ФИЛЬТР-ПЫЛЕГАЗОУЛОВИТЕЛЬ ЧАСТИЦ И АЭРОЗОЛЕЙ
GAS-AND-DUST SEPARATOR FILTER FOR PARTICLES AND AEROSOLS

Изобретение относится к фильтрам в устройствах очистки воздуха. Оно предназначено для использования в различных отраслях промышленности, авиации, для защиты от отравляющих веществ, для кондиционирования воздушной среды жилых и промышленных зданий, замкнутых объектов. Предлагаемый фильтр-пылегазоуловитель может быть использован, например, для кухонного воздухоочистителя в жилых помещениях или очистки выхлопа двигателей.
Содержание частиц и аэрозолей с повышенной адгезией (липкой) в бытовой пыли обычно невелико (не более 2-5%). Как правило, такая пыль образуется при термообработке или горении органических веществ и распространяется в форме высокодисперсного масляного тумана, дыма, чада, копоти, табачного дыма, сажи и так далее. Одновременно образование такой пыли сопровождается выделением газообразных компонентов, обычно фиксируемых по запаху. Липкая пыль прочно удерживается в объеме фильтра и при его регенерации, например, обратной продувкой не удаляется, остается в нем, постепенно накапливаясь. Современные требования к указанному фильтру должны быть примерно следующие:
- фильтр должен быть достаточно эффективным в улавливании данного рода пыли;
- фильтр должен работать при высоких пиковых концентрациях (выбросах) пыли;
- фильтр должен улавливать запахи (газообразные компоненты термообработки);
- фильтр должен быть пригоден к многоразовой регенерации;
- фильтр должен обладать пылеемкостью, обеспечивающей достаточно длительный промежуток времени между регенерациями.
Требование регенерации к новым разработкам фильтров становится все более настоятельным. В технике фильтрации воздуха оно решается по-разному. Применительно к данным фильтрам это может быть УФ-излучение, мойка или термообработка. Учитывая необходимость частой регенерации, желательно, чтобы она (регенерация) не вызывала значительных затруднений ни по сложности процесса, ни по времени.
3
Известны фильтры, применяемые в фильтрационно-фотокаталитических воздухоочистителях, устанавливаемые в кабинетах, офисах и спальнях (патент США 6330947, В01D 39/00). Такие фильтры предусматривают постоянную регенерацию. Однако фотокаталитические фильтры менее эффективны при очистке сильнозагрязненного воздуха (например, от крупных пылевых частиц). Эти фильтры рассчитаны на небольшие пиковые нагрузки и концентрации вредных веществ (не более 100 мкг/м). Для кухонных воздухоочистителей они не пригодны.
От обычных систем принудительной вытяжной вентиляции кухонная вытяжка отличается тем, что она имеет дело с сильно нагретым и сильно загрязненным воздухом. Работая с такой агрессивной средой, вентиляционное устройство должно быть защищено от перегрева и паров кипящего масла и жира.
Многие производители устанавливают в таких вытяжках жироулавливающие фильтры, изготовленные из акриловой ткани. Эти фильтры одноразовые, их рекомендуется заменять на новые, приобретаемые дополнительно, через каждые полтора-два месяца. По мнению специалистов, стирка фильтров, практикуемая некоторыми домохозяйками, бесполезна, так как не возвращает фильтрам их первоначальных качеств и деформирует сам фильтр. Запахи фильтр не удаляет.
Известны кассетные угольные фильтры, применяемые в воздухоочистителях для удаления жировых частиц, сажи, копоти в процессе приготовления пищи (воздухоочиститель электрический бытовой БЭВ-2601-3, Руководство по эксплуатации 2601.00.0.000.РЭ, УП «Гефест-техника», 2004). Они работают в циркуляционном режиме (очищенный воздух возвращается в помещение кухни). Активированный уголь значительно уменьшает запахи от приготовления пищи. Эффективность очистки от аэрозолей прошедшего через фильтр воздуха составляет примерно 85%. Однако угольный фильтр не подлежит регенерации и должен быть заменен примерно через каждые 3-6 месяцев. Со временем активированный уголь подвержен окислению. В связи с этим постепенно (через полгода) происходит ухудшение его тактико-технических характеристик. По этой же причине он со временем становится пожароопасным. Угольные фильтры применяются для очистки воздуха от бытовых газовых загрязнений и неприятных запахов, как правило, дополнительно к фильтрам других типов.
3
Известен фильтрующий элемент для вентиляционных труб (заявка Германии 102007016542, МПК F24С 15/20, 2006; патент Украины 66489, В01D 45/12, 2004), изготовленный из нескольких слоев металла. Он предназначен для удаления дыма, чада, капелек жира. Периодическую очистку (регенерацию) такого фильтра от жира организовать несложно, например, промывкой или прокалкой. Однако общая контактирующая с фильтруемым воздухом поверхность относительно мала и поэтому эффективность очистки воздуха таким фильтром недостаточно высокая (не более 85%), особенно при больших разовых выбросах пыли (более 700 мкг/м) и относительно мощной вытяжки. Запахи фильтр не удаляет.
Известен сотовый металлокерамический фильтр для очистки выхлопных газов ДВС (ЕПВ 1508357, В01D 39/20, 2000; патент США 6843817, В01D 39/20, 2001; патент США 7112234, В01D 39/20, 2004) или сотовый фильтр для очистки отходящих газов (ЕПВ 1645319, В01D 39/20, 2004). Эти фильтры хорошо держат высокую температуру (до 900°С), необходимую для их тепловой регенерации, но их пылеемкость ограничена, они относительно быстро забиваются, их регенерация трудоемка из-за трудности доступа окислителя (кислорода воздуха) в поры фильтра. С точки зрения регенерации более удобны волокнистые фильтры. Запахи фильтр не удаляет.
Известен фильтр, содержащий базальтовые волокна (40-50%), для фильтрации отработанных газов (ЕПВ 1862208, В01D 39/16, 2006). Фильтр выполнен в форме войлокообразного вещества и дополнительно включает волокна полиимида, поливинилсульфида и политетрафторэтилена. Из-за наличия в составе фильтра органических компонентов тепловую регенерацию (более 400°С) такой фильтр не выдерживает. Запахи фильтр не удаляет.
Обычно в вытяжке используются одновременно фильтры двух видов: жироулавливающий и угольный. В качестве прототипа изобретения выбран фильтр, предложенный в патенте США 7041147, В01D 35/30, 2005 г. Фильтр включает входной патрубок для загрязненного воздуха, выходной патрубок для очищенного воздуха и кассету с фильтрующими элементами: волокнистым НЕРА-фильтром в лобовом слое и угольным фильтром в замыкающем слое. Очевидно, что в целом фильтр не может быть отнесен к регенерируемым, так как угольный фильтр регенерации не подлежит. В патенте отсутствуют сведения о химическом составе волокнистого материала, что совершенно необходимо для заключения о термостойкости материала. Как правило, материал НЕРА-фильтра также не является достаточно термостойким для его тепловой регенерации и является пожароопасным. В целом к недостаткам фильтра следует отнести и другие недостатки угольного фильтра, а именно малый срок эксплуатации и потенциальную пожароопасность.
Задачами изобретения являются:
- возможность упрощенной (доступной для пользователя) периодической регенерации фильтра;
- увеличение срока (продолжительности) эксплуатации фильтра;
- обеспечение пожаробезопасности фильтра.
Перечисленные задачи очистки воздуха разрешаются с помощью фильтр-пылегазоуловителя частиц и аэрозолей, который содержит входной патрубок для загрязненного воздуха, выходной патрубок для очищенного воздуха и кассету с фильтрующими элементами, и отличается тем, что в лобовом слое кассеты фильтра расположен муллитокремнеземистый картон, а в замыкающем слое расположен гидрофобный цеолит.
Сущность изобретения выражается в совокупности перечисленных признаков. Убрав любой из этих перечисленных признаков, становится невозможным достижение указанного технического результата.
Муллитокремнеземистый картон используется как термостойкий волокнистый фильтр-материал, одновременно обладающий достаточной эффективностью по задержанию липкой пыли. Он выдерживает нагрев свыше 1100°С, а эффективность очистки от аэрозолей (масляного тумана) прошедшего через картон воздуха составляет примерно 96-98%. Химический состав картона (окись алюминия (53%) и окись кремния) не содержит органических компонентов, поэтому муллитокремнеземистый картон выдерживает значительно большее количество циклов тепловой регенерации, чем другие известные волокнистые материалы. Средний диаметр волокна составляет примерно 3 мкм.
Муллитокремнеземистый волокнистый фильтр принимает на себя основной (лобовой) удар жидкого аэрозоля (масла) в воздушном потоке и задерживает до 90-98% всего аэрозоля. Объединение волокон картона (диаметр 3 мкм) и зерна (диаметр 1 мм) гидрофобного цеолита в единый блок в принятой последовательности дает определенный синергетический эффект в отношении количества фильтруемой пыли.
Однако гидрофобный цеолит в предлагаемом аэрозольном фильтре работает не только как дополнительный аэрозольный фильтр (липкая масляная пленка покрывает его полностью), но и как адсорбент легких углеводородов, дающих запахи. Появление запаха на выходе из фильтра, таким образом, служит индикатором отработки всего фильтра. Гидрофобный цеолит достаточно эффективен в поглощении запахов и достаточно долговременен в эксплуатации. Для сравнения, такой цеолитный фильтр полностью очищает воздух в помещении за полчаса, угольный фильтр - за час; если угольный фильтр подлежит замене через каждые полгода, то предлагаемый цеолитный фильтр остается в рабочем состоянии до 4-5 лет. Он выдерживают нагрев до 600°С без разрушения пористой структуры. В экспериментах гидрофобный цеолит использовался в форме сфер диаметром около 1 мм.
Среднее время эксплуатации фильтра в целом составляет примерно 4 года за счет его возможной регенерации, что почти на порядок больше времени эксплуатации угольного фильтра.
Таким образом, фильтр в целом допускает несложную в реализации тепловую регенерацию с различными ее вариациями (например, с одновременной продувкой воздухом). Фильтр не требует регенерации по частям. Использование теплой регенерации такого фильтра следует признать естественной и удобной формой, особенно если учесть саму термическую природу происхождения липкой пыли. На практике, в быту, тепловая регенерация достаточно проста и недолговременна. Оба компонента фильтра полностью пожаробезопасны.
В принципе допустим восстановительный процесс (фотокаталитическая регенерация) фильтра под действием ультрафиолетового излучения на содержащейся в волокнах и цеолите двуокиси титана. Однако на практике процесс этот небыстрый, требует специальной установки и, как правило, при наличии пыли в объеме фильтра затруднен.
Наличие в фильтре этих двух компонентов существенно. Исключение или замена любого из указанных компонентов лишает фильтр-пылегазоуловитель его преимуществ (не позволяет решать перечисленные выше задачи).
Следует отметить, что поскольку отработка цеолитной части фильтра, как правило, всегда опережает по времени отработку лобовой части фильтра (фиксируется усиление запахов), то и момент отработки фильтра в целом определяется относительно просто.
Важно всегда сохранять порядок расположения частей фильтра в отношении потока воздуха как при очистке воздуха, так и при его тепловой регенерации. В лобовом слое фильтра используется муллитокремнеземистый картон, а в замыкающем слое используется гидрофобный цеолит. Это связано с тем, что лобовой слой фильтра всегда воспринимает основную нагрузку как по пыли (более 99%) в процессе фильтрации, так и по температуре в процессе регенерации.
Сущность изобретения поясняется чертежом (фиг.1), где приведен общий вид фильтра. Фильтр содержит входной патрубок 1 для ввода загрязненного воздуха и выходной патрубок 2 для вывода очищенного воздуха. Между патрубками расположена кассета 3 с фильтрующими элементами. Металлические сетки 4, выполненные из нержавеющей стали, служат для разделения и крепления лобовой части фильтра 5 и замыкающей части 6. Боковая часть фильтра также выполнена из нержавеющей стали.
При работе фильтра втягивающий воздушный поток создается с помощью вентилятора, расположенного за выходным патрубком 2 (на фиг.1 не показан). Загрязненный поток воздуха через патрубок 1 поступает в лобовую часть фильтра 5 (муллитокремнеземистый картон), очищается от липкой органической пыли и аэрозолей и затем проходит замыкающую часть фильтра 6 (гидрофобный цеолит), где поглощается до 90% всех газовых примесей, обеспечивающих запахи. Для исключения смешения компонентов и свободного прохождения воздуха использованы сетки 4. Кассета 3 и патрубки 1 и 2 при регенерации фильтра могут быть разъединены.
3
3
3
2
3
Пример 1. Фильтр-пылегазоуловитель выполнен в форме кассеты диаметром 150 мм и высотой 30 мм. Толщина волокнистого муллитокремнеземистого картона (лобовая часть фильтра) составляет 10 мм. Плотность картона - 0,084 кг/м. Толщина зерненого слоя (диаметр зерен 1 мм) гидрофобного цеолита (замыкающая часть фильтра) составляет 20 мм. Плотность упаковки зерна - 0,95 кг/м. Через фильтр продувался воздух с масляным туманом (масло турбинное Тп-22С) с начальной концентрацией 2,5-5,0 г/м. Линейная скорость воздушного потока составляла примерно 0,2 л/мин·см. Концентрация масляного тумана на выходе из фильтра составляет не более 7 мг/м. Эффективность поглощения пыли (масляного тумана) составляет более 96%. Окончание отработки фильтра определялось субъективно (по появлению запаха масла). Кроме того, окончание отработки фиксировалось по росту гидравлического сопротивления газовому потоку. Количество осевшего на фильтре масла составляет 3-5 г (по взвешиванию). Регенерация фильтра проводилась его нагревом на бытовой газовой плите с выводом летучих компонентов разложения во внешнюю среду в течение 30 мин. Установлена возможность многократной регенерации фильтра.
3
3
3
2
3
Пример 2. Фильтр-пылегазоуловитель выполнен в форме кассеты диаметром 180 мм и высотой 35 мм. Толщина волокнистого муллитокремнеземистого картона составляет 5-6 мм. Плотность картона - 0,16 кг/м. Толщина зерненого слоя (диаметр зерен 1 мм) гидрофобного цеолита составляет 30 мм. Плотность упаковки зерна - 0,95 кг/м. Через фильтр продувался воздух с масляным туманом (масло турбинное Тп-22С) с начальной концентрацией 2,5-5,0 г/м. Линейная скорость воздушного потока составляла примерно 0,15 л/мин·см. Концентрация масляного тумана на выходе из фильтра составляет не более 3 мг/м. Эффективность поглощения пыли (масляного тумана) составляет более 98%. Окончание отработки фильтра определялось субъективно (по появлению запаха масла). Количество осевшего на фильтре масла составляет 5-6 г (по взвешиванию). Регенерация фильтра проводилась его нагревом на бытовой газовой плите с выводом летучих компонентов разложения во внешнюю среду в течение 30 мин. Установлена возможность многократной регенерации фильтра.
Важным достоинством фильтра является его простота и надежность. Работоспособность фильтра многократно проверена по частям и проверена в целом.