ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
FILTER ELEMENT

Изобретение относится к области фильтрации, а именно к конструкциям внутрикорпусных дренажно-распределительных устройств насыпных фильтров очистки газов, водных растворов или других жидкостей и может использоваться в соответствующем оборудовании, применяемом в энергетике (в том числе атомной), промышленности и коммунальном хозяйстве.
Основным технико-экономическим показателем, характеризующим эффективность работы насыпного фильтра, является продолжительность его фильтроцикла, которая, помимо прочего, непосредственно влияет на количество отходов и стоков, образующихся в процессе его эксплуатации и подлежащих утилизации. Это особенно важно в отношении фильтров, входящих в состав технологических схем объектов использования атомной энергии и радиохимических производств.
Продолжительность фильтроцикла насыпного фильтра определяется не только количеством и качеством материала фильтрующей загрузки, но также в значительной степени зависит от равномерности распределения и сбора по сечению фильтра потоков фильтруемого продукта, регенерационных растворов и промывных жидкостей. В большинстве распространенных конструкций насыпных фильтров равномерность распределения потоков по сечению фильтра обеспечивается его внутрикорпусными верхним сборно-распределительным устройством и нижним дренажно-распределительным устройством (ДРУ).
Применяемые на практике конструкции фильтрующих элементов ДРУ можно условно разделить на сетчатые и щелевые.
Сетчатые конструкции (см., например, а.с. СССР №292349, 1971) подвержены забиванию отверстий их фильтрующих перегородок (сеток) осколками измельчающихся в процессе работы гранул фильтрующих материалов (особенно синтетических ионообменных смол). Это приводит к постепенному увеличению гидравлического сопротивления сетчатой перегородки (и ДРУ в целом) и может сопровождаться ее деформацией вплоть до нарушения целостности конструкции фильтрующего элемента.
Известен фильтр с ДРУ тонкостенного щелевого типа, фильтрующие элементы которого имеют горизонтальное расположение плоской кольцевой щели (а.с. СССР №1509107, 1989). Кольцевая щель должна обеспечивать кольцевой поток (сток с фильтрующего элемента) и равномерное распределение жидкости по периферии фильтрующего элемента и по сечению фильтра.
Недостатком такой конструкции является технологическая сложность получения кольцевой щели одинаковой ширины, что приводит к протеканию жидкости преимущественно через участки щели с наибольшей шириной. На участках щели с меньшей шириной поток, соответственно, значительно меньше, вплоть до значения близкого к нулю, что вызывает неравномерность сбора фильтруемого продукта и распределения регенерационных растворов и промывных жидкостей по сечению фильтра. При длительной эксплуатации ширина щелей на участках с максимальной скоростью потока лишь увеличивается за счет гидроэрозионного износа.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является фильтрующий элемент по патенту РФ №2254899 от 03.02.2004.
Известное устройство содержит корпус в виде трубы с отверстиями в рабочей зоне и закрепленным на нем пакетом плоских кольцеобразных пластин с дистанционирующими элементами, выполненными в виде прямых рифтов (рифтов лучевого вида), определяющими размер зазора плоского щелевого канала между пластинами. При этом рифты смежных пластин имеют противоположное (зеркальное) направление угла отклонения от радиуса, что гарантирует несовпадение положения рифтов смежных пластин (гарантированное перекрестие рифтов смежных пластин в плане) при любом их смещении вокруг оси корпуса фильтрующего элемента.
Отличные эксплуатационные характеристики фильтрующих элементов данной конструкции подтверждены десятками тысяч надежно работающих на АЭС экземпляров. Однако изготовление плоских кольцеобразных пластин с лучевыми рифтами значительной (относительно ширины плоскости кольца) протяженности связано с существенными технологическими трудностями. Возникающие после штамповки напряжения в металле пластин могут нарушать их плоскостность и, как следствие, приводить к превышению допусков, установленных для размеров зазоров в плоских щелевых каналах между пластинами фильтрующего элемента. Поэтому рифты при штамповке выполняются с плавными скруглениями, что усложняет изготовление штампов и увеличивает себестоимости изделия.
Кроме того, при регенерациях и взрыхляющих отмывках фильтрующего материала (загрузки) в фильтре разнонаправленные рифты на смежных плоских кольцах формируют разнонаправленные мини-потоки рабочих сред, которые при выходе из щелевых каналов сталкиваются, перемешиваются и выравнивают поле скоростей потока рабочей среды в слое фильтрующего материала. Однако в некоторых технологиях необходимо получение потоков с другими характеристиками, например, общим закручиванием всего потока.
Таким образом, недостатками фильтрующего элемента по патенту РФ №2254899 являются сложность и относительно высокая себестоимость его изготовления, а также невозможность изменения профиля поля скоростей выходящего потока.
Предлагаемое устройство позволяет устранить недостатки известной конструкции при сохранении ее неоспоримых преимуществ.
Новым по сравнению с прототипом является то, что дистанционирующие элементы выполнены в виде точечных рифтов, а плоские кольцеобразные пластины выполнены, как минимум, в двух исполнениях с различным расположением рифтов, исключающим совпадения расположения (совмещение) рифтов смежных пластин, при этом пластины разных исполнений установлены поочередно.
Выполнение дистанционирующих элементов в виде точечных рифтов с малым диаметром основания позволяет снизить напряжения в металле плоских кольцеобразных пластин, благодаря меньшей протяженности линий деформации металла в радиальном направлении и, соответственно, предъявляет менее жесткие требования к процессу штамповки. Кроме того, это позволяет использовать для изготовления кольцеобразных пластин более тонкий металл, уменьшить габариты, металлоемкость и себестоимость фильтрующего элемента при сохранении общей площади щелей на его активной поверхности.
Как и рассмотренный выше прототип, предлагаемое устройство имеет высокую механическую прочность, поскольку силовое гидродинамическое воздействие в процессе фильтрации воспринимается торцами плоских колец, собранных в плотный пакет.
У предлагаемого устройства, как и у рассмотренного выше прототипа, для фильтрования доступна вся площадь зазоров между кольцеобразными пластинами по их наружным кромкам (т.е. вся площадь зазоров на входах в плоские щелевые каналы между пластинами), поскольку рифты располагаются в глубине щелевых каналов.
Как и у рассмотренного выше прототипа, смежные кольцеобразные пластины в пакете, собранном на корпусе предлагаемого устройства, выполнены по различным схемам, исключающим совпадение расположения (совмещение) отштампованных на них дистанционирующих точечных рифтов при любом смещении пластин вокруг оси корпуса.
При этом расположение точечных рифтов на пластинах по несовпадающим схемам их размещения может быть выполнено таким образом, что при регенерациях и взрыхляющих отмывках фильтрующего материала (загрузки) в фильтре на выходе из щелевых каналов фильтрующего элемента может быть сформировано радиальное направление истечения мини-потоков рабочих сред, как разнонаправленное в каждой смежной щели (аналогично прототипу), так и имеющее единый вектор истечения.
Выбор схем расположения точечных рифтов на кольцеобразных пластинах фильтрующих элементов зависит от оборудования, в котором они будут применены.
Возможность формирования оптимальных схем направления движения мини-потоков рабочей среды на выходе из плоских щелевых каналов фильтрующего элемента путем изменения геометрии расположения рифтов на его кольцеобразных пластинах позволяет достичь наиболее равномерного распределения рабочей среды в слое фильтрующего материала по сечению фильтра. Это повышает глубину его регенерации и отмывки, увеличивая тем самым продолжительность рабочего фильтроцикла при тех же или даже меньших затратах химических реагентов и воды.
Таким образом, предложенная совокупность признаков обеспечивает упрощение изготовления устройства, возможность снижения его металлоемкости и себестоимости, а также позволяет достичь наиболее равномерного распределения рабочих сред в слое фильтрующего материала по сечению фильтра.
На фиг. 1 представлен фильтрующий элемент, где:
1 - трубчатый корпус;
2 - приемное отверстие;
3 - плоские кольцеобразные пластины с точечными рифтами;
4 - крышка корпуса;
5 и 6 - опорные шайбы;
7 - втулка;
8 - точечные рифты.
На фиг. 2 представлены варианты конкретного выполнения плоских кольцеобразных пластин 3 с рифтами 8 для радиального выходного потока и проекционное наложение двух пластин разных исполнений.
На фиг. 3 представлены варианты конкретного выполнения плоских кольцеобразных пластин 3 с рифтами 8 для закрученного выходного потока.
На фиг. 4 представлены варианты конкретного выполнения плоских кольцеобразных пластин 3 с рифтами 8 для пересекающихся выходных потоков соседних щелей.
Фильтрующий элемент представляет собой корпус в виде трубы 1 с крышкой 4 и приемными отверстиями в рабочей зоне 2. На корпусе 1 при помощи опорных шайб 5 и 6 и втулки 7 закреплены плоские кольцеобразные пластины с точечными рифтами 3.
Смежные кольцеобразные пластины 3 имеют точечные рифты 8, выполненные по схемам, исключающим совпадение (совмещение) их расположения.
Устройство работает следующим образом.
При работе фильтра поток фильтруемой среды, пройдя через слой гранульного фильтрующего материала (загрузки фильтра), поступает внутрь плоских щелевых каналов (щелей) между кольцеобразными пластинами фильтрующего элемента, разбиваясь на отдельные мини-потоки, которые огибают точечные рифты, расположенные в глубине щелевых каналов, и через приемные отверстия в корпусе фильтрующего элемента попадают в сборно-распределительные трубы внутрикорпусного ДРУ фильтра, из которого общий поток фильтруемой среды через выходной патрубок фильтра отводится в технологический трубопровод.
При противоточных регенерациях и взрыхляющих отмывках загрузки фильтра движение потока рабочей среды через ДРУ и его фильтрующие элементы противоположно описанному выше для режима работы фильтра. Выходя из сборно-распределительной трубы ДРУ в корпус фильтрующего элемента, поток рабочей среды через приемные отверстия в корпусе поступает внутрь плоских щелевых каналов (щелей) между кольцеобразными пластинами фильтрующего элемента, разбиваясь на отдельные мини-потоки. В каждом щелевом канале локальный мини-поток огибает точечные рифты в его глубине и, двигаясь по пути наименьшего гидродинамического сопротивления, к моменту выхода из канала в слой фильтрующего материала приобретает вектор движения, задаваемый геометрией расположения рифтов.
Наличие выбора оптимальных движений потоков, задаваемые схемами расположения рифтов, при регенерации и расположение рифтов в глубине щелей позволяет избежать образования застойных зон. Это приводит к наиболее полной и равномерной регенерации и отмывке фильтра, что повышает качество фильтрации в целом.