АЭРОЗОЛЬНЫЙ ФИЛЬТР

Полезная модель относится к аэрозольным фильтрам для очистки технологических воздушных сред в атомной, химической, электронной и других отраслях промышленности, изготовляемым на основе волокнистых материалов, преимущественно из минеральных волокон, например, стекловолокна.
Известен аэрозольный фильтр, содержащий корпус, фильтрующий элемент тонкой очистки, выполненный из волокнистого материала, уложенного складками с установленными между складками гофрированными сепараторами. Перед фильтрующим элементом тонкой очистки в корпусе дополнительно установлен фильтрующий элемент предварительной очистки. Соотношение фильтрующих поверхностей фильтрующих элементов тонкой и предварительной очистки составляет от 4:1 до 6:1. В качестве фильтрующего материала фильтра тонкой очистки используют фильтрующий материал на основе стекловолокна, содержащий связующее и состоящий из трех последовательно расположенных фильтрующих слоев с различными диаметрами волокон (патент РФ №2200615, МПК:В 01 D 39/16, пр. 13.03.2001).
Известен также фильтр, содержащий корпус, в котором размещены фильтрующие элементы, выполненные из зигзагообразно сложенного фильтровального материала с расположенными между складками разделителями. Фильтрующие элементы последовательно установлены в корпусе и выполнены из слоев волокнистого фильтровального материала различной плотности, при этом первый по потоку загрязненного воздуха слой фильтровального материала изготовлен из крупноволокнистого материала с размером волокон 5-10 мкм с низкой плотностью упаковки волокон не более 0,04, а второй - из тонковолокнистого материала с размером волокон 0,2-0,4 мкм с высокой плотностью упаковки волокон не более 0,25. Фильтр позволяет значительно увеличить ресурс работы за счет увеличения его пылеемкости без снижения эффективности фильтрации (патент РФ №2192916, МПК: В 01 D 46/52, пр. 27.12.2000 - прототип).
К недостаткам фильтров этих конструкций можно отнести следующие.
Известные аэрозольные фильтры имеют значительные аэродинамические потери благодаря наличию гофрированных сепараторов, имеющих развитую поверхность, создающую при большой глубине фильтра большое сопротивление подводящих каналов. В результате сопротивление в сепараторных каналах становится соизмеримым или даже больше сопротивления самого фильтрующего материала.
Имеет место неравномерная работа фильтрующей поверхности по глубине канала, поскольку во входной зоне канала фильтра давление больше чем в выходной зоне, так что скорость фильтрации во входной зоне выше, чем в выходной. Соответственно на входе эффективность очистки меньше эффективности при средней скорости фильтрации, отнесенной ко всей поверхности фильтра.
Наличие сепараторов из алюминия имеет также негативные последствия при утилизации путем сжигания отработавших аэрозольных фильтров, используемых в атомной промышленности для получения полезного продукта (ядерного топлива) из-за наличия наведенной активности металлических элементов (алюминия). Т.е. не представляется возможным извлечение урана безопасным способом.
Эти фильтры отличает также невысокая технологичность, поскольку при установке сепараторов трудно выдержать геометрические параметры фильтровальной секции по ширине и глубине каналов.
Наличие сепараторов из алюминия приводит к существенному удорожанию аэрозольных фильтров из-за высокой стоимости алюминия.
Решаемая задача заключается в создании аэрозольного фильтра с развитой фильтрующей поверхностью в пределах выделенного объема, снижении сопротивления фильтра и увеличении его эффективности очистки, пылеемкости, а также в решении проблемы утилизации путем сжигания аэрозольных фильтров, используемых в атомной промышленности.
Для решения поставленной задачи предложен аэрозольный фильтр, содержащий корпус и высокоэффективный фильтрующий материал, установленный герметично по поверхности соприкосновения с корпусом, выполненный из плиссированного листа с микроскладками, расположенными поперек основного потока воздуха и сформированными в макроскладки, набранными в один или более рядов по высоте фильтра. При числе рядов более одного они изолируются друг от друга по глубине фильтра непроницаемыми перегородками, а количество рядов определяется исходя из
гидродинамических условий фильтрования (скорости фильтрации), прочности фильтрующего материала и глубины фильтра.
Переход от однорядной конструкции фильтра к конструкции с большим числом рядов вызван необходимостью снижения боковых нагрузок от давления фильтруемого воздуха на макроскладки. Это давление для данных гидродинамических условий и применяемого фильтроматериала (при его заданной прочности) зависит от величины боковой поверхности макроскладки, т.е. ширины ее боковой поверхности и длины.
Как показали испытания макетных образцов аэрозольных фильтров с микро- и макроплиссированными складками, для данной скорости фильтрации и глубины канала и при некотором критическом значении высоты макроскладок имеет место эффект «парусности» - боковые колебательные движения макроскладок. В результате происходит разрыв фильтроматериала (стеклобумаги) преимущественно в центральной зоне - в месте герметизации материала со стенками корпуса.
При переходе к двухрядной (и более) конструкции для данной заданной высоты фильтра и длины каналов соответственно в 2 и более раз уменьшается расстояние между плоскостями, в которых происходит крепление и герметизация фильтроматериала со стенками корпуса. Тем самым снижается момент силы от колебаний, действующий на макроскладки фильтроматериала, и соответственно разрыва фильтроматериала не происходит. При этом величина фильтрующей поверхности остается практически такой же, как и при однорядном исполнении фильтра с плиссированным фильтроматериалом - несущественное снижение фильтрующей поверхности (не более 2%) обусловлено введением в конструкцию непроницаемых перегородок.
Глубина макроскладки, по крайней мере, в 7 раз превышает глубину микроскладки. Оси макроскладок параллельны осям микроскладок. Микроскладки по своим вершинам с обеих сторон скреплены с помощью полос из клеевого расплава или покрытых клеем нитей, уложенных перпендикулярно осям микроскладок.
В средней части фильтра макроскладки со стороны выхода воздуха могут дополнительно удерживаться примыкающими к ним пластинами или сетками, крепящимися к внутренней поверхности корпуса.
Перед секцией высокоэффективной очистки может быть установлена секция предварительной очистки, а соотношение площадей фильтрующих поверхностей секций высокоэффективной и предварительной очистки находится в пределах от 3:1 до 80:1. Секция предварительной очистки так же может быть выполнена из плиссированного листа с микроскладками, формирующими макроскладки, или из объемного фильтроматериала без образования складок.
Секция предварительной очистки может быть выполнена съемной.
Вершины примыкающих друг другу сторон макроскладок (вверху и внизу) герметично скреплены между собой посредством пластин и слоя герметика.
Материалы, из которых изготовлен фильтр, являются трудногорючими и/или не поддерживающими горение.
2
В качестве фильтрующего материала высокоэффективной секции может быть использована, например стеклобумага класса Н12/Н13, Н13, Н13/Н14 и Н14 по ГОСТ Р 51251-99 с эффективностью очистки Е≥99,95% по наиболее проникающим частицам. Стеклобумага изготовлена на основе тонковолокнистого фильтрующего материала с толщиной не более 1,0 мм, поверхностной плотностью 60÷80 г/м и диаметром волокна 0,2-0,8 мкм.
Сопротивление фильтрующего материала при скорости фильтрации 5 см/с составляет 300-450 Па.
Сопротивление потоку фильтруемого воздуха фильтра меньше по сравнению с прототипом (ΔР≥500 Па) за счет того, что входной поток равномерно распределяется по многочисленным микроскладкам плиссированного материала, имеющих небольшую глубину и образующих макроскладки с развитой поверхностью фильтрации.
Техническим результатом фильтра заявляемой конструкции является обеспечение равномерной нагрузки фильтрующей поверхности по всей глубине канала за счет выравнивания давления очищаемой среды на входе в микроскладки фильтрующего материала, увеличение фильтрующей поверхности в пределах выделенного объема, и как следствие - снижение аэродинамических потерь, увеличение эффективности очистки и пылеемкости.
Другим техническим результатом является возможность утилизации путем сжигания отработавших аэрозольных фильтров, используемых на радиохимических предприятиях атомной промышленности, с целью получения полезного продукта (ядерного топлива), т е. становится возможным извлекать уран безопасным способом. Кроме того при полном исключении металлических деталей облегчается возможность опрессовки отработавших фильтров, используемых на АЭС, для последующего захоронения. Еще одним результатом является снижение материалоемкости фильтра за счет исключения из конструкции фильтра металлических (алюминиевых) сепараторов, что существенно снижает стоимость аэрозольного фильтра.
Повышена технологичность изготовления фильтров, поскольку исключена трудоемкая операция установки сепараторов.
На фиг.1 представлен аэрозольный фильтр вид спереди, состоящий из одной секции тонкой с двухрядным расположением фильтрующего материала, общий вид.
На фиг.2 - разрез по А-А фиг.1.
На фиг.3 - аэрозольный фильтр, включающий секцию грубой и тонкой очистки, в разрезе, общий вид.
На фиг.4 - место 1 фиг.1, где изображены в увеличенном масштабе микроскладки плиссированного фильтроматериала.
На фиг.5 - показан вариант скрепления микроскладок полосками клеевого материала.
1
2
Аэрозольный фильтр содержит корпус 1 и высокоэффективный фильтрующий материал 2, установленный герметично по поверхности соприкосновения с корпусом, выполненный из плиссированного листа с микроскладками 3, расположенными поперек потока очищаемого воздуха и сформированными в макроскладки 4, набранные в один или более рядов 5 по высоте фильтра. При числе рядов более одного они изолируются друг от друга по глубине фильтра с помощью разделителя в виде непроницаемой перегородки 6. Количество рядов определяют исходя из гидродинамических условий фильтрования, прочности фильтрующего материала и глубины фильтра. При этом глубина макроскладки L (фиг.3), по крайней мере, в 7 раз превышает глубину микроскладки L (фиг.4). Вершины микроскладок с обеих сторон макроскладок скреплены с помощью полос 7 клеевого материала или нитей из штапельного волокна, с нанесенным на них покрытием из клея (фиг.5), уложенных перпендикулярно осям микроскладок. Оси макроскладок Х параллельны осям микроскладок Y (фиг.1, 5).
Перед секцией высокоэффективной очистки установлена секция предварительной очистки 8 (фиг.3), а соотношение площадей фильтрующих поверхностей секций высокоэффективной и предварительной очистки находится в пределах от 3:1 до 80:1. Секция предварительной очистки может быть выполнена из плиссированного листа с микроскладками, формирующими макроскладки или из объемного фильтроматериала без образования складок. При этом максимальное соотношение площадей фильтрующих поверхностей относится к случаю, когда фильтроматериал секции предварительной очистки уложен по входному сечению без образования складок.
Секция предварительной очистки может быть выполнена съемной.
Вершины сторон макроскладок 4 герметично скреплены с помощью пластин 10 и слоя герметика 11 (фиг.2).
Перед фильтрующим элементом для увеличения прочности конструкции может быть установлена решетка 12 (фиг.3).
Аэрозольный фильтр работает следующим образом.
Очищаемый воздушный поток поступает в макроскладки фильтрующего материала аэрозольного фильтра, равномерно распределяется по многочисленным микроскладкам и, пройдя их, очищенный выходит из аэрозольного фильтра. Для очистки технологической среды с большим загрязнением и наличием частиц аэрозоля крупного размера (более 1 мкм) воздушный поток предварительно проходит через секцию грубой очистки, установленную перед секцией тонкой очистки. В этом случае спектр частиц перед секцией тонкой очистки состоит преимущественно из частиц субмикронного размера, за счет этого ресурс и пылеемкость фильтра увеличиваются.
Был изготовлен аэрозольный фильтр. Проходное сечение корпуса фильтра имеет габаритные размеры 610 мм-636 мм с глубиной фильтра - 570 мм.
2
2
В качестве фильтрующего материала использована стеклобумага класса Н13, по ГОСТ Р 51251-99 с эффективностью очистки E≥99,95% по наиболее проникающим частицам, диаметром волокна 0,2-0,8 мкм. с микроскладками глубиной 25 мм и скрепленными по вершинам полосками из нитей, покрытых клеем и уложенными в макроскладки глубиной ~500 мм и шириной - 100 мм в два ряда с разделителем в виде непроницаемой перегородки между рядами, которая прикреплена к внутренней поверхности корпуса. Поверхностная плотность фильтроматериала составляет 78 г/м. Вершины макроскладок (фиг.2) с обоих концов герметично скреплены с помощью пластин из полимерного материала и слоя герметика. Поверхность фильтрующего материала составляет 28 м.
Материал термо- и влагоустойчив в агрессивных средах и обладает достаточной прочностью в местах изгибов.
3
Как показали результаты испытаний полупромышленного образца аэрозольного фильтра в производственных условиях, при номинальной производительности по очищаемому воздуху, равной 3500 м/ч, конструкция фильтра обеспечивает аэродинамическое сопротивление не более 320 Па и эффективность очистки по наиболее
3
проникающим частицам 99,98% при концентрации аэрозолей в очищаемом воздухе до 1 мг/м и скорости фильтрации до 4 см/с.
Аэрозольные фильтры эффективно работают при температуре очищаемого воздуха до 100°С постоянно и 150°С (кратковременно, в течение 4 часов) и относительной влажности до 99%.
Аэрозольные фильтры заявленной конструкции являются перспективными для тонкой очистки технологических воздушных сред в атомной, химической, электронной, медицинской и других отраслях промышленности, так как они обладают более развитой поверхностью фильтрования, обеспечивают равномерное распределение скорости фильтрации по сечению фильтра и давления по глубине фильтра по сравнению с фильтрами, изготавливаемыми из гладкого бумажного фильтровального материала, и не требуют сепараторов, изготовляемых обычно из алюминиевой фольги. Аэрозольные фильтры заявленной конструкции обладают меньшим сопротивлением, увеличенной эффективностью очистки и увеличенной пылеемкостью.