УСТРОЙСТВО ФИЛЬТРАЦИИ ЖИДКИХ СМЕСЕЙ
FILTRATION DEVICE FOR LIQUID MIXTURES

Изобретения относятся к сельскому хозяйству, конкретно к устройствам фильтрации жидких смесей.
Известно устройство фильтрации жидких смесей (патент №2317841 С9 МПК B01D 27/08, A01J 11/06), содержащее односторонний полый цилиндрический корпус с крышкой, имеющий перпендикулярный входной патрубок в боковую цилиндрическую поверхность и осевой выходной патрубок в нижнем глухом торце цилиндра, а также фильтрующий элемент, установленный с кольцевым зазором в цилиндре, который фиксируется по оси втулками, расположенными на внутренних поверхностях нижнего глухого торца цилиндра и крышки.
Недостатками этого устройства являются низкая эффективность очистки из-за подпора жидкости перед фильтром, ввиду чего равномерный поток жидкости замедляется и в центре области подпора поток полностью останавливается и скорость потока снижается до нуля, кроме того вокруг цилиндрической поверхности фильтра возникает потенциальное течение, в котором потоки, расходящиеся перед цилиндром, вновь смыкаются позади цилиндра, что создает завихрение жидкой смеси и возникновение поверхности разрыва скоростей. Все вышесказанное не обеспечивает равномерный приток жидкой смеси к поверхности фильтра. Само же крепление фильтра по оси за счет втулок уменьшает рабочую длину фильтрации.
Известно устройство фильтрации жидких смесей (патент №110921, МПК А01J 11/06), содержащее односторонний полый цилиндрический корпус с крышкой, имеющий перпендикулярный входной патрубок в боковую цилиндрическую поверхность и осевой выходной патрубок в нижнем глухом торце цилиндра, а также фильтрующий элемент, установленный с кольцевым зазором в цилиндре, который фиксируется по оси втулками, расположенными на внутренних поверхностях нижнего глухого торца цилиндра и крышки,- и имеющими отверстиями, через которые проходит жидкая смесь увеличивая контактную площадь фильтрующего элемента. Однако, в целом это не повышает значительно эффективность очистки фильтрующего элемента.
Наиболее близким к заявляемому устройству по совокупности существенных признаков является принятое за прототип устройство для очистки жидких смесей (патент №72150 МПК B01D 27/04 и B01D 27/08) содержащее односторонний полый цилиндрический корпус с крышкой, имеющий входной патрубок, расположенный по касательной к корпусу и осевой выходной патрубок в нижнем глухом торце цилиндра, а также внутренний фильтрующий элемент, установленный с кольцевым зазором в цилиндре, который фиксируется по оси согнутыми прутками из нержавеющей стали, расположенными относительно друг друга под углом 90°.
Недостатком этого устройства является то, что эффективность очистки жидкой смеси снижается при выходе из цилиндрического сечения входного патрубка и входе в щелевой кольцевой зазор между корпусом и фильтром из-за значительного сопротивления сжатию жидкой смеси при неизменности ее объема под действием всесторонних сил давления, нормальных к поверхности, ограничивающей рассматриваемый объем, поэтому жидкая смесь не равномерно распределяется по поверхности фильтра. Наличие уплотнительных прокладок, исключающих зазор между фильтром и внутренними поверхностями крышки и нижнего торца цилиндра; усложняют конструкцию устройства и требуют их частой замены. Не исключено смещение резиновых уплотнителей под напором жидкой смеси вне зоны контакта с четырьмя прутковыми направляющими.
Задача изобретения - повышение равномерности распределения по поверхности фильтра поступающей жидкой смеси, что улучшает качество очистки.
Это достигается тем, что в предлагаемом устройстве фильтрации жидкой смеси, содержащем полый цилиндрический корпус с крышкой, имеющий входной цилиндрический патрубок, расположенный по касательной к корпусу и осевой выходной патрубок в нижнем глухом торце цилиндра, фильтрующий элемент, центрируемый по оси верхними и нижними направляющими, расположенными соответственно в крышке и днище, выходной патрубок, отличающийся тем, что входной цилиндрический патрубок выполнен в виде сжатого в вертикальной плоскости раструба, площадь сечения которого соответствует площади сечения кольцевого зазора между корпусом и фильтром, а верхние и нижние направляющие выполнены в виде кольцевых углублений, обеспечивающих вхождение в них фильтра с натягом, а фильтрующий элемент имеет в горизонтальной плоскости на внешней стороне равнозначную волнообразную форму с высотой волны, не изменяющей пропускную способность фильтра.
Необходимость представления входного цилиндрического патрубка в виде сжатого в вертикальной плоскости раструба, площадь сечения которого соответствует площади сечения кольцевого зазора между корпусом и фильтром, объясняется следующим: движение жидкости через пористую поверхность фильтра относится к ползучему течению, такое сложное движение через промежутки между ворсинками фильтра можно оценить в целом, если ввести в расчет объем жидкости, протекающей в одну секунду через единицу площади сечения. Эта величина имеет размерность скорости. Согласно закону Гагена-Пуазейля скорость фильтрации при ползучем течении можно принять пропорционально градиенту скорости потока. Давление в соответствии со своей физической природой везде должно быть однозначно и непрерывно. Линейная зависимость между скоростью фильтрации и градиентом давления имеет место только до тех пор, пока число Рейнольдса, составленное по диаметру отверстий фильтра, остается достаточно малым. Поэтому через поперечные сечения раструба и зазора между стенкой корпуса и фильтром должен проходить поток несжимаемой жидкости с условием сохранения массы, т.е. чтобы произведение плотности жидкой смеси, поперечного сечения и средней скорости в этом сечении всегда оставалась величиной постоянной. Движение жидкой смеси в устройстве рассматриваем как движение в спиральной камере, все линии тока начинаются в области параллельного потока перед входом в корпус, в которой скорости давления везде одинаковы, следовательно, постоянная в уравнении Бернулли, составленная для потока в спиральной камере, одинакова на всех линиях тока. Однако, жидкая смесь начинает двигаться в изогнутой горизонтальной плоскости и ядро основного потока, обладая наибольшей скоростью, стремится двигаться по инерции прямолинейно, вследствие чего более медленные слои, прилегающие к верхним и нижним стенкам, сильно отклоняются в сторону внутренней боковой стенки. В результате возникают два вторичных потока. Они налагаются на главный поток и перемещают его от фильтра к стенке корпуса, что ухудшает фильтрацию. Наличие раструба исключает образование вторичных потоков и сохраняет линейную зависимость между скоростью фильтрации и градиентом давления.
Для жесткой фиксации корпуса фильтра относительно оси выполнены кольцевые углубления соответственно в крышке и днище корпуса. Толщина углубления кольца меньше по размерам толщины фильтра, что обеспечивает крепление последнего с натягом, обеспечивающим усилие, достаточное для ручной сборки фильтра и исключающее попадание нефильтрованного молока в поток фильтрованного.
Необходимость представления фильтрующего элемента увеличивающего площадь контакта за счет наличия в горизонтальной плоскости на внешней его стороне равнозначной волнообразной формой с высотой волны, не изменяющей пропускную способность фильтра; объясняется следующим: поток жидкости входит в каналы, образуемые волнообразной формой фильтра, и после вращения по спирали выходит из центрального отверстия неподвижной камеры, при этом косинус угла между вектором скорости и нормалью к радиусу из-за небольшой величины этого угла равен единице, а величины суммарного вращающего момента при входе и выходе будут равны и момент внешних сил относительно центра можно считать равным нулю, т.е. применение вышесказанного к единичному объему жидкости, ограниченному контрольной поверхностью, не требует знания того, что происходит внутри выбранного объема. Все изменения определяются переносом количества движения через контрольную поверхность, а оно является константой, что подтверждает неизменяющую пропускную способность фильтра.
На фиг. 1 изображено устройство фильтрации жидких смесей.
На фиг. 2 изображено устройство фильтрации жидких смесей, разрез А-А.
На фиг. 3 изображено устройство фильтрации жидких смесей, разрез Б-Б.
На фиг. 4 изображено устройство фильтрации жидких смесей, 3D модель.
На фигуре 1 схематично изображено устройство фильтрации жидких смесей. Устройство содержит цилиндрический корпус 1 с разъемной крышкой 6, изготовленных из нержавеющей стали. Нижний глухой торец 4 приварен к корпусу 1 и в него вварен по оси выходной патрубок 5. Входной патрубок 2 приварен раструбом по касательной к корпусу 1. Фильтр 3 имеет на внешней стороне волнообразную кольцевую форму 7. На фигурах 2 и 3 показано осевое расположение фильтра 3, который образует кольцевой зазор с корпусом 1 равный ширине раструба входного патрубка 2. Внутренний диаметр фильтра 3 больше внешнего диаметра выходного патрубка 5 для обеспечения натяга при установке фильтрующего элемента. На фигуре 3 корпус фильтра одной стороной входит в кольцевое углубление глухого торца 4 корпуса 1, а другой стороной в кольцевое углубление крышки 6, что обеспечивает герметичность приемной камеры кольцевого зазора и исключает прохождение поступающей жидкой смеси вне фильтра через его торцовые края и обеспечивает фильтрацию по всей длине. На фигуре 4 устройство фильтрации жидкой смеси представлен в 3D модели, из которой видно объемное расположение составных деталей, что позволяет представить технологический процесс прохождения жидкой смеси.
Устройство работает следующим образом: в полый цилиндрический корпус 1 устанавливается фильтрующий элемент 3, который своим нижним торцом входит с натягом в кольцевое углубление глухой торцовой крышки 4, а сверху корпус 1 закрывается крышкой 6 в кольцевое углубление которого входит верхний торец фильтра также с натягом и притягивается крышкой. Жидкая смесь поступает под давлением по входящему патрубку 2 через его раструб в щелевой кольцевой зазор между корпусом 1 и фильтром 3 и через волнообразную кольцевую форму поверхности 7 фильтра 3 равномерно распределяется по поверхности фильтра. Примеси жидкой смеси оседают на увеличенной за счет волнообразной формы поверхности фильтра 3 и через внутреннюю полость фильтра 3 очищенная жидкая смесь отводится через выходной патрубок 5.
Фильтр данной конструкции может применяться при первичной обработке молока на молочных комплексах животноводческих ферм и молочных заводах.
Технико-экономический эффект устройства фильтрации жидкой смеси заключается в повышении площади фильтрации до 50%, а при очистке молока степени его чистоты на один класс и уменьшении более чем в два раза микробиологических показателей количества мезофильных аэробных и факультативно анаэробных микроорганизмов и соматических клеток, что повышает качество фильтрации.