Высокопористый ячеистый фильтр с порами для очистки газовых сред и воды

Полезная модель относится к области очистки газовых сред и воды от различного рода примесей, и может быть использована в быту, в различных отраслях промышленности и энергетики.
Известен фильтр для очистки воды в домашних условиях, содержащий корпус с крышкой, внутри которого размещен фильтрующий картридж коаксиального типа, входной и выходной патрубки [Патент RU 114680, C02F 1/00, опубл. 10.04.2012]. При этом его фильтрующий картридж выполнен на основе высокопористой резорцинформальдегидной смолы, состоящей из микроглобул с порами заданного размера в виде полого объемного цилиндра с центральным полым сердечником из прессованного активированного угля, установленном на дне цилиндрического корпуса, равном с ним по высоте, при этом корпус выполнен в виде стакана из нержавеющей стали с радиусной отбортовкой, сопрягаемой с аналогичной отбортовкой, выполненной на крышке, которые уплотнены между собой эластичным кольцом круглого сечения, при помощи профилированного хомута, снабженного эксцентриковым зажимом, при этом крышка снабжена радиальной выпуклостью, в которой размещены входной и выходной фитинги, последний из которых через адаптер с уплотнительным элементом подсоединен к центральному отверстию фильтрующего картриджа, выполненного на основе высокопористых материалов обменного и сорбционного типа в виде объемного изделия.
Известен фильтр, предназначенный для очистки газовых сред, содержащий корпус с герметично закрепленным на нем входным фланцем, имеющим тороидальные кольцевые выступы, крестовину и входные окна [Патент RU 2622138, B01D 46/24, опубл. 13.06.2017]. К крестовине герметично прикреплена шпилька, на которой закреплены ребра. К корпусу фильтра с другой стороны герметично прикреплена задняя крышка с выходными окнами. Внутри корпуса фильтра размещены параллельно оси входного фланца модули фильтрующие, закрепленные в корпусе при помощи крестовины и пространственно раскрепленные между собой с помощью ложементов. Модули фильтрующие состоят из плоских пористых фильтрующих элементов в виде дисков с центральным отверстием. Плоские пористые фильтрующие элементы в модуле фильтрующем герметично соединены между собой по принципу сильфона по их внутреннему и внешнему кантам. Для обеспечения жесткости соединения между собой плоских пористых фильтрующих элементов по принципу сильфона в конструкции модулей фильтрующих использованы гребенчатые накладки, наложенные сверху на наружные канты плоских пористых фильтрующих элементов в местах их соединения.
Кроме того, известен фильтр, содержащий корпус, помещенную внутрь корпуса несущую трубу и рабочие модули, закрепленные поперек несущей трубы [Патент RU 2635802, B01D 29/41, B01D 25/26, опубл. 16.11.2017]. Каждый из рабочих модулей содержит расположенные на удалении друг от друга первый и второй фильтровальные пакеты, каждый из которых снабжен двумя фильтроэлементами и помещенной между ними жесткой проставкой. Фильтроэлементы и проставки пакетов снабжены соосными вырезами, причем размер вырезов внутренних фильтроэлементов пакетов рабочего модуля выбран большим размера вырезов в проставках. Внешние края фильтроэлементов и проставок каждого из фильтровальных пакетов скреплены друг с другом внешним поясом, внутренние края внутренних фильтроэлементов разноименных фильтровальных пакетов соединены друг с другом внутренним поясом. Полость рабочего модуля, расположенная между внутренним поясом и несущей трубой, выполнена сообщающейся с полостью несущей трубы. При этом фильтроэлементы и проставки каждого из рабочих модулей выполнены из пористого сетчатого материала. Фильтроэлементы выполнены из пористого сетчатого материала на основе мелкоячеистых, а проставки - крупноячеистых сеток.
Недостатком перечисленных аналогов является сложность конструкции.
Наиболее близким к полезной модели по технической сущности и достигаемому результату является устройство микрофильтрационное для очистки воды от механических загрязнений, включающее фильтр, трубопроводную арматуру, систему контрольно-измерительных приборов и аппаратуры, фильтр выполнен в виде двух секций, причем первая из последовательно соединенных секций содержит два вертикально установленных фильтрующих элемента патронного типа, изготовленных из пористого полиэтилена, с размерами микропор 10 мкм, а вторая имеет такую же конструкцию и два аналогичных фильтрующих элемента с размерами микропор 1,0 мкм, при этом регенерация фильтра осуществляется путем последовательной продувки секций противотоком сжатого воздуха без разборки устройства [Патент RU 2630121, B01D 27/02, B01D 27/14, C02F 1/00, опубл. 05.09.2017]. Устройство снабжено автоматизированной системой управления и контроля.
Недостатками данной полезной модели являются:
- полезная модель не относится к области обработки газа;
- вынужденная работа от электроэнергии;
- сложность конструкции.
Задачей полезной модели является разработка высокопористого ячеистого фильтра с порами для очистки газовых сред и воды, в котором устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом является снижение перепада давления, прирост в эффективности осаждения частиц и повышение коэффициента качества фильтра.
Технический результат достигается тем, что высокопористый ячеистый фильтр с порами для очистки газовых сред и воды содержит корпус со вспомогательными патрубками, заполненный монолитным высокопористым ячеистым материалом, представляющим собой пористую вставку из керамики, полиактида или карбона с диаметром ячеек 4 мм и с порами диаметром 0,9 мм. Размеры: пористая вставка 20×20×20 мм, входной патрубок 20×20×10 мм, выходной патрубок 20×20×30 мм. Корпус и патрубки выполнены из пенополиуретана.
я
пор
Были созданы модели пористых фильтров с диаметром ячейки d=4 мм и с пористостями 0,6; 0,7 и 0,8. На основе данных моделей создавались фильтры с порами, диаметр ячейки пор d=0,9 мм. Размеры моделей: пористая вставка 20×20×20 мм, входной патрубок 20×20×10 мм, выходной патрубок 20×20×30 мм. Параметры всех моделей представлены в таблице 1.
Значение пористости фильтрующего материала определялось по формуле [Heidig Т., Zeiser Т., Freund Н. Influence of resolution of rasterized geometries on porosity and specific surface area exemplified for model geometries of porous media //Transport in Porous Media. - 2017. - T. 120. - №. 1. - C. 207-225.]:
1
tot
где V - объем пустотности кубика единичного размера, V - общий объем кубика, h - размер взаимопроникновения ячеек, R - радиус сферы.
Численные параметрические расчеты показали, что данные диаметры ячеек и пор являются наиболее оптимальными. Диаметры корпуса и патрубков могут быть увеличены в зависимости от фильтрующей системы. Корпус и патрубки выполнены из пенополиуретана. Пористая вставка может быть изготовлена из керамики, полиактида или карбона.
Пример модели фильтра с пористой вставкой с перегородками, содержащими поры (макропористость 0,7, общая пористость 0,85), представлен на фиг.1.
Пример прохождения линий тока через структуру с макропористостью 0,7 с перегородками, содержащими поры, представлен на фиг.2.
При значении начальной пористости 0,7 кривая эффективности осаждения частиц для модели фильтра с пористой вставкой с перегородками, содержащими поры, совпадает с кривой для модели твердотельной пористой вставки с пористостью 0,7 до значения диаметра частиц 20 мкм, после данного значения эффективность кривой модели без пор оказывается выше. При значении пористости 0,8 кривая эффективности осаждения для модели пористого фильтра с перегородками, содержащими поры, оказывается выше кривой эффективности осаждения для модели с твердотельными перегородками до значения диаметра частиц 6 мкм.
Кривые эффективности осаждения частиц для моделей, содержащих поры, располагаются выше кривых для других моделей в области более мелких частиц. Это можно объяснить особенностью гидродинамики, так как после добавления пор часть линий тока проходит сквозь них. В соответствии с этим, более мелкие частицы затягиваются в поры, где вероятность их осаждения выше.
Эффективность осаждения частиц остается равной эффективности осаждения для случая стандартных высокопористых фильтров для частиц больше 6 мкм. Добавление пор в перегородки пористой вставки увеличивает эффективность осаждения частиц диаметром менее 6 мкм.
По коэффициенту качества фильтра также наблюдается заметный прирост, что достигается за счет сильного снижения перепада давления по сравнению с начальной моделью без пор. При этом эффективность снижается незначительно, а при диаметре частиц до 6 мкм, напротив, наблюдается прирост, и до данного значения диаметра частиц кривые коэффициента качества для моделей с порами оказываются выше остальных.
Регенерация высокопористого ячеистого фильтра с порами для очистки газовых сред и воды осуществляется путем последовательной продувки противотоком сжатого воздуха, как в прототипе [Патент RU 2630121, B01D 27/02, B01D 27/14, C02F 1/00, опубл. 05.09.2017].
Достоинствами предлагаемой полезной модели являются применение ее для очистки как газа, так и воды; отсутствие затрат на электроэнергию; несложная конструкция; легкая очистка; снижение перепада давления и прирост в эффективности осаждения частиц; низкие затраты на производство, замену и обслуживание таких фильтров.
Таким образом, можно сделать вывод, что добавление пор в перегородки пористого материала позволило получить прирост в эффективности осаждения для частиц менее 6 микрон, при этом обеспечив снижение перепада давления. Коэффициент качества фильтра с порами также оказывается выше по сравнению с высокопористым ячеистым фильтром твердотельной структуры без пор. Производителям фильтров и промышленным предприятиям можно рекомендовать использовать высокопористые ячеистые фильтры с порами для снижения нагрузки на фильтрующую систему за счет пониженного сопротивления среды.