УСТАНОВКА ДЛЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ ЖИДКИХ СРЕД ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ
INSTALLATION FOR HYDRODYNAMIC PURIFICATION OF LIQUID MEDIA FROM MECHANICAL IMPURITIES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к оборудованию для очистки жидкостей от механических примесей и может быть использовано в различных областях народного хозяйства, где необходима очистка жидких сред от большого объема загрязняющих частиц. Это особенно актуально в атомной, микробиологической, текстильной, пищевой, химической, нефтяной отраслях промышленности.
Уровень техники
Ужесточение требований по экологической безопасности при возрастании стоимостных показателей потребляемых ресурсов делают проблему восстановления физико-механических (эксплуатационных) показателей жидких сред с одновременным сгущением отделяемых загрязнителей для последующей утилизации особенно значимой.
Перед авторами стояла задача - разработать установку для очистки жидких сред растительного, минерального и органического происхождения технологически простой в изготовлении и эффективной при продолжительной эксплуатации.
Как показал анализ патентной и научно-технической информации наиболее перспективными средствами разделения по сравнению с другими устройствами являются фильтрационные установки. Однако одним из существенных ограничений для их применения является проблема восстановления их эксплуатационных показателей при функционировании. Такого недостатка, обусловленного необходимостью регламентной (периодической) остановки для регенерации или замены, практически лишены устройства с гидродинамическими фильтрами, где удаление загрязнений с разделительной перегородки постоянно производится при движении очищаемой жидкости параллельно ее продольной образующей или при движении пористой перегородки относительно потока жидкости.
Известен гидродинамический фильтр с закруткой потока, содержащий цилиндрический корпус, патрубок тангенциального подвода очищаемой жидкости, патрубки отвода очищаемой жидкости первой и второй ступени, цилиндрический фильтрующий элемент, бункер для осажденных частиц загрязнений, сливное отверстие для удаления загрязнений. При этом закрутка потока обеспечивает создание объемного поля центробежных сил, что исключает возможность контакта с разделительной сеткой фильтра частиц примесей соизмеримых с характерным размером ее ячейки. Основная «тонкость» очистки при этом достигается за счет гидродинамического эффекта, обусловленного тангенциальной составляющей скорости частицы при подходе к сетке фильтра (А.А. Бревнов. Обоснование конструкции гидродинамического неполнопоточного фильтра с закруткой потока. Сборник научных трудов ДонГТУ. - Алчевск, вып.25. - С. 208-218).
Однако организовать эффективную закрутку потока в зазоре 3 мм по всей длине продольной образующей фильтрующий элемента практически невозможно, что существенно сказывается на качестве очистки жидкой среды.
Известно устройство для очистки жидкостей в циркуляционных системах, содержащее цилиндрический корпус с патрубком в днище для сброса части очищаемой жидкости, герметично установленную на корпусе крышку с патрубком подачи очищаемой жидкости, подпружиненный фильтрующий элемент в виде пористой перегородки из гидрофобного материала, выполненный в форме усеченного конуса, размещенного внутри корпуса с образованием кольцевого зазора переменного сечения, и закрепленный нижним концом в патрубке сброса части очищаемой жидкости, верхнее основание которого обращено к патрубку подачи очищаемой жидкости, а с наружной стороны днища корпуса закреплен гравитационный динамический отстойник, размещенный в цилиндрической насадке (Патент RU №2456055).
Однако осуществить достижение постоянной продольной скорости жидкости в указанном устройстве, обеспечивающей самое низкое сопротивление и постоянство тонкости фильтрования по всей длине проницаемой поверхности фильтрующего элемента не представляется возможным, что сказывается на эффективности функционирования устройства.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является установка для очистки моторных топлив от механических примесей, содержащая цилиндрический корпус, в крышке которого размещен патрубок принудительной подачи очищаемого топлива, связанный циркуляционной гидролинией с патрубком сброса части очищаемого моторного топлива из корпуса, в днище которого выполнены патрубок для удаления загрязнений и патрубок слива очищенного топлива в накопительную емкость, закрепленный в горизонтальной перегородке гидродинамический фильтрующий элемент в виде полого усеченного конуса, размещенного внутри корпуса по центральной его оси с образованием кольцевого зазора переменного сечения между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью фильтрующего элемента, а горизонтальная перегородка, в которой закреплен фильтрующий элемент меньшим глухим основанием, выполнена со сквозными каналами, в которых установлены с возможностью движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях угловые сопловые насадки, внутренняя стенка фильтрующего элемента образует цилиндрическую полость, связанную с размещенным в днище корпуса патрубком слива очищенного топлива, а внутренняя поверхность меньшего глухого основания фильтрующего элемента имеет форму двухарочного циклоида вращения, вершина которого совпадает с центральной осью фильтрующего элемента и обращена к большему основанию, в стенке фильтрующего элемента по всей высоте выполнены сквозные наклонные каналы под острым углом к горизонтальной плоскости, установка дополнительно содержит блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента очищенным моторным топливом из накопительной емкости и размещенную в кольцевом зазоре полую насадку в виде усеченного конуса, выполненную из химически стойкого материала и закрепленную торцом меньшего диаметра в днище корпуса без контакта с фильтрующим элементом, ниже которого в полой насадке по периметру выполнены радиальные отверстия, торец большего диаметра закреплен в стенке корпуса с исключением вертикального перемещения, при этом блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента очищенным топливом из накопительной емкости выполнен в виде гидравлической линии, в которой установлен насос, всасывающий патрубок которого подключен через соответствующий запорный вентиль к накопительной емкости, а напорный патрубок - к линии слива очищенного топлива в накопительную емкость через дополнительно введенный нормально открытый электромагнитный клапан (Патент RU №2687903).
Однако технически сложно изготовить установку с гидродинамическим фильтрующим элементом с обеспечением постоянного скоростного напора по всей длине его продольной образующей, в основном, определяющим качество функционирования установки.
Раскрытие изобретения
Перед авторами стояла задача - разработать установку для очистки жидких сред растительного, минерального и органического происхождения технологически простой в изготовлении и эффективной при продолжительной эксплуатации.
Технический результат изобретения - упрощение конструкции с расширением технологических возможностей установки и повышении эффективности при очистке жидких сред.
Указанный технический результат достигается тем, что в известной установке для очистки моторных топлив от механических примесей, включающей цилиндрический корпус, в крышке которого размещен патрубок подачи очищаемой среды, связанный циркуляционной гидролинией с патрубком сброса части очищаемой жидкой среды из корпуса, в днище которого выполнены патрубок для удаления загрязнений и патрубок слива очищенной жидкой среды в накопительную емкость, закрепленные в горизонтальной перегородке, выполненной со сквозными каналами, в которых установлены с возможностью движения в вертикальной и горизонтальной плоскостях угловые сопловые насадки, и гидродинамический фильтрующий элемент, размещенный внутри корпуса по центральной оси с образованием кольцевого зазора между внутренней поверхностью корпуса и наружной поверхностью фильтрующего элемента, установленную в кольцевом зазоре полую насадку в виде усеченного конуса, выполненную из химически стойкого материала и закрепленную торцом меньшего диаметра в днище корпуса без контакта с фильтрующим элементом, ниже которого в полой насадке по периметру выполнены радиальные отверстия, торец большего диаметра полой насадки закреплен в стенке корпуса с исключением вертикального перемещения, блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента очищенной жидкой средой из накопительной емкости, выполненный в виде гидравлической линии, в которой установлен насос, всасывающий патрубок которого подключен через соответствующий запорный вентиль к накопительной емкости, а напорный патрубок - к линии слива очищенной жидкой среды в накопительную емкость через дополнительно введенный нормально открытый электромагнитный клапан, фильтрующий элемент выполнен из полимерного материала в виде тонкостенной цилиндрической обечайки с герметичным верхним основанием, прикрепленным неподвижно к горизонтальной перегородке по ее оси, а нижним - подвижным основанием к металлическому полому цилиндрическому штоку с микрометрической резьбой по внешней его поверхности, размещенному с возможностью перемещения внутри патрубка для слива очищенной жидкой среды и фиксируемому гайкой с микрометрической резьбой, опирающейся на кольцевой выступ его резьбовой расточки с канавкой под уплотнение, герметичность которой обеспечивается накидной гайкой при затяжке, при этом фильтрующий элемент выполнен с нарезными щелевыми каналами переменного увеличивающегося шага по длине его продольной образующей и уменьшающегося угла наклона к горизонтальной оси в направлении к подвижному основанию, а напорный патрубок насоса блока ударно-волновой регенерации дополнительной гидролинией через запорный вентиль связан с тройником линии подачи очищаемой жидкой среды.
Краткое описание чертежей
На фигуре представлена блок-схема установки для гидродинамической очистки жидких сред от механических примесей.
Осуществление изобретения
Установка для гидродинамической очистки жидких сред от механических примесей содержит цилиндрический корпус 1, выполненный из металла. В герметичной крышке 2 с помощью резьбового соединения закреплен патрубок 3 принудительной подачи очищаемой жидкой среды. Всасывающий патрубок центробежного насоса 4 через вентиль 5 связан трубопроводом с резервуаром 6 для жидкой среды. Нагнетательный патрубок насоса 4 связан трубопроводом с патрубком 3 принудительной подачи, который с помощью тройника связан с циркуляционной гидролинией 7. Циркуляционная гидролиния 7 с регулирующим вентилем 8 соединена трубопроводом с патрубком 9 слива части очищаемой жидкой среды из корпуса 1. Патрубок 9 герметично сопряжен со стенкой корпуса 1 резьбовым соединением.
Днище 10 с канавкой для уплотнительного кольца резьбовым соединением герметично крепится на корпусе 1. По центральной оси днища 10 корпуса 1 установлен патрубок 11 для слива очищенной жидкой среды с резьбой по внутренней поверхности. Патрубок 12 для удаления загрязнений радиально закреплен в днище 10. Патрубки 11 и 12 крепятся резьбовыми соединениями с днищем 10. Резьбовыми гайками 13 крышка 2 и днище 10 зафиксированы в корпусе 1.
Горизонтальная перегородка 14 с канавкой для уплотнительного кольца установлена под крышкой 2 на выступе внутренней расточки корпуса 1. Фиксация горизонтальной перегородки 14 достигается затяжкой гайки 13.
В сквозных каналах 15 горизонтальной перегородки 14 с помощью резьбовых соединений установлены угловые сопловые насадки 16 подвижные в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
В горизонтальной перегородке 14 размещен гидродинамический фильтрующий элемент 17 в виде цилиндрической обечайки из полимерного материала, например, из полипропилена PN 10 (ГОСТ 52134-2003), с герметичным верхним основанием 18, прикрепленным неподвижно к расточке горизонтальной перегородки 14 винтовым соединением по оси. Нижнее подвижное основание 19 резьбовым соединением связано с металлическим полым цилиндрическим штоком 20 с микрометрической резьбой по внешней его поверхности. Внутренняя цилиндрическая полость 21 фильтрующего элемента 17 соединена с цилиндрическим штоком 20, который размещен с возможностью перемещения внутри патрубка 11 для слива очищенной жидкой среды при завинчивании гайки 22 с микрометрической резьбой. При этом гайка 22 опирается на кольцевой выступ 23 резьбовой расточки патрубка 11 с канавкой под уплотнение. Герметичность расточки патрубка 11 обеспечивается накидной гайкой 24 при ее затяжке. Между внутренней поверхностью корпуса 1 и боковой поверхностью фильтрующего элемента 17 образован кольцевой зазор 25.
Фильтрующий элемент 17 выполнен со щелевыми каналами 26, которые нарезаются по наружной поверхности цилиндрической обечайки. Для обеспечения оптимальных режимов работы гидродинамического фильтрующего элемента 17 угол наклона и шаг нарезаемых щелевых каналов 26 по длине его образующей может варьироваться.
В кольцевом зазоре 25 размещена полая насадка 27 в виде усеченного конуса. Полая насадка 27 установлена торцом меньшего диаметра в кольцевой канавке днища 10 без контакта с фильтрующим элементом 17. Ниже фильтрующего элемента 17 по периметру в полой насадке 27 выполнены радиальные отверстия 28 (диаметр отверстий 5 мм). Торец большего диаметра полой насадки 27 опирается на уступ 29 в ступенчатой цилиндрической внутренней поверхности корпуса 1 на расстоянии не менее 0,5-0,7 высоты фильтрующего элемента (Н) 17. Полая насадка 27 фиксируется при завинчивании гайки 13 над днищем 10.
Полый цилиндрический шток 20 подключен трубопроводом через нормально открытый электромагнитный клапан 30 с регулирующим вентилем 31 к накопительной емкости 32. Патрубок 12 для удаления загрязнений соединен трубопроводом с вентилем 33 и баком 34 для сбора загрязнений.
Блок ударно-волновой регенерации фильтрующего элемента 17 выполнен в виде гидролинии, которая включает центробежный насос 35 во взрывобезопасном исполнении (давление нагнетания 300 кПа), всасывающий патрубок которого через запорный вентиль 36 подключен трубопроводом к накопительной емкости 32, а напорный патрубок - к нормально открытому электромагнитному клапану 30 через запорный вентиль 37 трубопроводом к накопительной емкости 32. Напорный патрубок центробежного насоса 35 дополнительной гидролинией - трубопроводом «обратной связи» через тройник с запорным вентилем 38 подключен к патрубку 3 принудительной подачи жидкой среды.
Исполнение фильтрующего элемента 17 путем нарезания щелевых каналов 26 в тонкостенной трубе из полипропилена позволяет технологически просто создать конструкцию разделительной поверхности фильтрующей перегородки, оптимизировав ее форму под изменяющиеся гидродинамические параметры движущейся жидкой среды, обеспечив при этом возможность изменения «рабочей» поверхности (площадей проходных сечений щелевых каналов) при продольном растяжении или сжатии (ввиду эластичности материала полипропиленовой трубы со щелевыми каналами 26) фильтрующего элемента 17. Основанием для определения конструкции фильтрующего элемента 17 служит распределение суммарного вектора скорости потока в кольцевом зазоре 25, которое зависит от соотношения составляющих скорости закрутки и продольной скорости (А.А. Бревнов. Экспериментальное исследование работоспособности гидродинамического неполнопоточного фильтра с закруткой потока. Сборник научных трудов ДонГТУ. - Алчевск, вып. 28, 2009. - С. 294-304). В верхней части кольцевого зазора 23 до 1/3 высоты фильтрующего элемента 17 модуль скорости закрутки потока жидкой среды существенно больше соответствующего модуля ее продольной составляющей, а в оставшейся части кольцевого зазора 25 модуль продольной составляющей уже может превалировать над модулем скорости закрутки. В соответствии с этим, исходя из минимизации времени нахождения механических примесей в поровом пространстве щелевого канала 26 фильтрующего элемента 17, направление нарезаемых щелевых каналов 26 на поверхности полипропиленовой трубы элемента 17 будет меняться от практически параллельного продольной образующей в верхней части кольцевого зазора 25 до перпендикулярного к продольной образующей в нижней части фильтрующего элемента 17, повышение сопротивления фильтрующего элемента 17 обеспечивается увеличением шага между щелевыми каналами 26.
Винтовое сопряжение полого цилиндрического штока 20 с патрубком 11 для слива очищенной жидкой среды позволяет за счет перемещения гайки 22 с микрометрической резьбой увеличивать (или уменьшать) щелевой канал 26 фильтрующего элемента 17 от 0,041 до 0,111 мм, фиксируя его величину при затяжке накидной гайки 24.
Дополнительная гидролиния, связывающая выходной патрубок центробежного насоса 35 блока ударно-волновой регенерации трубопроводом обратной связи с патрубком 3 принудительной подачи жидкой среды, обеспечивает кольцевание потока при многоступенчатой очистке жидкой среды.
Установка работает следующим образом. Центробежным насосом 4 при открытом вентиле 5 из резервуара 6 осуществляется подача жидкой среды через угловые сопловые насадки 16 с закруткой в кольцевом зазоре 25. При этом вентили 8, 31 и 33 открыты, а вентили 36, 37 и 38 закрыты. Для более глубокой очистки жидкой среды отключается центробежный насос 4, закрывается вентиль 5 и прекращается подача жидкой среды из резервуара 6. Ослабляют затяжку накидной гайки 24, подкручивают гайку 22 с микрометрической резьбой на цилиндрическом полом штоке 20, уменьшают тем самым размер щелевых каналов 26 фильтрующего элемента 17, фиксируют проходные сечения накидной гайкой 24 при затяжке винтового сопряжения патрубок 11 для слива очищенной среды - цилиндрический полый шток 20, открывают вентиль 36 из накопительной емкости 32 для очищенной среды и 38 на дополнительной гидролинии, закрывают вентиль 37, включают насос 35. Для дальнейшей очистки жидкости последовательно уменьшают размер щелевых каналов 26 при завинчивании гайки 22 с последующим фиксированием и герметизацией объема фильтрующего элемента 17 накидной гайкой 24 и «кольцеванием» потока жидкой среды центробежным насосом 35.
При падении производительности установки на 30% от исходной производят регенерацию фильтрующего элемента 17. Для этого насосом 35 подают очищенную жидкую среду из накопительной емкости 32 при открытом запорном вентиле 37. Насос 4 принудительной подачи не работает. Вентили 5, 8, 31 и 38 закрыты, а вентили 32 и 36 открыты. Чистая жидкая среда из емкости 32 насосом 35 подается по гидравлической линии при импульсном срабатывании нормально открытого электромагнитного клапана 30 подается во внутренний объем 25 фильтрующего элемента 17, периодически воздействует на его «рабочую» поверхность и через щелевые каналы 26 смывает накопленные на фильтрующем элементе 17 механические загрязнения в бак для сбора загрязнений 31.
Для оценки качества функционирования установки при изменении характерного размера щелевого канала 26 фильтрующего элемента 17 проводилась очистка промышленных стоков объемом 1200 л с исходным содержанием механических примесей 450 мг/л. При этом исходный размер щелевого канала 24 - 0,076 мм изменялся на 0,035 мм, увеличиваясь или уменьшаясь при растяжении - сжатии фильтрующего элемента 17 при перемещении гайки 22 винтового микрометрического сопряжения. Жидкая среда (промышленные стоки) заливались в резервуар 6 и подвергались очистке в гидродинамическом фильтре 17 при постоянном перепаде давления на нем и различных значениях величин щелевого канала 26. Очищенный фильтрат собирался в накопительной емкости 32. При этом оценивались: содержание взвешенных веществ (механических примесей) и производительность. Результаты испытаний представлены в таблице 1
Таким образом, наличие регулируемого щелевого канала 26 фильтрующего элемента 17 позволяет отделять механические примеси в широком диапазоне загрязнений и производительностей, а также дает возможность организовать многоступенчатую очистку жидких сред на одной установке.
Для оценки эффективности предлагаемой установки проводилась очистка моторного топлива (топлива для реактивных двигателей марки ТС-1), результаты сравнивались с аналогичными, полученными при функционировании прототипа. Для испытаний было выбрано 1200 л топлива, вносились искусственные загрязнения в объеме 0,30 г/л. Причем загрязнения равномерно распределялись в резервуаре 6. Скорости подачи моторного топлива не превышали 5-7 м/с. После очистки в моторное топливо опять вносились загрязнения до первоначальной концентрации в резервуаре 6 и равномерно перемешивались. Результаты сравнительных испытаний представлены в таблице 2.
Очевидно, что почти при одинаковой степени очистки топлива, производительность предлагаемой установки увеличилась практически на 9% по сравнению с прототипом.
Таким образом, за счет совокупности известных признаков: цилиндрического корпуса, патрубок принудительной подачи очищаемого топлива которого связан циркуляционной гидролинией с патрубком сброса части очищаемой жидкой из корпуса, в днище которого выполнены патрубок для удаления загрязнений и патрубок слива очищенной жидкости, закрепленных в горизонтальной перегородке угловых сопловых насадок и гидродинамического фильтрующего элемента с образованием кольцевого зазора, полую насадку в виде усеченного конуса в кольцевом зазоре, блок ударно-волновой регенерации в виде гидравлической линии, в которой установлен насос, связанный с нормально открытым электромагнитным клапаном и со вновь вносимыми: фильтрующего элемента, выполненного из полимерного материала в виде цилиндрической тонкостенной обечайки с герметичным верхним основанием, прикрепленным неподвижно к горизонтальной перегородке, а нижним - подвижным основанием к металлическому полому цилиндрическому штоку с микрометрической резьбой по внешней его поверхности, размещенному внутри патрубка для слива очищенной жидкости и фиксируемому гайкой с микрометрической резьбой, опирающейся на кольцевой выступ его резьбовой расточки с канавкой под уплотнение, герметичность которой обеспечивается накидной гайкой, фильтрующий элемент выполнен с нарезными щелевыми каналами переменного увеличивающегося шага по длине продольной образующей и уменьшающегося угла наклона к горизонтальной оси в направлении к подвижному основанию, напорный патрубок насоса блока ударно-волновой регенерации дополнительной гидролинией через запорный вентиль связан с тройником линии подачи очищаемой жидкой среды, позволяет повысить эффективность разработанной установки.