ФИЛЬТРОВАЛЬНАЯ КАССЕТА ДЛЯ ТОНКОЙ ОЧИСТКИ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ

Полезная модель предназначена для доброкачественной очистки газовой среды и может быть использована для оборудования систем вентиляции в помещениях с повышенными требованиями к чистоте воздуха, а также в системах подачи топлива газовых турбин.
Полезная модель касается сменной фильтровальной кассеты, как элемента фильтра НЕРА.
Фильтры типа НЕРА были изобретены в 40х годах, во время развития ядерного проекта США и использовались для улавливания радиоактивных частиц на предприятиях ядерной промышленности. НЕРА (от англ. High Efficiency Particulate Air или High Efficiency Particulate Absorbing - высокоэффективное удержание частиц) [on-line: http://ru.wikipedia.org/wiki/HEPA] - вид воздушных фильтров тонкой очистки. В настоящее время используется в пылесосах и системах очистки воздуха.
Фильтр изготавливается из длинного листа волокнистого материала (диаметр волокон 0.65÷6.50 мкм, расстояние между ними 10÷40 мкм), сложенного гармошкой, а также корпуса с элементами, удерживающими лист в сложенном состоянии. В качестве волокнистого материала используется бумага и стекловолокно. Бумажно-стекловолоконные фильтры улавливают частицы размером до 0.3 мкм.
Ведущим в мире поставщиком технологии фильтрации с более чем 50-летним опытом разработки, производства и маркетинга высокотехнологичных решений фильтрации является немецкая компания EMW filtertechnik GmbH. Воздушные фильтрующие системы указанной компании обладают следующими недостатками:
- для достижения требуемой высокой эффективности по задержанию частиц используемые в фильтрах полотна из волоконных материалов должны иметь толщину от долей до нескольких миллиметров, что существенно ограничивает фильтрующую поверхность материала фильтра;
- фильтры из волоконного материала не подлежат регенерации, отработавшие технологический цикл фильтры требуется тщательно утилизировать;
- в поставляемых компанией «EMW» фильтрах не предусмотрены также меры по задержанию субмикронных стекловолокон и попадания их в чистую зону, т.е. такие фильтры «пылят». Этот недостаток проистекает как от природы материала, так и от толщины самого фильтрующего элемента (полотна).
В известном изобретении [US 20100101199 А1] проблема задержания субмикронных частиц в фильтре НЕРА решена тем, что полотно из волоконных материалов изготавливается из двух слоев полипропиленовых волокон, один из которых электростатически заряжен полностью, либо частично.
К недостаткам такого решения относится недостаточно высокая фильтрующая поверхность материала фильтра.
Известен воздушный фильтр [ЕР 2213356 А1], который производится путем ламинирования проницаемой подложки из переплетенного волокна пористой мембраной из политетрафторэтилена. Применение мембраны позволяет уменьшить толщину фильтрующего полотна до 150÷200 мкм при гарантированной эффективности очистки от частиц размером свыше 3.0 мкм.
Недостатком является резкое снижение эффективности очистки от частиц размером 0.3÷3.0 мкм. Это связано с невозможностью в мембранах трекового типа, к которому относится указанная в патенте мембрана из политетрафторэтилена, осуществить пространственно организованную структуру каналов.
Из формулы полезной модели [RU 46048] известно устройство для очистки выхлопных газов, которое для тонкой очистки газовой среды дополнительно снабжено сменным фильтрующим патроном, выполненным из полимера пространственно-глобулярной структуры (ПГС), а именно из мочевиноформальдегидного полимера.
Недостатком такого технического решения является то, что используется гранулированный фильтрующий материал с ограниченным ресурсом эксплуатации, занимающий значительный объем устройства. В связи с тем, что в таком исполнении не реализуется ситовый механизм фильтрации, достичь задержания субмикронных частиц крайне проблематично.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому при использовании результату является фильтровальная кассета, известная из патента «Система фильтрации воздуха с встроенным фильтром» [СА 2413261] (прототип).
Фильтровальная кассета по прототипу состоит из: рамы, имеющей две расположенные друг напротив друга торцевые стенки и две расположенные друг напротив друга боковые стенки, находящиеся в прямоугольной конфигурации; экран-приемник, который удерживается краями торцевых и боковых стенок; фильтрующий материал, состоящий из секций расположенных в виде ряда V-форм, каждая. Фильтрующий материал прочно удерживается в раме на достаточном от вышестоящего экрана расстоянии, чтобы предотвратить забивание фильтра на входе фильтрующей сборки.
Фильтрующий материал, выполненный из нетканых полиэфирных листов (полистирола), распределен и выровнен по расположенным в раме секциям с помощью закрепления фильтрующего полотна по прорезям и ограничителям в вышеуказанной раме и заводится в раму по направляющим. В упрощенном исполнении полосы фильтрующего материала приклеиваются по краям рамы также полистиролом. Заклеивание краев, по мнению авторов, минимизирует перепад давления на всей рабочей поверхности фильтрующего материала.
Недостатком фильтровальной кассеты по прототипу является относительная сложность ее изготовления, связанная с тем, что секции фильтрующего материала собираются в V-образные формы из отдельных листов путем их склеивания.
Вторым недостатком такого решения является недостаточно высокая фильтрующая поверхность материала фильтра, поэтому экран-приемник изготавливается также из фильтрующего материала. Последнее влечет увеличение сопротивления потоку очищаемой газовой среды и требует обеспечения перепада давления (ΔР) порядка 20 Па.
Третьим недостатком является недостаточно высокая эффективность очистки от частиц размером менее 3.0 мкм.
Еще одним недостатком является то, что фильтрующий материал из полистирола имеет относительно большую толщину, что препятствует возможности его регенерации.
Технической задачей является изыскание композитных материалов, способных заменить волокнистые материалы в фильтрах для очистки газовой среды.
Заявляемая в качестве полезной модели фильтровальная кассета для тонкой очистки газовой среды направлена на улучшение эксплуатационных характеристик за счет использования в качестве фильтрующего материала композиции из фильтроткани с нанесенным на нее полимером пространственно-глобулярной структуры (ПГС). Достигаются следующие технические результаты: высокая эффективность по задержанию субмикронных частиц; увеличение фильтрующей поверхности; возможность регенерации фильтрующего материала за счет уменьшения его толщины.
Технический результат достигается тем, что предложена фильтровальная кассета для тонкой очистки газовой среды, состоящая из экрана с направляющими газовый поток прорезями и сменного гофрированного фильтрующего материала, закрепленного посредством склейки в каркасе габионной конструкции, в котором фронтальная часть выполнена прямоугольной, горизонтальные части каркаса выполнены в виде трапеций, меньшие основания которых снабжены направляющей гребенкой для придания фильтрующему полотну V-образной формы, а профильные части каркаса исполнены в виде рамок прямоугольной конфигурации, при этом фильтрующий материал выполнен из полотна фильтроткани с нанесенным на нее полимером пространственно-глобулярной структуры (ПГС), а соединение экрана с фронтальной частью каркаса загерметизировано уплотнителем.
Целесообразно, что в качестве полимера с пространственно-глобулярной структурой используется полимер класса олигоэтеркарбоната метакрилатов.
Важно, что в качестве фильтроткани используются либо нетканые материалы, либо сетчатые материалы на основе стекловолокна, или полиамидных, или полиэфирных нитей.
Возможно, что горизонтальные части каркаса снабжены стяжками для дополнительного закрепления фильтрующего полотна по V-образующему сгибу.
Сущность предлагаемой фильтровальной кассеты заключается в том, что уникальные свойства используемого полимера пространственно-глобулярной структуры позволяют получить технологические преимущества фильтрации без ущерба ее качеству.
ПГС-полимеры - это высокомолекулярные соединения с пространственно глобулярной структурой. Их можно получить из самых разных мономеров и олигомеров. В процессе синтеза ПГС-полимеров образуются микроглобулы - длинные полимерные цепочки, свернутые в клубок. Микроглобулы, соединяясь между собой, создают пористую и одновременно механически прочную структуру.
Для получения ПГС-мембраны используется подложка, которая является основой мембраны и реагирующая композиция, которая представляет собой смесь олигомера, растворителя и фотоинициатора. В качестве подложки для мембран обычно используется стеклоткань, однако в случае ПГС-мембран могут быть использованы также полимерные сетки и нетканый материал.
Использование экрана с прорезями позволяет направлять газовый поток в расширяющуюся часть V-образной формы фильтрующего полотна, т.е. непосредственно в объем кассеты, тем самым предотвращая забивание гофры фильтра на входе.
Использование каркаса габионной конструкции позволяет укрепить конструкцию кассеты и защитить фильтрующий материал от разрушения. В частном случае горизонтальные части каркаса снабжены стяжками для дополнительного закрепления фильтрующего полотна по V-образующему сгибу.
Полезная модель проиллюстрирована Фиг.
На Фиг. представлена принципиальная схема фильтровальной кассеты для тонкой очистки газовой среды, на которой; 1 - экран с направляющими газовый поток прорезями; 2 - сменный гофрированный фильтрующий материал; 3 - каркас габионной конструкции; 4 - горизонтальная часть каркаса, 5 - профильная часть каркаса; 6 - стяжка.
Фильтровальная кассета для тонкой очистки газовой среды работает следующим образом: газовый поток под действием перепада давления проходит через направляющие прорези экрана 1 и поступает на поверхность гофрированного фильтрующего материала 2, закрепленного посредством склейки в каркасе габионной конструкции 3. Горизонтальные части каркаса 4, снабженные направляющей гребенкой, придают фильтрующему полотну V-образную форму, обеспечивающую увеличение поверхности фильтрации, а герметизация уплотнителем соединения экрана с фронтальной частью каркаса, в том числе с профильными стенками 5 каркаса, не позволяет части потока проходить в обход фильтрующего материала, что увеличивает степень очистки. Для дополнительного закрепления фильтрующего полотна по V-образующему сгибу горизонтальные части каркаса снабжены стяжками 6.
Заявляемый в составе фильтровальной кассеты фильтрующий материал, так называемая ПГС-мембрана, может быть изготовлена следующим образом: вырезается подложка заданной площадью и пропитывается раствором смеси олигомера и фотоинициатора. Пропитанная заготовка выкладывается на ленту конвейера и с заданной скоростью перемещается через зону УФ-облучения. При прохождении зоны УФ-облучения в композиции запускается механизм осадительной полимеризации олигомера, приводящий к получению ПГС-мембраны. Затем образец убирается с ленты, промывается в водно-спиртовой ванне и сушится при 70÷100°С в течение 5÷10 минут.
В полученных образцах ПГС-мембраны проводятся измерения: диаметра пор; пористости; производительности; перепада давления; эффективности задержания частиц воздуха, пылеемкости, и др.
Ниже приведен пример достижения технического результата при использовании заявляемой фильтровальной кассеты для тонкой очистки газовой среды. Пример иллюстрирует, но не ограничивают применение предложенной кассеты.
В качестве примера приведены данные протоколов лабораторных исследований проб воздуха, искусственно контаминированных различными по величине частиц загрязнителями, до и после пропускания этих проб через предложенную фильтровальную кассету, а также через встроенный фильтр системы фильтрации по прототипу.
Пример 1.
3
Загрязненность пробы воздуха взвешенными частицами - 50 мг/м
Линейная скорость потока воздуха - 1.0 см/сек
Диаметр пор фильтрующего материала - 10 мкм
Количество V-образных секций - 4.
Наименование фильтрующего материала
Толщина мкм
Перепад давления ΔP, Па
Эффективность удержания частиц, %
Размер частиц, мкм
0.3
0.5
0.7
1.0
3.0
5.0
Мембранапространственно-глобулярной структуры на подложке из нетканого материала
150÷200
6
58.5
63.2
68.4
82.7
95.1
100
Пластины полистирола (прототип)
700÷800
19
54.8
58.8
60.7
75.1
92.8
98.3
Заявляемая в качестве полезной модели фильтровальная кассета для тонкой очистки газовой среды позволяет улучшить эксплуатационные характеристики системы фильтрации, в частности, вследствие уменьшения толщины фильтра, осуществлять регенерацию фильтрующего материала, при этом достигается высокая эффективность задержания субмикронных частиц.