РЕГЕНЕРИРУЕМЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к регенерируемым фильтрам и может быть использовано в различных отраслях промышленности, где требуется эффективная очистка высоковязких жидких сред от механических загрязнений, в частности химической, нефтехимической, пищевой, текстильной и других.
Известен вибрационный фильтр (см. авторское свидетельство СССР №1502058, кл. B01D 29/28, 1989 г.), содержащий цилиндрический корпус с входным и выходным патрубками и конический фильтровальный элемент с крышкой, установленный в корпусе посредством сильфона со ступицей турбины, который приводится во вращение энергией потока жидкости. Вибрация фильтровальной перегородки создается посредством сжатий-растяжений упругого сильфона за счет генерируемого пульсатором перепада давления, создаваемого периодически изменяющуюся силу, действующую на крышку фильтровального элемента.
Недостатком данного фильтра является нерациональный выбор конструктивных и режимных параметров фильтра, положенных в основу механизма создания вращательных и возвратно-поступательных движений фильтровального элемента энергией перепускаемой жидкости. Осевой подвод жидкости и расположение самой турбины фильтровального элемента в зоне отвода концентрата загрязнений, приводят к вращению фильтровального элемента на заведомо заниженных частотах. Для обеспечения эффективного отделения частиц твердой фракции за счет центробежных сил требуется повышенная частота вращения фильтровального элемента, что вызывает дополнительные энергетические затраты и усложняет конструкцию фильтра и ее эксплуатацию. Использование пульсирующего перепада давления в качестве источника вибрации фильтровального элемента не обеспечивает точную отстройку системы на заданные амплитуду и частоту вибрации и не гарантирует сохранение этих параметров при дальнейшей работе фильтра в условиях загрязняющейся с течением времени фильтровальной поверхности. Фильтровальный элемент выполнен коническим, что усложняет технологию его изготовления. Имеющийся в составе фильтровального элемента упругий сильфон увеличивает массу и габариты фильтра, снижает надежность его работы.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является известный фильтр, выбранный в качестве прототипа (авторское свидетельство СССР №1494932, кл. B01D 35/20, 1989 г.). Фильтр содержит цилиндрический корпус с входным, выходным и перепускным патрубками, фильтровальную перегородку с наклонной крышкой, установленную в корпусе посредством сильфона со ступицей турбины, которая приводится во вращение энергией потока жидкости, диспергатор в виде установленных в корпусе фильтра с зазором относительно друг друга концентрических колец с прорезями, канал перепуска жидкости с кольцевым коллектором с отверстиями и узел генерации вибрации, выполненный в виде устройства преобразования вращательного движения фильтровальной перегородки в ее возвратно-поступательные перемещения. Одной из особенностью данного устройства очистки является диспергатор, в котором осуществляется дробление частиц загрязнений на более мелкие. Суспензия с измельченными в диспергаторе частицами механических загрязнений по перепускному каналу поступает в коллектор, откуда впрыскивается под повышенным давлением на вращающуюся фильтровальную перегородку, обеспечивая, таким образом, гидродинамический смыв частиц загрязнений на фильтровальной поверхности. Вибрация фильтровальной перегородки обеспечивается пульсатором, выполненным в виде двух сопряженных дисков с отверстиями, при этом один из дисков выполнен неподвижным, а другой установлен на ступице с возможностью вращения.
К недостаткам этого наиболее близкого аналога-прототипа относятся сложность и пониженная надежность конструкции, необходимость высокого напора очищаемой жидкости для привода турбины, установленной в зоне перепуска жидкости. Пульсационная подача исходной жидкости на наклонную крышку фильтровальной перегородки, установленную на упругом сильфоне, обеспечивает ее возвратно-колебательные движения относительно оси симметрии. При вращении фильтровальной перегородки амплитуда этих колебаний значительно увеличится, что приводит к неравномерному распределению нагрузки в опорах качения и в конечном итоге способствует их разрушению. При таком конструктивном решении фильтра невозможно создание повышенных частот вращения фильтровальной перегородки, поэтому эффективность центробежной сепарации незначительна, в результате чего основная масса частиц загрязнений задерживается только фильтровальной перегородкой. Подача высококонцентрированной суспензии под высоким давлением системой перепуска в направлении перпендикулярном фильтровальной перегородки с целью гидродинамического смыва частиц загрязнений, оказавшихся на фильтровальной поверхности, приведет к еще большему закупориванию фильтровальной поверхности, а следовательно, снижению ресурса работы самого фильтра. При этом использование диспергатора в закрытом объеме жидкости не гарантирует полное измельчение частиц загрязнений, что приведет к забиванию отверстий в кольцевом канале коллектора. Кроме того, недостатком вибрационного фильтра является сложность его эксплуатации, обусловленная тем, что узел генерации вибрации находится внутри корпуса фильтра, поэтому при его ремонте и замене требуется разборка фильтра, при которой может быть нарушено центрирование. Также конструкция фильтра предусматривает жесткую связь между частотой вращения фильтровальной перегородки и частотой его вибрации, что усложняет варьирование режимов работы фильтра при достижении параметров очистки конкретной жидкости.
Задача полезной модели заключается в увеличении эффективности очистки и ресурса работы фильтра, а также повышении надежности системы, уменьшении габаритов и массы фильтра и снижении энергозатрат.
Поставленная задача решается благодаря тому, что в регенерируемом фильтре, содержащем корпус с входным и выходными патрубками, патрубком отвода концентрата загрязнений, фильтровальный элемент, установленный в корпусе с возможностью вращения вокруг своей оси и совершения осевых возвратно-поступательных колебаний, привод вращения фильтровального элемента и узел генерации вибрации фильтровального элемента, предусмотрены следующие отличия: цилиндрический фильтровальный элемент снабжен цилиндрической перфорированной обечайкой, установленной соосно фильтровальному элементу и закрепленной на нем с образованием зазора. Кроме того цилиндрическая перфорированная обечайка с внешней стороны снабжена одной или несколькими продольными радиальными лопатками, закрепленными на внешней стороне обечайки и расположенными вдоль нее, при этом внешний корпус выполнен коническим, а входной патрубок и патрубок отвода концентрата загрязнений тангенциально присоединены к корпусу с ориентацией в направлении вращения фильтровального элемента.
Кроме этого привод вращения регенерируемого фильтра выполнен в виде лопастной турбины, закрепленной на валу фильтровального элемента и расположенной в корпусе напротив входного патрубка, а узел генерации вибрации представлен механизмом, состоящим из двух контактирующих дисков, расположенных в корпусе, контактирующие поверхности которых выполнены оребренными, при этом один из дисков закреплен на валу, а другой на корпусе, а вал выполнен подпружиненным. Таким образом, использование только одного внешнего источника и для подачи жидкости в систему фильтрования, и для создания вращательных и колебательных движений фильтровального элемента позволяет существенно снизить энергозатраты на работу системы, тем самым повысить ее надежность и уменьшить габариты и массу устройства очистки.
Техническая сущность и принцип действия предложенной полезной модели поясняются чертежами. На Фиг. 1 изображена конструктивная схема регенерируемого фильтра. На Фиг. 2 показаны схемы гидродинамических фильтров с перфорированной обечайкой и без нее. На Фиг. 3 представлена схема работы узла генерации вибрации в регенерируемом фильтре.
Регенерируемый фильтр содержит конический корпус 1 с входным и выходным патрубками 2 и 3 соответственно и патрубком 4 отвода концентрата загрязнений; фильтровальный элемент 5 с цилиндрической перфорированной обечайкой 6 жестко установленной соосно на фильтровальном элементе с образованием кольцевого зазора и узел генерации вибрации. На внешней стороне перфорированной обечайки дополнительно установлены одна или несколько продольных радиальных лопаток 7. Входной патрубок 2 и патрубок 4 отвода концентрата загрязнений выполнены тангенциально к корпусу 1 с ориентацией в направлении вращения фильтровального элемента 5. На валу фильтровального элемента 5 напротив входного патрубка 2 установлена лопастная турбина 8.
Узел генерации вибрации состоит из двух контактирующих между собой подвижного и стационарного дисков соответственно 9, 10 с оребрененными торцевыми поверхностями и опорного механизма, обеспечивающего с помощью пружин сжатия 11 и подшипникового узла 12 постоянное соприкосновение контактирующих друг с другом дисков. При этом подвижный диск 9 жестко соединен с вращающимся фильтровальным элементом 5, в то время как стационарный диск 10 установлен в неподвижном корпусе 1 с возможностью замены. Крепление опорного механизма к корпусу 1 произведено установочными элементами 13, 14, представляющими собой опорные шпильки с гайками и шайбами. При этом установочный элемент 14 вместе с регулировочной гайкой 15 служит для отключения вибрации фильтровального элемента 5, для чего резьба выполнена по всей длине установочного элемента.
Устройство работает следующим образом (Фиг. 1, 2). Поток исходной жидкости через тангенциальный входной патрубок 2 поступает в корпус 1 фильтра, обеспечивая закрутку потока перепускаемой жидкости и вращение самого фильтровального элемента 5 за счет установленной на нем лопастной турбины 8, тем самым создаются необходимые условия для центробежной сепарации механических загрязнений. Под действием центробежных и гидродинамических сил крупнодисперсные частицы загрязнений отбрасываются к периферии. Вместе с этим объем жидкости в кольцевом пространстве между фильтровальным элементом 5 и перфорированной обечайкой 6, вращающийся как твердое тело с постоянной угловой скоростью, создает препятствие для проникновения в систему фильтрования мелкодисперсных частиц загрязнений, отбрасывая их от фильтровальной поверхности. Отброшенные таким образом крупнодисперсные и мелкодисперсные частицы загрязнений захватываются потоком перепускаемой жидкости и выводятся из системы фильтрования через тангенциальный патрубок 4 для отвода концентрата загрязнений. Для отвода частиц загрязнений, попавших в кольцевой зазор, в нижнем торце перфорированной обечайки выполнены отверстия.
Очищенная же жидкость проходит через фильтрующую поверхность фильтровального элемента 5, где дополнительно отделяется от механических загрязнений, не уловленных механизмом центробежной сепарации, и выводится из системы фильтрования через выходной патрубок 3. Установленные на вращающемся фильтровальном элементе 5 продольные радиальные лопатки 7 служат для усиления эффективности центробежной сепарации механических загрязнений по всей длине фильтрующей поверхности.
Технический результат повышения эффективности центробежной сепарации введением в корпус фильтра перфорированной обечайки заключается в следующем. В динамических фильтрах гидродинамические процессы разделения (как и любые другие процессы переноса) имеют стохастическую природу, и в их основе лежат, как детерминированные, так и вероятностно-статистические явления. При этом интенсивность случайных составляющих протекающих процессов может достигать 40 и более процентов от интенсивности их детерминированных составляющих.
0
2
В частности в известных динамических фильтрах (без перфорированной обечайки 6) можно выделить зону 0 - зону поступления дисперсной системы на фильтровальную перегородку, которая ограничена зазором между внутренней стенкой корпуса 1 с эквивалентным радиусом R и вращающейся наружной цилиндрической стенкой фильтровального элемента 5 с радиусом R.
В зоне 0 имеет место радиальное движение разделяемой дисперсной системы, которое может быть рассмотрено в рамках модели плоскопараллельного движения. При этом тангенциальное (окружное) движение разделяемой дисперсной системы может быть описано с помощью известного закона "площадей" в виде: , где индекс "0" относится к эквивалентным характеристикам на внутренней стенке неподвижного корпуса аппарата 1, n - некоторый положительный постоянный показатель, зависящий от свойств дисперсной системы (например, для воды обычно n=0,8); w - окружная скорость движения дисперсной системы. Тогда, центробежная сила, действующая на частицу дисперсной фазы, которая во многом определяет интенсивность детерминированных составляющих процесса разделения, может быть представлена в виде: F~nD/R.
Анализ этого соотношения показывает, что воздействие центробежной силы на частицы дисперсной фазы в зоне 0 достаточно резко падает не только по мере увеличения текущего радиуса R (F~1/R), и/или с изменением свойств дисперсной системы (n→0), но и со снижением входных характеристик потока тангенциального ввода в эту зону .
вр
В результате интенсивность случайных составляющих процесса разделения в зоне 0 начинает играть определяющую роль, что в свою очередь снижает эффективность сепарации разделяемой системы и увеличивает нагрузку на фильтровальный элемент 5. При этом протекающие процессы напрямую практически не зависят от угловой скорости вращения ω фильтровального элемента 5.
Введение в конструкцию перфорированной обечайки 6 позволяет изменить картину протекающих процессов. При этом можно выделить две зоны, принципиально отличающиеся друг от друга по влиянию различных составляющих процесса разделения (Фиг. 2)·
0
1
Зона I - зона тангенциального ввода разделяемой суспензии, которая ограничена зазором между внутренней стенкой с радиусом R неподвижного корпуса 1 аппарата и наружной цилиндрической стенкой вращающейся обечайки 6 с радиусом R;
1
2
Зона II - защитная зона, которая находится в зазоре между вращающимися наружными цилиндрическими стенками обечайки 6 и фильтровального элемента 5 с радиусами R и R, соответственно.
2
1
Если в зоне I, происходящие процессы, аналогичны процессам зоны 0, то в зоне II, движущейся в окружном направлении как единое целое, для R≤R≤R, имеет место: , при n=-1.
Таким образом, центробежная сила, действующая на частицу дисперсной фазы, во многом определяющая интенсивность детерминированных составляющих процесса разделения в зоне II, может быть представлена в виде: .
Анализ этого соотношения показывает, что воздействие центробежной силы на частицы дисперсной фазы в зоне II достаточно резко возрастает не только с увеличением текущего радиуса R(F~R), и угловой скорости , но и напрямую практически не зависит от входных характеристик потока тангенциального ввода в аппарат.
В результате, относительное влияние случайных составляющих процесса предварительной сепарации дисперсной фазы в зоне II снижается, что приводит к дополнительному увеличению ресурсных характеристик фильтровального элемента 5 и эффективности работы всего аппарата в целом.
Регенерация фильтровального элемента, а также устранение облитерационных процессов в порах фильтрующего материала, обеспечиваются встроенным в фильтр генератором вибрации, который обеспечивает преобразования вращательных движений фильтровального элемента в его возвратно-поступательные. Возвратно-поступательные движения вращающегося фильтровального элемента 5 обеспечиваются узлом генерации вибрации в результате взаимодействия контактирующих оребренных поверхностей жестко связанного с вращающимся фильтровальным элементом 5 подвижного диска 9 и установленного в неподвижном корпусе 1 стационарного диска 10 (Фиг. 3). При этом постоянный контакт дисков 9, 10 в процессе работы фильтра обеспечивается опорным механизмом, который посредством подшипникового узла 12, установочных элементов 13, 14 и пружины сжатия 11 обеспечивает необходимые упругость и жесткость системы колебаний с вращающимся фильтровальным элементом 5. Установочные элементы 13, которыми возвратный механизм удерживается на неподвижном корпусе 1, являются также направляющими колебательного движения фильтровального элемента 5, обеспечивая тем самым отсутствие перекоса вращающегося и вибрирующего фильтровального элемента 5 относительно опор скольжения. Отключение механизма вибрации регенерируемого фильтра достигается поднятием фильтровального элемента 5 на некоторое расстояние Δ отвинчиванием регулировочной гайки 15 установочного элемента 14, обеспечивая тем самым создание гарантированного зазора между контактирующими дисками 9, 10.
Техническим результатом, достигаемым заявленной конструкцией фильтра является увеличение эффективности центробежной сепарации мелкодисперсных частиц загрязнений за счет применения тангенциальных подвода/отвода жидкости в направлении вращения фильтровального элемента и использования перфорированной обечайки с продольными радиальными лопатками, повышение ресурса работы фильтра самоочисткой фильтровальной поверхности встроенным узлом генерации вибрации, снижение энергетических затрат и повышение надежности системы вследствие использования устройств, преобразующих одну форму движения в другую. При этом основные показатели эффективности работы системы гидродинамического вибрационного фильтрования определяются выбором оптимального соотношения между физическими свойствами очищаемой жидкости, геометрическими параметрами фильтровального элемента, перфорированной обечайки и конструкции корпусной части фильтра и режимных параметров его работы.