Трубная доска фильтра

Заявляемое техническое решение относится к оборудованию фильтра для очистки газовой среды и может быть использовано в фильтрах, где фильтруемый газовый поток имеет высокую температуру.
Известны различные конструктивные решения размещения пучка труб в трубной доске. Например, согласно патенту РФ на изобретение №2266504 «Трубная доска камеры входа или выходы газа теплообменной секции аппарата воздушного охлаждения газа» (МПК F28F 9/02, дата приоритета 26.03.2004) [1], трубная доска выполнена в виде пластины, имеющей форму параллелепипеда, преимущественно прямоугольного, с образующей трубную решетку системой сквозных отверстий под концы теплообменных труб пучка, причем отверстия расположены рядами по высоте доски с шагом в осях в ряду, составляющим (1,7-3,5) d, шагом рядов по высоте доски, составляющим (1,6-3,4) d, где d - диаметр отверстий, и со смещением отверстий в смежных рядах на 0,35-0,65 величины шага в ряду, при этом площадь каркаса решетки в проекции на среднюю плоскость доски в 4-12,5 раз превышает суммарную площадь пустот решетки в проекции на ту же плоскость, а по периметру трубной доски расположен участок сплошного сечения, образующий пояс жесткости трубной доски, площадь которого составляет 16,0-45,0% площади трубной доски.
Недостатком данного компактного расположения трубчатых элементов по площади трубной доски является то, что поступление потока фильтруемого газа к трубчатым элементам и процесс теплопереноса излучением между внешней поверхностью пакета трубчатых элементов и внутренней поверхностью корпуса секции аппарата воздушного охлаждения газа, будет неравномерным.
Известно расположение фильтрующих элементов на трубной доске внутри корпуса фильтров мембранного аппарата по патенту РФ на изобретение №2046644 (МПК В01D 63/06, дата приоритета 07.04.1992) [2], наиболее близкое к заявляемому техническому решению, и потому взятому за прототип, в котором блоки трубчатых фильтрующих мембранных элементов установлены в рабочих камерах корпуса в шахматном порядке, а сами фильтрующие элементы в блоке установлены рядами в определенном геометрическом порядке, и достаточно близко друг от друга.
Компактно организованный пакет фильтрующих элементов, в данном случае, образует так называемую, прутковую теплоизоляцию. Прутковая теплоизоляция представляет собой набор параллельных прутков или стержней малого диаметра и обладает высокими теплоизоляционными свойствами, так как ее теплопроводность не зависит от теплопроводности материала прутков, а в большой степени определяется теплопроводностью газовой фазы в свободном объеме.
В описанной выше конструкции поток фильтруемого газа, будет неравномерно достигать поверхности всех фильтрующих элементов, составляющих пакет. Таким образом, использование возможности фильтрации газа на всех фильтрующих элементов будет неравномерным, а именно у находящихся во внешнем слое фильтрующих элементов поры будут быстрее забиваться, чем у тех которые находятся внутри пакета, что приводит к снижению эффективности фильтрации газа всего фильтра в целом в процессе эксплуатации.
Кроме того, при таком расположении фильтрующих элементов в пакете, в процессе регенерации фильтрующих элементов потоком нагретого газа, фильтрующие элементы, находящиеся во внешнем слое пакета, будут нагреты, а практически все фильтрующие элементы, находящиеся во внутренних слоях пакета нагреваться не будут. В результате подобного неравномерного распределения теплового потока появляется возможность образования конденсата на пористых стенках фильтрующих элементов, находящихся во внутренних слоях пакета, что крайне нежелательно с точки зрения способности регенерировать фильтрующие элементы в пакете и будет приводить к ухудшению гидравлических характеристик пакета фильтрующих элементов после проведения регенерации.
Задачей заявляемой конструкции трубной доски фильтра является организация такого геометрического расположения отверстий в ней для установки трубчатых фильтрующих элементов, которое позволит обеспечить равномерное распределение запыленного потока фильтруемой среды по всем фильтрующим элементам, не зависимо от их месторасположения в трубной доске, а также будет способствовать обеспечению равнодоступного теплопереноса излучением от внутренней поверхности корпуса фильтра к внешней поверхности всех фильтрующих элементов, установленных в трубной доске.
Решение поставленной задачи заключается в том, что месторасположение отверстий в трубной доске фильтра, в которые устанавливаются фильтрующие элементы в фильтре, делится на две зоны - центральную и периферийную. В центральной зоне отверстия под фильтрующие элементы расположены в вершинах равносторонних треугольников таким образом, чтобы фильтрующие элементы в центральной зоне не экранировали друг друга. Причем основания этих равносторонних треугольников, образуют замкнутую линию относительно центра симметрии трубной доски, а вершины соответственных оснований направлены в сторону внешней окружности трубной доски (к внутренней поверхности корпуса). В центре симметрии трубной доски может быть, например, расположена шпилька, предназначенная для стягивания всего пакета фильтрующих элементов. Периферийная зона трубной доски образована секторами с отверстиями, чередующимися с межсекторальными промежутками без отверстий, причем межсекторальные промежутки без отверстий располагаются таким образом, что образуют просветы, по которым поток фильтруемого газа и тепловое излучение достигает внешней поверхности фильтрующих элементов расположенных в центральной зоне трубной доски, кроме этого, организованные таким образом просветы обеспечивают доступ потока фильтруемого газа и теплового излучения к внешней поверхности фильтрующих элементов, расположенных в секторах трубной доски с отверстиями.
Число секторов с отверстиями и межсекторальных промежутков равно числу отверстий для фильтрующих элементов, расположенных в центральной зоне трубной доски.
Значение центрального угла межсекторального промежутка определяется из условия равенства отношений облучаемой поверхности к занимаемому объему в секторе с отверстиями и межсекторном промежутке.
Значение центрального угла межсекторного промежутка (в градусах) вычисляется по следующему соотношению:
0
где N - число фильтрующих элементов в центральной зоне трубной доски;
фэ
М - число фильтрующих элементов в центральной и периферийной зонах трубной доски;
- отношение диаметра трубной доски к внешнему диаметру фильтрующего элемента.
Значение центрального угла сектора с отверстиями (в градусах) вычисляется по следующему соотношению:
Благодаря использованию заявляемой конструкции трубной доски фильтра, происходит равнодоступный теплоперенос излучением от внутренней поверхности корпуса фильтра (обогреваемого, например, перегретым паром) к поверхности всех фильтрующих элементов установленных в трубной доске заявляемой конструкции, кроме того происходит равномерное распределения запыленного потока фильтруемой среды ко всем фильтрующим элементам, не зависимо от их месторасположения в трубной доске.
На фиг. 1 показана заявляемая конструкция трубной доски фильтра.
На фиг. 2 приведен график изменения значений центральных углов сектора с отверстиями и межсекторного промежутка в зависимости от значения отношения диаметров трубной доски и фильтрующего элемента, при фиксированных значениях числа фильтрующих элементов в центральной и периферийной зоне трубной доски.
На фиг. 3 приведен график изменения значения центрального угла межсекторного промежутка в зависимости от значения отношения диаметров трубной доски и фильтрующего элемента, при фиксированном значении числа фильтрующих элементов в центральной зоне трубной доски и трех значениях числа фильтрующих элементов, установленных в трубной доске.
На фиг. 4 показано укрупненно, как организована работа пакета фильтрующих элементов, установленных в трубной доски фильтра заявляемой конструкции.
Трубная доска (1) фильтра круглой формы (фиг. 1), заявляемой конструкции, находится внутри корпуса фильтра (2) и расположена с кольцевым зазором (3) относительно корпуса фильтра (2).
Площадь трубной доски (1) фильтра делится на центральную (4) и периферийную (5) зоны в которых находятся отверстия для крепления в трубной доске (1) трубчатых фильтрующих элементов в определенном геометрическом расположении. В центральной зоне (4) отверстия под фильтрующие элементы (6) расположены в вершинах равносторонних треугольников, причем основания этих равносторонних треугольников, образуют замкнутую линию относительно центра симметрии трубной доски (7), а соответствующие вершины этих треугольников, направлены в сторону внешней окружности трубной доски (1). Периферийная зона (5) трубной доски (1) состоит из чередующихся секторов (9) с отверстиями для фильтрующих элементов (10) и межсекторальных промежутков без отверстий (11).
На фиг. 1 условно показано четыре сектора (9) с отверстиями и заштрихованные межсекторальные промежутки без отверстий (11).
Значение центрального угла α межсекторального промежутка без отверстий (11) и центрального угла β сектора с отверстиями (9) для фильтрующих элементов определяются по указанным выше формулам.
0
фэ
тд
фэ
Например, в случае, как показано на фиг. 1, когда N=10, N=90, d=270 мм, d=16 мм получается
фэ
o
График, приведенный на фиг. 2, показывает какое значение центральных углов β и α соответственно сектора с отверстиями (9) и межсекторального промежутка (11) имеет трубная доска с произвольным соотношением ее диаметра к диаметру фильтрующих элементов при фиксированном значении числа отверстий под ФЭ в периферийной (5) и центральной (4) зонах трубной доски, например, при общем количестве фильтрующих элементов, установленных в трубной доске N=90 и числе фильтрующих элементов, установленных в центральной зоне N=10.
o
График, приведенный на фиг. 3, показывает какое значение центрального угла α межсекторального промежутка (11) может иметь трубная доска с произвольным соотношением ее диаметра к диаметру фильтрующих элементов при трех значениях количества отверстий, например, 50, 100, 150, под фильтрующие элементы в периферийной зоне (5) трубной доски при фиксированном значении числа отверстий в центральной зоне (4) трубной доски N=10.
Процесс фильтрования и теплопередачи с использованием в фильтре трубной доски заявляемой конструкции (фиг. 4) происходит следующим образом.
Поток фильтруемой среды на фиг. 4 показан позицией 12, подаваемой внутрь корпуса фильтра через кольцевой зазор (3) к пакету фильтрующих элементов, установленных в трубной доске заявляемой конструкции (1), распределяется равномерно по направлениям, как показано поз. 13, по внешней поверхности фильтрующих элементов (10), расположенных как в перифериной зоне (5), так и по внешней поверхности фильтрующих элементов (6) в центральной зоне (4) трубной доски, не зависимо от их места расположения. Это происходит благодаря выбору расчетного значения центрального угла α межсекторальных промежутков без отверстий (11).
В том случае, когда для работы фильтра требуется нагреть фильтрующие элементы с целью исключения, например, процессов конденсации в пористой среде стенок фильтрующих элементов, применяется теплоперенос излучением от внутренней поверхности корпуса фильтра (2), например, обогреваемого перегретым паром, к внешней поверхности всех фильтрующих элементов. Благодаря расположению фильтруемых элементов пакета в трубной доске заявляемой конструкции, тепловой поток от нагреваемого корпуса фильтра (2) также равномерно распределяется по внешней поверхности фильтрующих элементов, расположенных как в центральной (4), так и в периферийной (5) зонах.
Например, согласно тепловому балансу в результате теплопереноса излучением от внутренней поверхности корпуса фильтр, нагретого до температуры 146°С, среднее значение температуры фильтрующих элементов в трубной доске заявляемой конструкции равно 94°С, при этом корпус фильтра обогревался потоком перегретого пара с характеристиками:
- температура 160°С;
- давления 4,5 атм;
- расход 30 кг/ч.
Благодаря использованию в фильтре трубной доски заявляемой конструкции, происходит равнодоступный теплоперенос излучением от внутренней поверхности корпуса фильтра к поверхности всех фильтрующих элементов установленных в пакете, кроме того происходит равномерное распределения запыленного потока фильтруемой среды по всем фильтрующим элементам, не зависимо от их месторасположения в пакете, что позволяет в целом повысить производительность фильтра и восстановить работоспособность после проведения процесса регенерации в прежнем объеме.
Используемая информация
1. Патент РФ на изобретение №2266504 «Трубная доска камеры входа или выходы газа теплообменной секции аппарата воздушного охлаждения газа».
2. Патент РФ на изобретение №2046644 «Мембранный аппарат».