ФИЛЬТР

Область техники
Полезная модель относится к области алпаратов хг-шической технологии, а более конкретно - к конструкциям фильтров, то есть аппаратов, используемых для очистки жидких и газообразных сред от твёрдых загрязнений, и может быть использована для очистки, например, нефтепродуктов, воздуха, горючего газа, электролитов и тому подобного.
Уровень техники
Известен фильтр для очистки аэрозолей, состоящй из нескольких слоев волокон, диаметр которых уменьшается от слоя к слою, причём волокна с наименьшим диаметром выполнены с соотношением:где А - средняя длина свободного пробега молекул фильтруемого
газа;
г - радиус волокон (авт. свид. СССР № 552099, УМ В 01 D 39/00, 1977).
Недостатком этой конструкции является ограниченная область её применения из-за недостаточной тонкости отсева загрязнений, а также из-за высокого гидравлического сопротивления. Тонкость отсева ограничена размером пор между волокнами с наименьшим дишлетром. Наиболее мелкие частицы загрязнений
ШК в 01 D 39/00 ФИЛЬТР
-  0,1 ,
г
проходят через эти поры и не задерживаются фильтром. В то же время слой волокон с наименьшим диаметром обусловливает высокое гидравлическое сопротивление всего фильтра. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является фильтр для очистки аэрозолей, включaюш iй корпус с пакетами элементов, выполненных из смеси синтетических волокон различного диаметра, входной и выходной патрубки, при этом один из компонентов смеси синтетических волокон выполнен диаметром волокон в 4-10 раз большим, чем остальные, причём в направлении к выходному патрубку содержание данного компонента в пакетах изменяется по закону ( l X  1 - л- X 100%, масс.%,  /. / где L - общая длина фильтра; AJ - толщина пакета; л - порядковый номер пакета в направлении к выходному патрубку (авт. свид. СССР If 1351632,  В 01 D 39/00, 1987). Недостатком этой конструкции является ограниченная область её применения из-за недостаточной тонкости отсева загрязнений, значительного пропуска загрязнений и высокого гидравлического сопротивления. Недостаточная тонкость отсева загрязнений и значительный пропуск загрязнений обусловлены наличием в смеси волокон с большим диаметром, образующих крупные поры. Присутствуюш Ю в смеси всех пакетов волокна с малым диаметром обусловливают высокое гидравлхтаеское сопротивление фильтра. Кроме того, для достижения эффективной очистки приходится набирать значительное число пакетов большой толщины, что резко увеличивает габаритные размеры фильтра.
Сущность полезной модели
Задачей данной полезной модели является повьшение эффективности работы фильтра, снижение затрат энергии на преодоление гидравлического сопротивления фильтра и уменьшение размеров конструкции.
Техническим результатом, который может быть достигнут путём использования данной полезной модели, является улавливание частиц загрязнений различных размеров вплоть до наиболее мелких и практически полное предотвращение пропуска загрязнений при ограниченном гидравлическом сопротивлении и ограниченных размерах фильтра, за счёт рационального выбора конструктивных параметров фильтровальной перегородки.
Технический результат достигается тем, что фильтр включает корпус, снабжённый средствами для ввода и вывода фильтруемой среды, и размещённую в корпусе волокнистую фильтровальную перегородку, выполненную из волокон различного диаметра, при этом волокнистая фильтровальная перегородка содержит л фракций волокон с различным средним диаьлетром, причём л  3, средние диаметры волокон различных фракций связаны соотношением
c/i+i di,
(1;
где di - средний диаметр волокон i -и фракции (i  ),причём
di+i  oi для всех фрач;ций волокон, и - покаватель степени, «  1,
а количество волокон калщой фракции, приходящееся на 1  входной для фильтруемой среды поверхности волокнистой фильтровальной перегородки, определено соотношением
где Ni - количество волокон i -и фракции (i  S),приходящееся на 1  входной для фильтруемой среды поверхности волокнистой фильтровальной перегородки, причём Ni+i  Ni для всех фракций волокон.
В частном случае различные фракции волокон имеют различную среднюю длину волокон, причём средние длины волокон различных фракций связаны соотношением
где li - средняя длина волокон i -и фракции (i  ), причём
i Д-пя всех фракций волокон; 3 - показатель степени, В  ос.
Также в частном случае волокна каждой (i+l) -и фракции закреплены на волокнах i -и фракции на среднем расстоянии Xi от входной для фильтруемой среды поверхности волокнистой фильтровальной перегородки, причём для каждой фракции с 2  2 среднее расстояние Xi определено соотношением
.l .i.
N± Wi
(3)
h -hПроведённые теоретические обоснования и экспериментальные изыскания доказывают, что при выполнении условий (1) и (2) фильтр способен улавливать частицы загрязнений любого размера, причём чем больше п, тем более мелкие частицы способен улавливать фильтр. При выполнении условия (3) гидравлическое сопротивление фильтра является ограниченным при любом л, а следовательно, фильтр может улавливать самые мелкие частицы загрязнений при ограниченном гидравлическом сопротивлении. При выполнении условия (4) толщина фильтровальной перегородки также ограничена при любом л, следовательно, высокие технические характеристики достигаются в конструкции ограниченного размера.
По сравнению с прототипом, наличие л фракций волокон с различным средним диаметром, причём л  3, а также выполнение соотношений
при dj+i  dj, /Vj+i  i для всех фракций волокон, и «  1, является новым во всех случаях использования заявляемой полезной модели.
В частных случаях использования заявляемой полезной модели выполнение соотношения
. (i
di -c/i
fNi
% Wi при условиях ii+1  ii, S  Xi+l Xi Xl - Xl  XI
являются дополнительными отличиями.
Перечень фихур чертежей
На фиг. 1 приведён схематический рисунок, даюпщй представление об одной из возможных конструкций фильтровальной перегородки с использованием заявляемого технического решения. Пара летры данной конструкции заданы соотношениями (1) - (4) со следуюш,ими исходными данными: л  5;
С/2 NZ 12 Х2 - А1
- - 0,5; -  2; -  0,5;   0,5; о(  2; е  2,5.
с/1 NI 1±XI
На рисунке применены следующие обозначения:
1- волокно 1-й фракции;
2- волокно 2-й фракции;
3- волокно 3-й фракции;
4- волокно 4-й фракции;
5- волокно 5-й фракции. h 3 fh h tf и выполнение соотношения Ai-l Xi -}Сведения, пода верщающне возможность осуществления
Возможность осуществления заявляемой полезной модели подтверждается приведёнными ниже теорет иескими соображениями и экспериментальными данными.
Рассмотрим фильтр с фильтровальной перегородкой, структура которой подобна изображённой на фиг. 1. Здесь на волокнах 1 -и фракции 1 закреплены волокна 2-й фракции 2, на волокнах 2 -и фракции закреплены волокна 3-й фракции 3, на них, в свою очередь, закреплены волокна 4-й фракции 4, на которых закреплены, наконец, волокна 5 -и фракции 5.
Введём следующие обозначения:
di Ni li Xi - Ai-i
л .    41 .«   Ч . «  - ri
- о 1 , - V1 , - A1 ,- с, 1
QI  ilAl
Тогда соотнощения (1) - (4) примут, соответственно, вид; откуда cfi  di-52 Ni  /Vi-V2
- 7 полезной модели
5i+i - (5)
Vi+l  Vi ,(6)
Ai ,(7)
.1+1  4i ,(8) (i(i2) ,(9) 2) ,(10)
Так как, по определению, V2  1, «  1, то из выражения (10) следует, что о возрастанием 2 значение Mi неогран1таенно возрастает. Как следствие, неограниченно уменьшаются размеры пор между волокнами. Таким образом, фильтр способен (при достаточно большом л) улавливать самые мелкие частицы загрязнений. В то же время, при уменьшении размеров пор, относительная пористость не только не уменьшается, но, напротив, возрастает. Относительная пористость si фильтровальной перегородки в части, образованной волокнами 2-й фракции, равна (в предположении, что волокна имеют круглое сечение с площадью )
11« P-of i
i - 1 - - NiTtdi  I - - b/i.v2Jtdi -52L (13)
44
Так как б2  1, V2  1 и 2-o   , то
(i-2) 2. V2-62 0,
И следовательно, при возрастании i относительная пористость возрастает, стремясь к 1.
Гидравлическое сопротивление Zj части фильтровальной перегородки, образованной волокнами 2-й фракции, составляет (см. Циборовский Я. Основы процессов х1Шической технологии. Л.: Химия, 1967): 2i  K wLiSi ,(14)
2) 2 .(12)
о (-1 - Si)
где К - коэффициент пропорциональности;
{1 - дина лическая вязкость фильтруемой среды; W - скорость движения фильтруемой среды; Li - толщина части фильтровальной перегородки, образованной волокЕзмт j -и фракции; Sj - удельная поверхность фильтровальной перегородки в
части, образованной волокнами 2-й фракции. Толщину части фильтровальной перегородки, образованной волокнами 2-й фракции, можно положить равной длине волокон 2 -и фракции:
Поверхность Si одного волокна 2 -и фракции составляет (площадью торцов волокна пренебрегаем) Si  liiidi. Удельная поверхность Sj равна общей поверхности всех ВОЛОРЮН 2 -и фракции, приходящхся на 1 м входной для фильтруемой среды поверхности волокнистой фильтровальной перегородки, деленной на толщину части фильтровальной перегородки, образованной волокнами 2-й фракции. С учётом (15): Si  - liTtdi  NiTtdi.(16)
Подставив (15) и (16) в выражение (14), получим: Zi - Ap.}rJi//i% di2;r -.(17)
P (1 - i) Введя обозначение   Qi, можно переписать (17)
в виде: Zi  Qiii/Vi di . Полное гидравлическое сопротивление Z фильтровальной перегородки, состоящей из л фракций волокон, составляет
Li - h.(15)
Hi
(1 - S-)
Z
Величина Qi монотонно убывает с роотом i. Следовательно, чтобы доказать, что при любом числе фракций л гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки ограничено, достаточно доказать сходшлость ряда
ii/Vi di
со
JI/YI C/I 1 +
Доказательство проведём методом почленного сравнения с рядом
который при 0  1 СХОДИТСЯ (см, Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т.2. У. .-Наука, 1969), Поскольку Х2  1, а 0  и  1, то, каковы бы ни были vo и Sp., всегда существует такое положительное число М, что при любом
2  М
(1-2) 0(1-2) 2(1-2) -i
2, V2 -62   1
Следовательно, ряд (19) сходится.
Толщина фильтровальной перегородки, состоящей ив л фракций волокон, составляет
.
(18)
0(1-2) 2«Ci-2) 2(i-2)
бо
. (19)
Vp.
ч 2 /
L  XI + XI- 42 + in.(21)
Чтобы доказать, что при любом числе фракций л толщина фильтровальной перегородки ограничена, достаточно доказать сходимость ряда
Одновременное выполнение условий (3) и (4) возможно тогда и только тогда, когда Xi+i - Xi  Xi - Xi-i при всех i, или, что равносильно, .2  1- Почленное сравнение ряда (22) с заведомо сходящимся рядом (20) показывает, что при 42  i и 13  «  1 всегда существует такое положительное число М, что при любом i  М
2    2
Следовательно, ряд (22) сходится.
Тем самым теоретически доказано, что фильтр заявляемой конструкции способен улавливать самые мелкою частицы загрязнений, причём он обладает ограниченным гидравлическим сопротивлением и ограниченной толцщной фильтровальной перегородки.
Эрюпериментально возможность осуществления заявляемой полезной модели подтверждена примерами изготовления и испытания фильтров. Для определения расчётных характеристик струк ,(i-2)
V--
г.2 .(22)
j5Ci-2)
туры фильтровальной перегородки были взяты следующие исходные данные: c/i  0,5 мм; с/2  0,25 мм; NI  1,5-10; %   11  15 мм; IZ.  7,5 ММ; Al  8 ММ; А2.  12 мм; ot  2; В  2,5; Л  4. Структурные характеристики фильтров приведены в табл. 1, а результаты испытаний - в табл. 2.
Фильтровальные перегородки испытанных фильтров были изготовлены в каждом случае из четырёх фракций древесного волокна, фракционированных по диаметру и по длине волокон. Для изготовления фильтровальных перегородок был использован способ изготовления фильтровального элемента по патенту РФ  2043137, МКИ В 01 D 39/00, 1995, Данный способ основан на использовании суспензии волокон и полидисперсного вещества. Способ позволяет изготовить волокнистую фильтровальную перегородку, на волокнах которой закреплены частищз полидисперсного вещества. При этом мелкие частицы полидисперсного вещества закреплены ближе к выходу фильтруемой среды, на некотором расстоянии А  от входной для фильтруемой среды поверхности фильтровальной перегородки.
При изготовлении фильтров для испытаний в качестве полидисперсного вещества использовалась наиболее мелковолокнистая фракция небелёной сульфатной хвойной целлюлозы. Водную суспенз1Ш волокон первой, наиболее крупной фракции, и целлюлозы, осаждают на сетке в режиме, предусмотренном патентом РФ If- 2043137, На полученной волокнистой фильтровальной перегородке осаждают водную суспензию волокон следующей, более мелкой фракции, и целлюлозы. При этом более мелкие волокна проникают между волокнами уже осаждённой фракции и оседают на
- 12 частицах полидисперсного материала. Благодаря связующим свойства л последнего они закрепляются на волокнах предыдущей фракции. Последовательно повторяя этот процесс четыре раза, изготавливают фильтровальную перегородку, состоящую из четырёх фракций волокон. По окончании процессов осавдения полученную фильтровальную перегородку сушат и устанавливают в корпус, снабжённый средствами для ввода и вывода фильтруемой среды.
Геометрические параметры конструкции волокнистых фильтровальных перегородок для изготовленных и испытанных образцов фильтров, определённые методом микрофотограммметрии, приведены в табл. 1.
Анализ приведённых в табл. 2 результатов испытаний в сравнении в результатами испытаний прототипа позволяет заключить, что использование заявляемой конструкции фильтра при соблюдении условий (1) и (2) (пример 1) позволяет добиться улавливания фильтром заявляемой конструкщш частиц, пропускаемых прототипом, и снизить коэффициент пропуска загрязнений. Нарушение условия (1) (пример 2) или условия (2) (пример 3) не позволяет обеспечить эффективную работу фильтра. Соблюдение условий (3) и (4) (пример 4) позволяет получить компактную конструкцию фильтра с малым гидравлическим сопротивлением. Нарушение условий (3) и (4) (пример 5) резко увеличивает  и гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки, а также коэффициент пропуска загрязнений, особенно наиболее мелких частиц.
Промышленная применимость
Фильтр описанной конструкции может найти применение в химической, нефтехимической, пищевой и фармацевтической промышленности, а также на транспорте для очистки технологических сред, топлив, масел, воздуха и газов. Простота изготовления фильтра, доступные материалы, малые габаритные размеры, низкое гидравлическое сопротивление и высокая эффективность очистки фильтруемых сред способствуют успешному применению фильтра данной конструкции в промышленности.
Применение фильтра предложенной конструкции способствует повышению чистоты используемых технологических сред и экономии энергии на преодоление гидравлического сопротивленьая фильтра.
Ф.Ф.Чаусов .