ФИЛЬТР-ГАЗООТДЕЛИТЕЛЬ ДЛЯ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА ТОКА

Заявляемое техническое решение относится к конструкции фильтров, предназначенных для отделения пузырьков газа от жидкости, в частности для отделения пузырьков водорода из воды, синтезируемой при работе водородно-кислородного электрохимического генератора тока (ЭХГ).
Известны различные конструкции газоотделителей или аналогичных устройств, в которых используются пористые мембраны. Например, такая конструкция заявлена в патенте РФ на полезную модель №3394 (МПК B01D 45/18, B01D 46/24, дата приоритета 27.07.1993). Заявленный влагоотделитель предназначен для очистки газа от влаги и твердых частиц. Он содержит расположенные последовательно в одном корпусе полые фильтроэлементы грубой и тонкой очистки из проницаемых пористых металлов с непроницаемыми крышками на торцевых поверхностях. Поток очищаемого газа сначала проходит через пористый материал фильтра грубой очистки. При этом, часть капельной влаги осаждается на его поверхности и происходит укрупнение аэрозольных частиц за счет их слияния в порах фильтрующего материала фильтроэлемента. Отделившиеся на первой ступени частицы влаги вместе с потоком воздуха перед входом в фильтроэлемент тонкой очистки, меняют свое направление на 180°. При резком повороте потока более крупные капли отбрасываются, коагулируют и стекают. Далее поток воздуха проходит сквозь фильтрэлемент тонкой очистки, на котором очищается от остатков аэрозольной влаги.
Недостатком аналога является невозможность его применения в случае отделения пузырьков газа от потока жидкости, в которой они находятся. Дело в том, что при подаче жидкости в фильтроэлементы аналога она заполняет все поры металлического фильтра, вследствие чего фильтр приобретает газозапорные свойства и пузырьки газа остаются в газо-жидкостной пульпе. Не спасает ситуацию и повышение давления в пульпе до величины, превышающей газозапорное давление смоченной мембраны, так как газ, получивший возможность проходить через мембрану вследствие ее «газового пробоя» уносит с собой капли жидкости.
Более близок к заявляемому техническому решению по конструкционным признакам другой вариант конструкции фильтра, используемого для очистки газовой смеси или смеси газа и пара (патент США №3837146, кл. МКИ В01Д 53/22, дата приоритета 07.09.1972), который принят за прототип.
Согласно этому патенту фильтр состоит из корпуса, замкнутой камеры, включающей твердое основание, и пакета фильтрующих элементов. В состав фильтра, кроме этого входят коллекторы для подвода и отвода фильтрата и трубки, соединяющие коллекторы с пакетами фильтрующих элементов. Пакет фильтрующих элементов образован чередующимися уплотнительными рамками и фильтрующими элементами. Уплотнительные рамки и фильтрующие элементы плоские, прямоугольного сечения.
Каждый фильтрующий элемент состоит из двух проницаемых мембран, расположенных по обеим сторонам пористой пластины. Эти мембраны и пластины имеют, по крайней мере, одно отверстие или полость, выполненные ближе к краю. Проницаемые мембраны, соединены вокруг этих отверстий герметично. При установке в пакеты фильтрующие элементы размещают попеременно по отношению к этим отверстиям.
Каждый пакет фильтрующих элементов отделен от другого специальной металлической пластиной, в которой сделаны каналы для подвода смеси в пакет и отвода подвергшейся разделению смеси. Эти пластины соединены с соответствующими коллекторами специальными трубками.
Смесь газов, поступающая в фильтр, проходит по коллектору, трубкам и через каналы в пластинах поступает в пакеты фильтрующих элементов. В пакете газ переходит от одного фильтрующего элемента к другому, и так весь пакет; затем, через канал в следующей пластине, трубку и коллектор отвода удаляется из фильтра. Фильтруемый газ проникает в пакете через мембраны фильтрующих элементов в пористые диски, выходит по периферии дисков и поступает в коллектор для его отвода.
Таким образом, конструкция фильтра в прототипе, предусматривает параллельное соединение пакетов фильтрующих элементов и последовательное соединение фильтрующих элементов в пакете.
Основным недостатком фильтра, запатентованного в прототипе, является указанная схема коммутации фильтрующих элементов по текучей среде, т.е. последовательное соединение фильтрующих элементов в пакете и параллельное соединение пакетов между собой. Это приводит к большой неравномерности отделения пузырьков газа от жидкости (в случае газожидкостной пульпы) Фильтрующие элементы первого пакета работают в режиме максимальной, а последнего - минимальной загруженности. В силу этого фильтр, заявленный в прототипе, содержит большое количество фильтрующих элементов и пакетов с фильтрующими элементами. Конструкция его достаточно сложна, он имеет большие габаритные размеры и, следовательно, значительный вес.
Кроме того, для разделения пакетов фильтрующих элементов в прототипе применяется конструктивный узел (пластина), не являющийся рабочим элементом и используемый лишь для подвода и отвода смеси, что тоже увеличивает конструкцию фильтра, его габариты и вес.
Задачей заявляемой полезной модели является упрощение конструкции фильтра-газоотделителя, обеспечение более равномерной интенсивности отделения пузырьков газа от жидкости в фильтрующих элементах и уменьшение массогабаритных характеристик фильтра-газоотделителя в целом.
Решение поставленной задачи достигается применением фильтра-газоотделителя, состоящего из корпуса с фланцами, пакетов чередующихся уплотнительных рамок и герметично соединенных фильтрующих элементов с отверстиями у края каждого элемента, сепараторной пластины и расположенных по его обеим сторонам мембран.
Согласно заявляемой конструкции каждый фильтрующий элемент выполнен с дополнительным отверстием, противоположным первому, и образующими коллекторы для подвода и отвода газо-жидкостной пульпы, фильтрующие элементы в каждом пакете установлены параллельно, а пакеты в корпусе последовательно и отделены друг от друга разделительным элементом с отверстием, совпадающим с коллектором отвода газожидкостной пульпы из предыдущего пакета.
В предлагаемой конструкции фильтра-газоотделителя достигается более равномерная загруженность фильтрующих элементов в пакетах путем уменьшения количества фильтрующих элементов в пакетах по мере прохождения смеси и последовательного соединения пакетов от начала фильтра-газоотделителя к его концу. Этим достигается сокращение габаритных размеров фильтра.
Экспериментально было установлено, что при уменьшении количества фильтрующих элементов в последующих пакетах, по сравнению с предыдущими, меньшем, чем в 1,4 раза, фильтрующие элементы не полностью загружены, а при большем, чем в 1,9 раза фильтрация жидкости происходит недостаточно полно.
Эксперименты проводились в несколько этапов и при одинаковых условиях (состав газожидкостной пульпы, давление под которым она подавалась в фильтр и расход) и на каждом этапе определялся количество жидкости в отфильтрованном газе после проведения фильтрации.
На первом этапе опробовались фильтры, состоящие из одного пакета с различным количеством фильтрующих элементов в пакете. Процент содержания жидкости в газе уменьшался при увеличении количества фильтрующих элементов в пакете (от 2% до 1,2%), но при этом значительно увеличивались массогабаритные характеристики фильтра.
На втором этапе экспериментов фильтрующие элементы были разделены на пакеты с равным количеством фильтрующих элементов в каждом пакете. Такое разделение фильтра на пакеты привело к сокращению процента содержания воды в выходящем газе при увеличении количества фильтрующих элементов в пакете (от 0,6% до 0,1%), но при этом массогабаритные характеристики оставались достаточно высокими.
Следующим этапом экспериментальных работ было уменьшение количества фильтрующих элементов в последующих пакетах по сравнению с предыдущим, например, соотношение между первым и вторым пакетом варьировалось с 1,2 до 1,5, а между вторым и третьим с 1,3 до 1,9. Было замечено, что при определенном соотношении количества фильтрующих элементов в последующем и предыдущем пакетах была достигнута более равномерная интенсивность отделения воды из газожидкостной пульпы в фильтрующих элементах при содержании воды в отделяемом газе в пределах 0,7%-0,8% при минимальных габаритных размерах и весе фильтра.
Дальнейшее сокращение количества фильтрующих элементов в пакетах привело к возрастанию процентного содержания воды в отделенном газе (до 1,9%), что выше допустимого.
Таким образом, было определено оптимальное значение соотношения количества фильтрующих элементов в последующем и предыдущем пакетах от 1,4 до 1,9, при котором обеспечивается более равномерная интенсивность отделения газа в фильтрующих элементах фильтра-газоотделителя заявляемой конструкции, при допустимом процентном содержании воды в отделенном газе и минимальных массогабаритных характеристиках фильтра.
На фигуре изображен общий вид заявляемой конструкции фильтра-газоотделителя в разрезе и показано, каким образом происходит фильтрация смеси.
Фильтр-газоотделитель предлагаемой конструкции включает фланец (1), имеющий канал для подвода газо-жидкостной пульпы (2) и канал для отвода жидкости (3) после разделения, фланец (4) с каналом для отвода газа (5), корпус (6), например, цилиндрической формы. Между фланцами внутри корпуса расположены фильтрующие элементы (7) и уплотнительные рамки (8), разграниченные разделительными фильтрующими элементами (9) на пакеты. Между внутренней поверхностью корпуса (6) и наружными поверхностями фильтрующих элементов (7), уплотнительных рамок (8) и разделительных фильтрующих элементов (9) организованна полость для сбора отфильтрованной жидкости (10). Фильтрующие элементы имеют отверстия, расположенные у противоположных краев, которые образуют при сборке фильтра коллектор для подвода газо-жидкостной пульпы (11) к фильтрующим элементам (7) пакета и коллектор для отвода газо-жидкостной пульпы (12) от фильтрующих элементов (7) пакета. Разделительный фильтрующий элемент имеет одно отверстие (13) которое расположено таким образом, что через него газо-жидкостная пульпа, подвергшаяся фильтрации в одном пакете и собранная в коллекторе для отвода газо-жидкостной пульпы (12), поступает в последующем пакете в коллектор для подвода газо-жидкостной пульпы (11). В пространствах, образованных фильтрующими элементами (7) и рамками (8) могут быть расположены сепараторные диски (14), которые позволяют строго выдерживать расстояние между фильтрующими элементами (7).
С помощью коллекторов, образованных отверстиями в фильтрующих элементах, газо-жидкостная пульпа в пакетах подводится параллельно к каждому фильтрующему элементу, а отверстия, специально расположенных разделительных фильтрующих элементов, позволяют соединять пакеты последовательно.
Фильтр-газоотделитель заявляемой конструкции можно, например, применить для отделения водорода из водородно-водяной пульпы, образующейся при работе водородно-кислородного электрохимического генератора тока (ЭХГ) на топливных элементах.
ПРИМЕР
1
2
3
Фильтр-газоотделитель для ЭХГ номинальной мощностью 10 кВт содержит три пакета фильтрующих элементов. Пакет П содержит 32 фильтрующих элемента, пакет П - 22 фильтрующих элемента, пакет П - 12 фильтрующих элементов.
1
Водородно-водяная пульпа под давлением 40 кПа поступает через канал для подвода газо-жидкостной пульпы (2) фланца (1) в пакет П, и далее по коллектору для подвода газо-жидкостной пульпы (11) в пространства, образованные фильтрующими элементами (7) и уплотнительными рамками (8), причем в этих пространствах находятся сепараторные диски (14). Проходя по сепараторным дискам (14), вода из пульпы, за счет разности давления между входом пульпы и выходом воды, проникает через пористые мембраны фильтрующих элементов (7) в сепараторные пластины и выходит по их периферии в полость для сбора отфильтрованной жидкости (10) и удаляется через канал для отвода жидкости (3) фланца (1) из фильтра-газоотделителя, при этом газозапорные мембраны препятствуют прохождению пузырьков газа через мембраны.
1
2
2
Пульпа, пройдя между фильтрующими элементами пакета П, теряет часть воды, собирается в коллектор для отвода газо-жидкостной пульпы (12) и через отверстие (13) в разделительном фильтрующем элементе (9) поступает в коллектор подвода газо-жидкостной пульпы (11) пакета П. В пакете П часть воды снова отфильтровывается, газожидкостная пульпа собирается в коллектор для отвода газо-жидкостной пульпы (12) и через отверстие (13) во втором разделительном фильтрующем элементе (9) поступает в коллектор для подвода газо-жидкостной пульпы (11) пакета П3, где водород собирается в коллектор для отвода газа (15) и по каналу для отвода газа (5) фланца (4) удаляется из фильтра.
Вода выходит по периферии фильтрующих элементов в полость для сбора отфильтрованной жидкости (10) и, через канал для отвода жидкости (3) фланца (1), удаляется из фильтра.
Уплотнение пакетов фильтрующих элементов достигается за счет уплотнительных рамок и сепарационных дисков, которые, как указано выше, позволяют строго выдерживать расстояние между фильтрующими элементами, что допускает возможность использовать уплотнительные рамки из любого герметизирующего материала, например резины.
Таким образом, в фильтре предлагаемой конструкции газожидкостная пульпа подходит параллельно ко всем фильтрующим элементам пакета и последовательно от одного пакета к другому.
Использование фильтра заявляемой конструкции позволяет обеспечить более равномерную интенсивность отделения жидкости в фильтрующих элементах, так как в нем применен параллельный способ подвода смеси к фильтрующим элементам, последовательное соединение пакетов и уменьшение количества фильтрующих элементов в пакетах.
Кроме этого, уменьшение количества фильтрующих элементов в пакетах позволяет сократить трудоемкость изготовления фильтра. Сокращению трудоемкости изготовления и уменьшению материалоемкости по сравнению с прототипом способствует то, что в фильтре заявляемой конструкции подвод и отвод пульпы производится без специальных конструктивных единиц в виде коллекторов и труб, а разделение пакетов - без металлических монолитных пластин.
Благодаря вышеперечисленным факторам, в фильтре заявляемой конструкции достигнута значительная компактность конструкции (объем рабочей части фильтра практически равен его полному объему), то есть, уменьшены габаритные размеры, вес и упрощена конструкция фильтра.
ЦИТИРУЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ
1. Патент РФ на полезную модель №3394, кл. 3394, кл. МПК O1D 45/18, B01D 46/24, приоритет 27.07.1993.
2. Патент США №3837146, кл. МКИ B01D 53/22, приоритет 07.09.1972.