ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ
FILTER ELEMENT

Изобретение относится к области очистки жидкостей от твердых частиц, а именно к пористым объемно-капиллярным (глубинным) фильтрам, и может быть использовано в системах водоочистки, в двигателях внутреннего сгорания, гидропередачах и в других технических устройствах, включающих элементы очистки жидкостей фильтрованием.
Известен фильтр для жидкости, в котором фильтрующий элемент содержит трубчатый каркас с перфорацией в виде продольных прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая штора, образованная спирально намотанной нитью, причем намотка выполнена ворсистой нитью, с натяжением без зазоров между витками. Ширина прорезей трубчатого каркаса и диаметр нити выбраны из условия образования проходного зазора между витками в зоне прорези трубчатого каркаса при деформации нити в результате воздействия на нее фильтруемой среды. Ширина прорезей и диаметр нити выбраны так, что их соотношение находится в диапазоне от 10 до 1000. Величина натяжения и усилие разрыва выбраны так, что их отношение больше 0,05. Каркас может быть выполнен в виде "беличьего колеса" (патент RU №2232620). При всех несомненных достоинствах данного аналога он не способен обеспечить сочетание высокой тонкости фильтрования и стабильного гидравлического сопротивления, кроме того, данный аналог может вызывать колебательные релаксационные процессы в гидравлических магистралях. При засорении щелевых фильтрующих зазоров между витками нити повышение давления на входе фильтрующего элемента приведет к растяжению нитей в пространство прорезей трубчатого каркаса и, как следствие, к раскрытию фильтрующего зазора между витками нити. Это повлечет за собой прямую промывку фильтра и попадание всех грязевых частиц из корпуса фильтра в приемную магистраль, после чего давление упадет. Указанная особенность аналога является его недостатком.
Известено техническое решение для жидкостных фильтров типа «Диамонд», используемое французской фирмой Кофи, в котором объемно-капиллярный фильтрующий элемент выполнен из волокнистых фильтрующих материалов, навернутых на перфорированный каркас в несколько слоев (В.М.Коновалов, В.Я.Скрицкий, В.А.Рокшевский «Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков». - М.: Машиностроение, 1976 г., стр 213-214). В качестве фильтрующих материалов в фильтрах этого типа используются хлопок, нейлон, стеклоткань и другие натуральные и синтетические материалы. Тонкость фильтрования таких фильтров, их ресурс определяется типом фильтрующего материала и размером его пор. Как следует из сравнительных характеристик фильтрующих элементов типа «Диамонд», выполненных из различных материалов, наивысшую тонкость фильтрации обеспечивают натуральные хлопковые и хлопково-вискозные материалы, синтетические же материалы не дают возможность получить тонкость фильтрации менее 10 мкм, что объясняется, по всей видимости, значительной толщиной волокон синтетических материалов. Это обстоятельство не позволяет получить в объемно-капиллярной структуре фильтрующего элемента необходимого сочетания малого размера пор со значительным показателем внешней пористости. Вместе с тем именно синтетические материалы (например, полипропилен) благодаря своей химической инертности и возможности введения в него бактерицидных добавок являются предпочтительными материалами при фильтровании жидкостей в биотехнологиях, медицине, а также для фильтрования воды в пищевой промышленности и в быту. Указанные особенности данного аналога являются недостатками, ограничивающими его область применения.
Известен фильтрующий элемент, который содержит две секции. Первая секция состоит из синтетической текстурированной нити, намотанной с переменным усилием на участок единой центральной трубы, ограниченной верхней торцевой и разделительной крышками так, что образует объемно-капиллярную (глубинную) фильтрующую штору. Вторая секция состоит из синтетической текстурированной нити, намотанной с переменным усилием на участок единой центральной трубы, ограниченной нижней торцевой и разделительной крышками так, что образует объемно-капиллярную фильтрующую штору с более низкой тонкостью отсева и повышенным гидравлическим сопротивлением по сравнению с первой секцией. Труба выполнена перфорированной или имеет каналы на наружной стороне. Фильтрующий элемент расположен в разъемном корпусе фильтра (патент RU №2294440). Данное техническое решение имеет преимущество перед односекционными фильтрующими элементами только при его использовании его для фильтрации масла в двигателях внутреннего сгорания, т.е. в условиях замкнутого контура циркуляции масла и при уменьшении его вязкости, вследствие нагрева, после выхода двигателя на рабочий режим. Использование такого фильтрующего элемента в незамкнутых контурах и при стабильной вязкости фильтруемой жидкости неэффективно, т.к. тонкость фильтрования будет определяться параметрами первой «грубой» секциии, вторая секция при этом не будет функционировать. Эта особенность является недостатком указанного фильтрующего элемента при использовании его, например, для фильтрования водопроводной воды.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является аналогичные по принципу действия фильтрующие элементы, выпускаемые корпорацией "Pentair Inc" под торговой маркой Pentek WP (US Filter) серии CW
(http://www.ecofilter.ni/index.php?sec=cat&gr id=69) и серии WP-ВВ
:
(http://www.ecofilter.ru/index.php?sec=cat&gr id=74). Известны также аналоги указанных изделий - фильтрующие элементы МП 5 торговой марки «ATOLL»
(http://www.ecofilter.ru/index.php?sec=cat&gr_id=101). Фильтрующие шторы этих изделий выполнены из полипропиленовой нити штапельного прядения, намотанной на твердую перфорированную полипропиленовую гильзу. Фильтрующий элемент обладает высокой устойчивостью к воздействию большинства кислот, щелочей, агрессивных жидкостей и газов, что делает их эффективным и недорогим средством очистки воды как в бытовых и коммерческих системах очистки воды, так и для фильтрации других жидкостей в промышленных целях и для нужд сельского хозяйства. Конструкция этих фильтрующих элементов благодаря плотной крестовой намотке обеспечивает большую площадь фильтрующей поверхности, в результате чего достигается значительный ресурс и высокая эффективность фильтрования. Фильтрующие элементы этой серии способны противостоять высокой температуре (до 73,9°С), что допускает их применение для очистки горячей воды с минимальным падением давления на фильтре. Полипропиленовые волокна не привносят в воду дополнительных привкусов, запахов и окрашенности, а также обладают высокой устойчивостью к воздействию бактерий и химикатов. В данном аналоге для создания фильтрующей шторы используется полипропиленовая нить штапельного прядения, что обеспечивает ее ворсистость. Технология штапельного прядения нити предусматривает использование в пряже сравнительно коротких волокон, концы которых и формируют собственно ворс. При этом толщина отдельных ворсинок является величиной постоянной и определяется толщиной штапельных волокон. Нить штапельного прядения обладает следующими особенностями:
- сравнительно низкой прочностью на разрыв, по сравнению с мультифиламентной синтетической нитью, т.е. прочностные свойства синтетического материала в нити штапельного прядения не используются в полной мере.
- При натяжении нить штапельного прядения вытягивается, ее диаметр уменьшается, ворс «залегает».
Указанные особенности нити штапельного прядения являются вредными при использовании такой нити в конструкциях цилиндрических фильтрующих элементов, предусматривающих намотку ворсистой нити на перфорированную центральную гильзу, поскольку появляется вероятность обрыва нити в процессе ее намотки и уменьшается объемная пористость фильтрующего элемента при натяжении нити и сопутствующем ему залегании ворса.
Изобретение имеет своей целью улучшение эксплуатационных свойств пористых объемно-капиллярных фильтров для жидкостей.
При использовании изобретения достигаются следующие технические результаты:
1. Увеличивается срок службы фильтрующего элемента.
2. Повышается тонкость очистки жидкости в течение всего срока эксплуатации фильтрующего элемента.
3. Сохраняется стабильность фильтрующих свойств при увеличении расхода жидкости через фильтрующий элемент.
Сущность изобретения заключается в том, что в сменном фильтрующем элементе, выполненном в виде катушки с перфорированной центральной гильзой, на которой размещена фильтровальная штора, представляющая собой многослойную намотку ворсистой нити, многослойная намотка выполнена текстурированной мультифиламентной синтетической нитью с преимущественно петлевым ворсом.
Обозначенная сущность изобретения связана с заявленными техническими результатами следующим образом соответственно:
1. Увеличение срока службы фильтрующего элемента обеспечивается увеличением его грязеемкости, которая в свою очередь обеспечивается увеличением пористости (относительной доли пустого пространства) и однородности объемно-капиллярной структуры намотанной фильтровальной шторы. Пористость структуры определяется толщиной ворса, заполняющего ячейки межвиткового пространства намотки. Однородность объемно-капиллярной структуры связана с упругостью ворса. В том случае, если нить является мультифиламентной и обладает петлевым ворсом, полученным в результате пневмотекстурирования, то толщина ворса, получаемого раздуванием формируемого расплавленного филамента, уменьшается, что обеспечивает истончение ворса по сравнению с толщиной нетекстурированного филамента. Петлевой (а значит, более упругий по сравнению с концевым) ворс в сочетании с его малой толщиной обеспечивает увеличение пористости и однородности объемно-капиллярной структуры намотанной фильтровальной шторы и способствует увеличению срока службы фильтрующего элемента.
2. Повышение тонкости очистки обеспечивается уменьшением размера пор в объемно-капиллярной структуре намотанной фильтровальной шторы. Размеры пор уменьшаются, поскольку большая прочность мультифиламентной нити допускает ее большее натяжение при намотке и, следовательно, более плотную намотку, что обеспечивает уменьшение размеров ячеек межвиткового пространства намотки, заполненных истонченным петлевым ворсом.
3. Стабильность фильтрующих свойств при увеличении расхода жидкости через фильтрующий элемент обеспечивается сохранением геометрической стабильности объемно-капиллярной структуры фильтрующий элемента под напором фильтруемой жидкости. При увеличении расхода возрастает разность давления на входе и выходе фильтрующего элемента, возрастает радиальный градиент давления в фильтровальной шторе. При этом упругость петлевого ворса препятствует его залеганию под напором фильтруемой жидкости и способствует сохранению геометрической стабильности капиллярной структуры фильтровальной шторы.
На Фиг.1 схематически изображен фильтрующий элемент.
На Фиг.2 схематически изображен разрез межвитковой ячейки фильтровальной шторы.
Фильтрующий элемент (Фиг.1) выполнен в виде катушки, содержит перфорированную центральную гильзу (1) и фильтровальную штору (2), представляющую собой многослойную намотку ворсистой синтетической нити. В качестве материала нити может быть использован полипропилен, как наиболее подходящий современный материал, обладающий хорошими гигиеническими и технологическими свойствами. Тип намотки может быть рядовым, крестовым или каким-либо другим. Наибольшее распространение для цилиндрических сменных фильтрующих элементов в настоящее время получил крестовой тип намотки. В фильтровальном элементе предпочтительно применение пневмотекстурированной мультифиламентной нити, у которой пневмотекстурирование выполнено для филаментов нити, расположенных во внешних ее слоях, центральные же филаменты (3) нити не текстурированы. Такой тип текстурирования обеспечивает возможность значительного натяжения нити в процессе ее намотки без ее растяжения и утончения, а также без залегания ворса. В межвитковом пространстве намотки образуются ячейки объемно-капиллярной структуры фильтровальной шторы, заполненные петлевым ворсом (4) (Фиг.2). Текстурированние филаментов, расположенных во внешних слоях нити, осуществляется раздуванием формируемого расплавленного филамента, в результате чего образуется преимущественно петлевой ворс, толщина волокон которого меньше толщины центральных нетекстурированных филаментов, что обеспечивает увеличение пористости объемно-капиллярной структуры фильтрующего элемента. Петлевой ворс обладает большей упругостью по сравнению с концевым ворсом, что обеспечивает однородность объемно-капиллярной структуры фильтрующего элемента.
Фильтрующий элемент является сменным и вставляется в корпус, образуя фильтр, в котором входная и выходная полости разделены фильтрующей шторой фильтрующего элемента, причем входная полость сообщается с наружной поверхностью фильтровальной шторы. При прохождении через фильтровальную штору, грязевые частицы задерживаются в ее объемно-капиллярной структуре, чем и обеспечивается эффект фильтрования. Сертификационные испытания фильтрующего элемента с намоткой, выполненной из полипропиленовой мультифиламентной пневмотекстурированной нити, показали высокую эффективность предлагаемого технического решения (протокол сертификационных испытаний №281 от 26.06.2007 прилагается).