возможность перемещаться вдоль корпуса, к нижнему фильтру прикреплены направляющие, проходящие через отверстия в каркасе верхнего фильтра с возможностью его поджима к сорбенту при помощи упругих элементов, расположенных на направляющих и закрепленных фиксаторами.
Фиксаторы упругих элементов могут быть выполнены в виде гаек.
Упругие элементы могут быть выполнены в виде тарельчатых пружин или в виде витых пружин сжатия.
Фильтрующий элемент, расположенный на каркасе нижнего и верхнего фильтров, может быть выполнен в виде сетки.
Сорбционный фильтр может дополнительно содержать элемент уплотнения в зазоре между верхним фильтром и корпусом.
Направляющие могут быть прикреплены к нижнему фильтру посредством резьбового соединения.
Направляющие могут быть выполнены в виде винтов.
Ребра жесткости могут быть выполнены в виде пластин или в виде швеллеров.
Рассмотренные выше отличительные признаки обеспечат надежную работу сорбционного фильтра в течение длительного времени в условиях вибрации, а также при изменении его положения в пространстве. При этом масса фильтра будет минимальной, а создаваемое им гидравлическое сопротивление - низким.
Выполнение нижнего и верхнего фильтра в виде каркаса, содержащего внешнюю рамку и ребра жесткости, прикрепленные к внешней рамке, позволит придать конструкции при минимальной массе требуемую для обеспечения надежного прижатия гранул в фильтре прочность и жесткость. Такая конструкция при приложении к ней даже больших внешних усилий (например, инерционных сил со стороны сорбента, возникающих во время вращения фильтра) будет лишь незначительно деформироваться в упругой области, сохраняя поджатие сорбента, исключающее его перемещения. Расположенный на каркасе фильтрующий элемент из-за того, что жестко прикреплен к внешней рамке и к ребрам жесткости, обеспечит равномерное распределение усилия на всю поверхность слоя сорбента, что позволит надежно зафиксировать гранулы от перемещения во время воздействия вибрации и(или) изменения положения фильтра в пространстве, увеличивая долговечность фильтра и эффективность его работы. Такая конструкция ввиду того, что ребра жесткости могут быть выполнены узкими, обладает низким гидравлическим сопротивлением, что особенно актуально при использовании энергосберегающих малонапорных вентиляторов. Выполнение верхнего фильтра с возможностью перемещения по направляющим, установленным в отверстия, выполненные в нем, в совокупности с наличием упругих элементов позволит компенсировать уменьшение высоты слоя сорбента в результате «утряски» при воздействии вибрации во время эксплуатации фильтра. Развиваемое упругими элементами усилие, передаваемое верхнему фильтру, сохраняется достаточным для исключения перемещения гранул сорбента относительно друг друга и корпуса фильтра во время действия вибрации и(или) изменения положения фильтра в пространстве и при существенном уменьшении высоты слоя сорбента. Для того чтобы упругие элементы надежно передавали усилие верхнему фильтру, в том числе в условиях сильной вибрации и больших центробежных ускорений, в конструкции предусмотрены фиксаторы. Выполнение фиксаторов в виде гаек, а упругих элементов в виде тарельчатых пружин или витых пружин сжатия наиболее технологично и наименее затратно ввиду массового характера их изготовления. К тому же наличие резьбы в гайках позволяет достаточно точно настроить требуемое усилие, развиваемое упругими элементами, для обеспечения надежной фиксации сорбента в фильтре. Выполнение фильтрующего элемента в виде сетки наиболее технологично при минимальных затратах на материалы и изготовление. При этом фильтрующий элемент обладает необходимой жесткостью, позволяющей надежно поджимать сорбент по всей площади контакта. Поскольку сетки имеют сравнительно небольшое гидравлическое сопротивление, потери напора проходящего через нее газа будет незначительно. Наличие элемента уплотнения в зазоре между верхним фильтром и корпусом исключит высыпание гранул сорбента из корпуса во время вибрации с большой амплитудой перемещения и ускорения, а также переворачивания фильтра. Использование элемента уплотнения актуально, если гранулы сорбента имеют небольшой размер или технология изготовления фильтра не позволяет выполнить составные части фильтра с обеспечением их сопряжения без зазора.
То, что направляющие выполнены в виде винтов и прикреплены к нижнему фильтру посредством резьбового соединения, придает конструкции наиболее технологичный вид при сохранении высоких технических характеристик ввиду массового применения винтов и резьбовых соединений.
В зависимости от уровней нагрузок ребра жесткости могут быть выполнены в виде пластин или в виде швеллера. В первом случае конструкция будет иметь меньшую высоту и массу, но ее жесткость будет ниже, чем у конструкции с ребрами жесткости из швеллера.
На фиг.1 представлен вариант конструкции сорбционного фильтра (фиг.2 - вид сверху), где:
- 1 - корпус;
- 2 - верхний фильтр;
- 3 - нижний фильтр;
- 4 - направляющая;
- 5 - упругий элемент;
- 6 - фиксатор;
- 7 - крепеж;
- 8 - сорбент;
- 9 - внешняя рамка;
- 10 - ребра жесткости;
- 11 - фильтрующий элемент.
На фиг.3 представлен вариант конструкции сорбционного фильтра, где 12 - элемент уплотнения, а 13 - держатель.
Сорбционный фильтр может иметь следующие параметры конструктивных элементов, обеспечивающих надежную работу в течение длительного времени при воздействии вибрации и(или) изменении положения фильтра в пространстве.
Корпус 1, имея длину 700…1000 мм, ширину 500…900 мм и высоту 30…70 мм, может быть сварным и выполнен из листовой стали 12Х18Н10Т толщиной 2-3 мм. Верхний и нижний фильтры 2 и 3 могут быть изготовлены в виде каркасов, имеющих внешнюю рамку 9 и ребра жесткости 10, из листовой стали 12Х18Н10Т толщиной 3-5 мм с закрепленными на них стальными фильтрующими элементами 11 из сетки 2-1,2-0,32 12Х18Н10Т ГОСТ 3826-82. Направляющие 4 могут быть изготовлены из винта с резьбой М5, материал которого 30ХГСА. Винт крепится на нижнем фильтре 3 при помощи крепежа 7 направляющей в виде гайки. Сорбент 8 зажат между верхним и нижним фильтрами 2 и 3. Упругий элемент 5 выполнен в виде тарельчатых пружин (фиг.1) или в виде витых пружин сжатия (фиг.3), которые сжаты между верхним фильтром 2 и фиксатором 6, выполненным в виде гайки, навернутой на направляющую 4. Пружины должны создавать усилие до 5000 Н. Уплотнительный элемент 10 может быть изготовлен из стекловолокна и располагается между верхним фильтром 2 и корпусом 1 (фиг.3). Держатель 11 крепится на направляющих и удерживает уплотнительный элемент 10 в зазоре между корпусом 1 и верхним фильтром 2, может быть изготовлен из стали 12Х18Н10Т толщиной 0,5-1 мм.
Сборка сорбционного фильтра выполняется следующим образом. В корпус 1 устанавливают нижний фильтр 3. На нижнем фильтре 3 закрепляют направляющие 4 при помощи крепежа 7. В корпус засыпают гранулированный сорбент 8 и равномерно распределяют его по всей площади корпуса сорбционного фильтра. На слой сорбента 8 по направляющим 4 устанавливается верхний фильтр 2, имеющий для этого отверстия. Уплотнительный элемент 10 устанавливается между верхним фильтром 2 и корпусом 1. Держатель 11 устанавливается на направляющие 4 и прижимается упругими элементами 5 к верхнему фильтру 2. Упругие элементы 5 устанавливаются на верхний фильтр 2 и сжимаются с помощью фиксаторов 6 закрепленными на направляющих 4.
Сорбционный фильтр работает следующим образом. Очищаемую среду подают на нижний 3 или верхний 2 фильтры, в которых осуществляется грубая очистка среды от механических примесей. Проходя через сорбент 9, среда очищается от большинства мелкодисперсных и газовых примесей. Во время воздействия вибрации и(или) изменения положения фильтра в пространстве (например, при вращении), благодаря тому, что гранулы сорбента из-за плотного равномерного прижатия в фильтре не могут перемещаться относительно друг друга и корпуса, будет обеспечена надежная очистка газа в течение длительной эксплуатации фильтра.