ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ КРАПУХИНА
KRAPUKHIN'S FILTER ELEMENT

Изобретение относится к устройствам для фильтрования жидкостей и газов, в том числе радиоактивных и агрессивных, на атомных и тепловых электростанциях, в нефтяной и химической промышленности для фильтрования бензина, керосина и других органических и неорганических жидкостей и газов, в транспортных средствах для очистки топлив, масел и воздуха, при производстве красок, в строительной и пищевой промышленности, в паразитологии для экстракции паразитарных объектов из воды, в быту для очистки воды, при нефтедобыче для очистки пластовых вод, в металлургии и других областях жизнедеятельности человека.
Известен фильтрующий элемент, содержащий фильтрующую перегородку и крепежные и присоединительные элементы; фильтрующие зазоры в элементе образованы между витками проволочной спирали (патент Великобритании №1388356, кл. B01D 29/48, 1975).
Указанный фильтрующий элемент обладает удовлетворительными фильтрующими характеристиками, но регенерация его затруднена из-за необратимого закупоривания фильтрующих каналов частичками твердой фазы, что приводит к полному прекращению процесса фильтрации и безуспешным попыткам регенерации обратным потоком жидкости.
В авторском свидетельстве СССР №1368003 (кл. B01D 29/44, 1986) проблема регенерации фильтрующего элемента решается за счет растягивания фильтрующей перегородки и увеличения межвитковых зазоров обратным потоком промывочной жидкости. Увеличение длины фильтрующей перегородки способствует разрушению твердой фазы, собранной на поверхности фильтрующей элемента, и облегчению доступа промывочной жидкости к поверхности фильтрующей перегородки; качество регенерации фильтрующего элемента улучшается.
Указанное авторское свидетельство (№1368003) является наиболее близким аналогом к предлагаемому техническому решению. Щелевой фильтр по указанному техническому решению содержит фильтрующую перегородку в виде спирали, витки которой выполнены в виде многоугольников, вершины которых смещены относительно друг друга.
Основным недостатком этого устройства по авторскому свидетельству СССР №1368003 является то, что величины получаемых фильтрующих зазоров зависят от числа граней многоугольников. При изготовлении фильтрующих перегородок с числом граней 3, 4, 5, 6 и 7 из проволоки с диаметром 0,7 мм можно получить фильтрующие зазоры в виде треугольников, максимальные значения длин вершин которых составят соответственно 2450, 964, 319, 66 и 18 мкм. Попытки получить зазоры промежуточного значения за счет смещения вершин многоугольников относительно друг друга, как это указано в авторском свидетельстве, приводят к увеличению площадей контактов витков и трудно выполнимы технически.
Цель изобретения: расширение номенклатуры получаемых фильтрующих зазоров и повышение производительности фильтрующих перегородок за счет снижения площади контактов между витков.
На фиг.1 изображено вертикальное сечение фильтрующего элемента. Фильтрующий элемент содержит фильтрующую перегородку 1, каркас 2 и упругий элемент 3, выполненный в виде пружины сжатия. Верхний торец фильтрующей перегородки закрыт глухой крышкой 4, а нижний торец снабжен штуцером 5 для подачи и отвода жидкости или газа.
На фиг.2 показан вид сверху, на фиг.3 - укрупненный вид с торца на два первых витка фильтрующей перегородки. На фиг.5 и 6 - примеры образования фильтрующих зазоров между двумя смежными витками фильтрующих перегородок.
Фильтрующая перегородка выполнена в виде винтовой спирали. Витки спирали соприкасаются друг с другом; они образованы из чередующихся и сопряженных друг с другом дуг с малыми r и большими R радиусами кривизны. На фиг.3 витки сформированы 10-ю сопряженными дугами с маленькими радиусами кривизны r: r1, r3, … r9 и большими R: R2, … R10. На фиг.4 показано вертикальное сечение двух смежных витков фильтрующей перегородки в увеличенном масштабе и размер фильтрующего зазора 8 между смежными соприкасающимися витками. На фиг.5 показан укрупненный торец двух первых витков фильтрующей перегородки с числом дуг - 14 (с радиусами r: от r11 до r23 и радиусами R: от R12 до R24). На фиг.6 показан торец двух первых витков фильтрующей перегородки, сформированных 18-ю дугами также с различными радиусами кривизны: с радиусами r - от r25 до r41 и с радиусами R: от R26 до R42. Число дуг в каждом из витков отлично от целого.
Фильтрующие зазоры 8 могут быть определены по формуле, приведенной ниже и выведенной на основе геометрических построений:
<mrow><mi>δ</mi><mo>=</mo><msqrt><mrow><msup><mi>d</mi><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><msup><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>D</mi><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>cos</mi><mfrac><mrow><mn>360</mn></mrow><mi>N</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt><mo>−</mo><mi>d</mi></mrow>
где: S - линейный размер проходного сечения, образующегося в продольном радиальном сечении элемента между смежными витками, имеющими вершину в виде дуги с радиусом кривизны r и дугу с радиусом кривизны R (см. фиг.4);
D - наружный диаметр фильтрующей перегородки, определяемый по цилиндру, описывающему наружные диаметры дуг фильтрующей перегородки с радиусом кривизны r;
d - диаметр проволоки;
N - число вершин в двух витках фильтрующей перегородки.
Количество дуг, размещаемых в пределах 360°, должно отличаться от целого числа, чтобы было обеспечено смещени дуг с равными радиусами кривизны относительно друг друга, т.к. именно это смещение обеспечивает образование фильтрующих зазоров. Если дуги с равными радиусами кривизны не будут иметь углового смещения относительно друг друга, то фильтрующие зазоры будут равны нулю. Для получения зазоров различной величины в пределах одних и тех же габаритных размеров фильтрующей перегородки можно использовать ряд приемов: например, увеличить или уменьшить число дуг и получить соответственно уменьшение или увеличение величин фильтрующих зазоров; изменить соотношение радиусов кривизны дуг, следующих друг за другом; изменить угловой сдвиг дуг относительно друг друга. Однако в любом случае число дуг с равными радиусами кривизны, размещаемых в пределах одного витка, не должно быть целым числом.
Суммарный фильтрующий зазор всего фильтрующего элемента определяется размерами фильтрующих зазоров, количеством зазоров на окружности одного витка и количеством витков спирали. Уменьшение числа пятен контактов соприкосновения витков спирали приводит к увеличению эффективной площади фильтрующей поверхности.
Каркас элемента может располагаться как снаружи, так и внутри фильтрующей перегородки.
Фильтрующий элемент работает следующим образом.
Во время очистки фильтруемый поток направляется снаружи фильтрующей перегородки, проходит через нее внутрь фильтрующего элемента и через штуцер покидает фильтрующий элемент. При фильтровании давление внутри фильтрующего элемента меньше, чем снаружи, так как поток жидкости теряет часть своей энергии по ходу движения, преодолевая гидравлическое сопротивление осадка, собранного снаружи фильтрующей поверхности, и сопротивление фильтрующей перегородки. Этот перепад давления сжимает витки спирали до их соприкосновения и обеспечивает стабильность фильтрующего зазора. Однако во время регенерации обратным потоком жидкости или газа поток движется изнутри наружу и растягивает спираль, преодолевая сопротивление упругого элемента и осадка; твердая фаза вымывается из зазоров этим обратным потоком.
В данном техническом решении за счет выполнения витков спирали из дуг с заданными различными радиусами кривизны может быть снижена суммарная площадь контактов смежных витков и увеличена общая эффективная площадь фильтрующих зазоров. Это дает более выгодное соотношение площади фильтрующих зазоров к площади фильтрующей перегородки, чем у известных фильтрующих элементов; производительность фильтрующего элемента и соответственно фильтрующего оборудования, выполняемого на его основе, повышаются.