ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТИ

Полезная модель относится к бытовым съемным патронным фильтрам для очистки жидкости, преимущественно водопроводной воды и получения из нее питьевой воды.
Известен фильтрующий элемент (по патенту RU 2429897) для тонкой очистки сырого молока, выполненный в виде трубчатого патрона из пищевого полимерного материала, образованного дискретными рядами полученных методом аэродинамической экструзии волокон с уменьшающимися в радиальном направлении от периферии к центру размерами пор, где каждый ряд состоит из каркасных и фильтрующих волокон, причем толщина фильтрующих волокон больше, чем каркасных. Недостатками известного фильтрующего элемента является сложность конструкции и низкая степень надежность, поскольку при прохождении через патрон грубой очистки жидкость, например молоко, вымывает в зазор между патронами часть крупных частиц загрязнения, что приводит к быстрому засорению этими частицами патрона тонкой очистки, который требует частой замены.
Известен фильтрующий элемент для тонкой очистки сырого молока (по патенту на полезную модель RU 118874), выбранный в качестве прототипа, выполненном в виде трубчатого патрона из полипропилена, образованного дискретными рядами полученных методом аэродинамической экструзии волокон постоянной толщины, согласно полезной модели, трубчатый патрон выполнен из двух соединенных друг с другом слоев, при этом поры каждого ряда внешнего слоя выполнены размером от 0,3×0,7 мм до 1,7×3,3 мм, а поры каждого ряда внутреннего слоя выполнены размером от 0,02×0,05 мм до 0,6×0,9 мм. Толщина внешнего слоя по отношению к внутреннему находится в соотношении 1.5 к 1.
Его недостатком является то, что используются волокна постоянной толщины, что не позволяет существенно варьировать размер пор в слоях и выдерживать при этом необходимые параметры слоев. При экструзии полипропилен вспенивается и выдувается в виде ватных волокон, при остывании которых происходит усадка, коробление, нарушается геометрия изделий. Наиболее сильно подвержен этому менее плотный, внешний слой фильтрующего элемента. При эксплуатации возможно расслаивание полипропиленовых нитей и снижение их прочности. Кроме того, при экструзии полипропилена происходит износ шнеков, пресс-форм и забивание фильтрующих сеток. Техническим результатом полезной модели является повышение емкости фильтрующего элемента, повышение его надежности. Кроме того, увеличивается ресурс оборудования, используемого при производстве.
3
3
Технический результат достигается в фильтрующем элементе для очистки жидкости (далее - фильтрующий элемент), выполненном в виде трубчатого патрона из полипропилена, образованный концентрическими: внутренним слоем, с толщиной волокон 0,15-0,30 мм и удельный весом фильтроэлемента 200-260 кг/м, и внешним слоем, с толщиной волокон 0,40-0,60 мм, и удельный весом фильтроэлемента 140-200 кг/м, полученными методом аэродинамической экструзии волокон; внешний слой содержит в качестве дисперсного наполнителя карбонат кальция в количестве 3-10% по массе, с размером частиц 0,5-1 мкм.
Полезная модель поясняется рисунками:
фиг. 1 - фильтрующий элемент (поперечный разрез);
фиг. 2 - структура фильтрующего элемента.
Фильтрующий элемент выполнен в виде трубчатого патрона из полипропилена, образованный двумя концентрическими слоями, полученными методом аэродинамической экструзии волокон.
3
Внутренний слой 1 выполняется с толщиной волокон 0,15-0,30 мм и удельный весом фильтроэлемента 200-260 кг/м. Это позволяет сформировать слой с рейтингом фильтрации 1-5 мкм (рейтинг фильтрации - параметр, определяющий какой размер частиц 3, при прохождении фильтрата через фильтроэлемент, задерживается слоем. Он определяется: 1) толщиной волокна - параметр определяемый размерами отверстий в формообразующем устройстве и технологическими режимами напыления (температурой расплава и воздуха, параметрами PP сырья); 2) плотностью напыления (удельным весом фильтрующего элемента) - параметр определяемый расстоянием от формообразующего устройства до приемного устройства).
Внутренний слой задерживает взвешенные частицы, например, цветочную пыль, микроорганизмы, угольную пыль и прочие осадки.
3
Внешний слой 2 выполняется с толщиной волокон 0,40-0,60 мм, и удельный весом фильтроэлемента 140-200 кг/м. Это позволяет сформировать слой с рейтингом фильтрации 5-170 мкм. Внешний слой содержит в качестве дисперсного наполнителя карбонат кальция (мел) в количестве 3-10% по массе, с размером частиц 0,5-1 мкм. Частицы мела в процессе экструзии оказываются вплавленными в волокна полипропилена. Внешний слой задерживает частицы глины, ил, песок, речной шлам.
Изготовление фильтрующего элемента производится следующим образом.
В два экструдера засыпается гранулированный полипропилен. В один из экструдеров добавляется гранулированная дисперсия карбоната кальция. При нагревании, полипропилен вспенивается и выдувается в виде ватаподобного волокна. Происходит распыление струи волокон с помощью горячего воздуха на приемное вращающее устройство. Поддерживая разный температурный режим, с одного экструдера, с более низкой температурой (~360 градусов) выдуваются ватаподобные волокна и формируется слой с меньшим расстоянием между порами. На приемном устройстве формируется более плотный внутренний слой 1. Со второго экструдера, с более высокой температурой (~380 градусов) выдуваются волокна с большими расстояниями между порами в слое. В результате получаются фильтрующие элементы, которые «стягиваются» с вала приемного устройства и нарезаются с помощью отрезного устройства на мерную длину.
Использование добавки мела в виде дисперсного наполнителя, при изготовлении внешнего слоя 2, за счет высокой теплопроводности мела, исключает усадку, коробление, оптимизирует геометрию внешнего слоя 2. Мел представляет собой антифибриллянт, который исключает расслаивание полипропиленовых нитей во внешнем слое и на границе слоев, без снижения их прочности. При взаимодействии с полипропиленом происходит равномерная дисперсия в полимере. При экструзии полипропилен внутреннего слоя 1 вспенивается и выдувается на приемное устройство в виде ватных волокон. При применении меловой добавки при напылении внешнего слоя 2, волокна, при выдуве, более похожи на нити. Добавка мела, кроме того, позволяет образовывать сетчатую структуру, волокна не слипаются, не агломерируются, не происходит их расслаивание. Таким образом, возможно, более точно выдерживать необходимые параметры по размеру пор в слое. Таким образом, повышается надежность фильтрующего элемента, становиться возможным более точно выдерживать необходимые параметры по размеру пор в слое, что увеличивает емкость фильтрующего элемента.
Дисперсия карбоната кальция (0,8 мкм) способствует приданию гладкости поверхности волокон, что, в свою очередь, снижает износ шнеков, пресс-форм и забивание фильтрующих сеток при производстве.
Лабораторными исследованиями установлена ориентировочная взаимосвязь между толщиной волокна, плотностью напыления, рейтингом фильтрации и пропускной способностью фильтроэлемента (см. таблицу). Данные приведены по воде, для фильтров с толщиной волокна 0,25 мм и напыленных двумя слоями, с геометрическими размерами D=56…58 мм, d (толщиной слоя)=28 мм, L=250 мм (для других типоразмеров картриджей значения плотности и рейтинга фильтрации требуют пересчета в соответствии с фактической геометрией).
Увеличение толщины волокна (размеров отверстий в формообразующем устройстве) ведет к увеличению параметра рейтинга фильтрации, при одинаковой плотности напыления, а так же к снижению перепада давления на фильтрующем элементе. Другими словами два слоя волокон толщиной 0,5 мм, создадут такую же плотность напыления как 4 слоя волокон толщиной 0,25 мм. При этом перепад давления через структуру волокон 0,5 мм будет значительно меньше, чем через 0.25 мм, но рейтинг фильтрации соответственно больше.
При прохождении фильтрата через фильтрующий элемент возникает перепад давления на элемент, который в свою очередь определяет долговечность (срок службы) последнего. Таким образом, при достижении критического перепада давления, на фильтроэлементе происходит механическое увеличение расстояния между волокнами и увеличения рейтинга фильтрации, то есть частицы загрязнителя, которые ранее задерживались между волокнами, начинают проходить через фильтр. Для напыленных фильтрующих элементов критический перепад давления лежит в области от 2 до 3,5 атм. (кгс/см2), в зависимости от температуры среды и конструктивных особенностей элемента. Перепад давления на фильтроэлементе зависит так же от вязкости фильтруемой среды.
Зная распределение размеров частиц загрязнителя в фильтрате, возможно создание структуры фильтра с оптимальным для данных условий сопротивлением и плотностью напыления, что обеспечит повышенный срок службы, при обеспечении требуемого качества фильтрата и снижению себестоимости фильтроэлемента. Например, лабораторный анализ загрязнителя в фильтрате показал, что из 1000 частиц в 100 мл: 200 частиц>100 мкм; 400 частиц>50 мкм; 100 частиц>20 мкм; 200 частиц>10 мкм; 100 частиц с размером менее 10 мкм. Требованиями к фильтрату устанавливается параметр, чтобы после очистки в фильтрате отсутствовали частицы с размером более 10 мкм, при этом перепад давления на фильтроэлементе (пропускная способность) была ниже, чем у конкурентов. Решением данной задачи является напыление внутреннего слоя волокон с толщиной 0,25 мм и удельным весом материала около 200 кг/м3 (см. Таблицу 1). А внешнего слоя (от второй зоны напыления) с толщиной волокна 0.5 мм и удельным весом около 180 кг/м3 (это достигается увеличением расстояния от формообразующего устройства до приемного устройства). Внешний наружный слой картриджа позволит задерживать частицы с размером>50 мкм (которых в исходном фильтрате является большее количество), а внутренний наружный слой будет задерживать частицы с размером>10.
Отношение толщины внутреннего слоя к толщине внешнего слоя, как правило, составляет 0,3-0,7. Это позволяет поддерживать баланс между эффективностью фильтрации (параметр, определяющий какое количество частиц из 100 для заданного рейтинга фильтрации пройдет, через фильтроэлемент за один проход). Для напыленных фильтрующих элементов это значение лежит в пределах 80-90% и емкостью фильтрующего элемента.
Изменение технологических параметров линии, таких как температура расплава и расстояния от формообразующих устройств до приемного устройства, позволяют получать картриджи различной плотности напыления и следовательно, различным рейтингом фильтрации. Кроме того, применение в составе линии двух зон напыления позволяет получать картриджи с дифференцированной плотностью. Таким образом, картриджи имеют более плотную структуру волокон на первой зоне напыления и менее плотную на внешних слоях, образованных второй зоной. Это позволяет повысить технологические свойства готовой продукции и следовательно, эффективность фильтрации.