Сливное фильтрующее устройство

Предлагаемое техническое решение относится к области фильтровальной техники, в том числе к конструкциям с коаксиально расположенными фильтрующими элементами, выполненными однослойными или многослойными, заключенными в жесткий перфорированный каркас, и может быть применено для приема и очистки углеводородных жидкостей, преимущественно жидких моторных топлив, от свободной воды, крупных взвесей и вредных, мелкодисперсных примесей на стационарных и контейнерных автозаправочных станциях, в стационарных и транспортных топливораздаточных системах. В том числе модификации устройства предназначены для работы на приемных узлах сливных эстакад нефтебаз, на наливных эстакадах складов светлых нефтепродуктов для наполнения автоцистерн, на морских и речных судах, автомобильном и железнодорожном транспорте.
Фильтры для жидкостей широко известны и используются в различных областях промышленности и видах техники, например, там, где имеется потребность в отделении твердых частиц и/или жидкости от рабочей жидкости в закрытой системе. В качестве одного из примеров системы фильтрации топлива для дизельных и бензиновых двигателей хорошо известны и могут применяться фильтры для текучих сред, которые направлены на отделение воды и твердых частиц от топлива. Фильтрующие картриджи в некоторых из этих фильтров имеют один фильтрующий элемент со средой, сконфигурированной, чтобы коалесцировать воду, и другой фильтрующий элемент, который имеет среду, сконфигурированную для дополнительной фильтрации топлива и отделения коалесцированной воды от топлива. Во многих случаях, фильтрующие элементы расположены в виде концентрической или коаксиальной конфигурации с фильтром внутри фильтра, в которой внешний фильтрующий элемент окружает внутренний фильтрующий элемент. Примеры таких решений представлены в различных российских патентах.
Известен фильтр по патенту RU 2654979 (публ. 23.05.2018), который обладает улучшенной способностью к разделению смесей топливо-вода на протяжении срока службы фильтра. Фильтр имеет двухступенчатую конфигурацию, например, концентрическую конфигурацию с фильтром внутри фильтра, при первой или внешней ступени, сконфигурированной главным образом, чтобы коалесцировать воду из топлива или другой текучей среды, с которой фильтр используется, и второй или внутренней ступени, сконфигурированной, чтобы отделять коалесцированную воду от жидкости и также удалять тонкие твердые частицы загрязняющих веществ из текучей среды.
Недостатком данного решения является невозможность его применения при низких температурах и атмосферном давлении, что является неотъемлемой частью условий эксплуатации при «пассивном сливе топлива», где движение жидкости обеспечивается массой топлива находящегося в автоцистерне, которое падает пропорционально его уменьшению по массе и объему к этапу завершения слива.
Известен патент на полезную модель RU38450 (публ. 20.06.2004) – «Фильтр-водоотделитель и фильтрующий элемент». Известное устройство содержит корпус с верхней крышкой, отстойником, входным, выходным и дренажным патрубками, по меньшей мере, одним многослойным фильтрующим элементом, выполненным в виде коаксиально размещенных фильтрующего, коагулирующего и водоотталкивающего слоев, последний из которых установлен с кольцевым зазором относительно коагулирующего слоя, и разделяющую горизонтальную перегородку, выполненную опорной для закрепления фильтрующего элемента, при этом коагулирующий слой установлен первым, фильтрующий последним по направлению потока топлива, проходящего через фильтрующий элемент, а водоотталкивающий слой размещен между коагулирующим и фильтрующим слоями с примыканием к последнему, причем коагулирующий слой выполнен монолитным из проницаемого для топлива во всех направлениях полимерного материала. При том фильтрующий элемент с обоих торцов закрыт герметизирующими крышками, нижняя из которых снабжена сквозными отверстиями с возможностью удаления воды.
Недостатком известного решения является способ размещения фильтр-элементов, которые создают большое гидравлическое сопротивление фильтруемому потоку. Подача топлива осуществляется через входной патрубок, расположенный в нижней части конструкции, а выходной патрубок находится в верхней части корпуса, при этом фильтруемому топливу приходится преодолевать сопротивление вначале меньшего по диаметру фильтр-элемента, коагулируя при этом воду, а затем проходить через фильтр-элемент большего диаметра, встречая сопротивление водоотталкивающего слоя, а затем собственно фильтр-элемента для улавливания механических примесей. Такое исполнение не может быть использовано без насоса подачи топлива выше или ниже по потоку и уязвимость устройства при низких температурах высока, так как в случае засорения входного патрубка требуется частичный демонтаж подающей магистрали для удаления ледяной крошки.
Широко известны модели универсальных фильтров жидкости ФЖУ производства ОАО «Промприбор», которые конструктивно представляет собой сварной металлический корпус с помещенным в его полость фильтрующим элементом, который фиксируется внутри при помощи шпилек, гаек и герметично закрываемой крышкой корпуса. В фильтрах ФЖУ используются два основных типа фильтр-элемента – дисковый (в виде многотарельчатой системы) и корзинчатый (в виде цилиндра с дном, стенки и дно которого образует металлическая сетка), фильтрующей основой является нержавеющая или латунная сетка с определенным сечением ячеи. В нижней части корпуса фильтры для жидкостей имеют пробки, при открытии которых осуществляется слив нефтепродуктов при чистке фильтра. Конструктивные особенности фильтра ФЖУ позволяют укомплектовать его дополнительными фильтрующими элементами, помимо грязи удаляющими из нефтепродуктов также воду, растворимые кислоты и иные посторонние вещества.
Недостатком данного решения является применение металлической сетки в качестве фильтрующего материала, при обледенении которой в зимнее время в дисковых конструкциях  резко падает производительность и возрастает давление или разряжение в системе, в зависимости от расположения фильтра по потоку. Очистка дисковой системы занимает много времени, требует полной разборки, промывки или продувки сеток с последующей обратной сборкой.  В конструкциях с корзинчатым типом фильтр-элемента негативным является однослойное применение сетки, при разрушении которой подвергается опасности вся последующая гидравлическая линия в виду прорыва уловленных частиц и воды. Модели не имеют функции коагуляции и отбора воды и в большинстве своем не предназначены для фильтрования топлива без наличия насоса.
Известен фильтр для очистки нефтяного топлива по патенту на полезную модель №174526 (публ. 19.10.2017). Фильтр состоит из корпуса с входным штуцером, с выходным штуцером и со съемной крышкой. Внутри корпуса расположен фильтр-элемент, предназначенный для очистки потока топлива, поступающего снаружи фильтр-элемента внутрь. Корпус имеет также приемник воды, расположенный в нижней части, снабженный дренажным патрубком для отвода воды и механических примесей. Фильтр-элемент состоит из перфорированных внутренней и внешней обечаек, а также гофрированной шторы, выполненной из фильтровальной целлюлозной бумаги. Гофрированная штора размещена в пространстве между внутренней и внешней обечайками и верхней и нижней крышками. Фильтр снабжен сепарирующей сеткой, закрепленной снаружи фильтр-элемента. За счет наличия сепарирующей сетки и удаления воды до прохождения топлива через фильтр-элемент материал фильтрующей шторы предохраняется от вымывания волокон и, соответственно, от разрушения поровых каналов в целлюлозной бумаге, вследствие чего повышается эффективность отделения примесей от топлива и увеличивается срок службы фильтр-элемента.
Недостатком известного решения является единая полость корпусного пространства, в которой происходит одновременно движение фильтруемого топлива, отделение воды и очищение от механических примесей.  Отделенная или коалесцированная вода, накапливаясь в корпусе, будет с очередным запуском системы затруднять фильтрацию, так как в корпусах фильтров вертикального расположения всегда присутствует при подаче топлива вихревой турбулентный поток, переходящий в ламинарный при выходе гидросистемы на стабильное рабочее давление и скорость потока. Так как устройство не имеет закрытого накопителя коалесцированной воды, возможности визуального контроля ее наличия или отсутствия, после очередной остановки процесса фильтрования при низких температурах окружающей среды, необходимо каждый раз сливать содержимое донной части через сливной кран для предотвращения разрушения устройства льдом.
Известен патент №155809 (публ. 20.10.2015) на топливный фильтр, наиболее близкий по технической сущности заявляемой полезной модели, и рассматриваемый заявителем как прототип. Топливный фильтр, содержащий цилиндрический корпус с отверстием для подвода топлива на фильтрацию, выпускным отверстием для отвода очищенного топлива и сливным отверстием, выполненным в днище корпуса и закрытым сливной пробкой, содержащий фильтрующий элемент, установленный в корпусе с зазором, обеспечивающим подачу топлива на фильтрацию снаружи фильтрующего элемента к центру, дефлектор и конический успокоитель, расположенный в нижней части корпуса под фильтрующим элементом, отличающийся тем, что он дополнительно содержит впускной трубопровод для подвода топлива, который установлен в центральной части корпуса внутри фильтрующего элемента, при этом фильтрующий элемент выполнен в виде упругого деформируемого пористого материала, а между впускным трубопроводом и фильтрующим элементом образован кольцевой канал для отвода очищенного топлива через выпускное отверстие, помимо этого, корпус снабжен перегородкой, которая является опорой для фильтрующего элемента и делит корпус на две зоны: зону фильтрации и отстойную зону, причем дефлектор выполнен коническим и расположен вместе с коническим успокоителем в отстойной зоне, кроме того, дефлектор и успокоитель выполнены за одно целое с впускным трубопроводом, а кольцевая часть перегородки, которая расположена между внутренней стенкой корпуса и наружной поверхностью фильтрующего элемента, перфорирована.
Недостатком данного решения является высокое гидравлическое сопротивление, обусловленное наличием разделительной перегородки на пути движения потока, где помимо перегородки фильтруемое топливо вынуждено преодолевать сопротивление впускного трубопровода (топливо подается сверху вниз), конического дефлектора с успокоителем, фильтр-элемента и участка сбора очищенного топлива в верхней части корпуса при переходе в выпускной патрубок. Фильтр не имеет обособленной камеры сбора эмульгата и крупных взвесей, уязвим при низких температурах засорением ледяной крошкой и невозможностью ее удаления без прогрева устройства в целом, что практически невозможно в условиях взрывоопасной среды.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое устройство, заключается в оптимизации направления движения разделяемых сред (топливо и вода), снижении гидравлического сопротивления, применении оригинальной схемы флотационного разделения, повышении эффективности очистки топлива от крупных взвесей, вредных примесей и свободной воды, упрощении конструкции и увеличении срока службы устройства в целом, сокращении времени замены фильтр-элементов, удешевлении расходных материалов, повышении уровня безопасности и культуры производства.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в снижении гидравлического сопротивления, повышении эффективности качества очистки топлива.
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются при использовании сливного фильтрующего устройства, содержащего цилиндрический корпус с впускным отверстием для подвода топлива на фильтрацию, выпускным отверстием для отвода очищенного топлива и сливным отверстием, содержащим фильтрующий элемент, установленный в корпусе с зазором, обеспечивающим подачу топлива на фильтрацию снаружи фильтрующего элемента к центру через кольцевой канал, при этом корпус снабжен опорной перфорированной кольцевой перегородкой, делящей корпус на зону фильтрации и отстойную зону, где корпус имеет крышку, закрепленную по фланцу крепежными элементами, основание, и включает, два коаксиально расположенных каркасных фильтр-элемента с целлюлозной фильтрующей основой, входной патрубок, выполненный в виде наружного дефлектора в верхней части цилиндра противоположно выходному патрубку, расположенному ниже и выполненному в виде направляющего канала с внутренним дефлектором, при этом внутри корпуса по его продольной оси вертикально расположена перфорированная труба, имеющая в верхней части крепежно-центрирующий механизм прижима наружного и внутреннего фильтр-элемента к водоотделительной тарелке, а нижняя часть трубы герметичным каналом проходит сквозь водоотделительную тарелку с щелевидными перфорациями по наружному краю и наклонное дно обособленной камеры сбора эмульгата с патрубком его слива.
Возможно исполнение cливного фильтрующего устройства, где для бензинов крышка корпуса выполнена как верхняя сферическая с отверстиями для крепежных элементов.
В случае использования для дизельного топлива крышка корпуса выполнена как плоская верхняя крышка, дополненная откидным люком быстрой замены фильтр-элемента в зимнее время.
При этом сливное фильтрующее устройство снабжено патрубком полного опорожнения корпуса
При этом сливное фильтрующее устройство снабжено двухконтурным манометром.
При этом сливное фильтрующее устройство оборудовано смотровым люком-иллюминатором.
При этом фильтрующее устройство, где наружный фильтр-элемент дополнительно снабжен водоотталкивающим рукавом, который натягивается на обечайку снаружи и выполнен из каландрированного нетканного материала.
При этом сливное фильтрующее устройство оборудовано патрубком аварийного слива напорного рукава.
Далее полезная модель поясняется графическими материалами, где решение поставленной задачи и технический результат достигаются за счет создания унифицированного сливного фильтрующего устройства и его модификаций, включающее следующие конструктивно взаимосвязанные между собой элементы.
На Фиг. 1 показана возможная реализации устройства с верхней сферической крышкой (4), закрепленной по фланцу крепежными элементами (5), где 1 – корпус с основанием, 2- входной патрубок, 3 -выходной патрубок, и смотровой люк- 20.
На фиг. 2 показан вариант реализации устройства для дизельного топлива, где 2 и 3 входной и выходной патрубок, плоская крышка 4 и 6- откидной люк быстрой замены фильтр-элемента в зимнее время.
На фиг.3 показан разрез сливного фильтрующего устройства, где стальной вертикально расположенный, цилиндрический корпус с основанием (1) и крышкой 4 , входной патрубок с наружным дефлектором (2), выходной патрубок с направляющим каналом и внутренним дефлектором (3), внутри корпуса вертикально расположена стальная перфорированная труба (7), имеющая в верхней части коническую вставку для установки и центровки внутреннего фильтр-элемента (8), нижняя часть герметично проходит через горизонтальную водоотделяющую тарелку (9) с щелевидными перфорациями (10) по наружному краю, и наклонное дно водоотделительной камеры(11) с патрубком слива эмульгата (12), патрубок опорожнения корпуса в целом (13). Фильтрующие элементы (14,15) выполнены из гофрированной целлюлозной бумаги и заключены в стальной перфорированный каркас с верхней и нижней крышкой, герметизированной клеевым компаундом. Расположены фильтр-элементы коаксиально и имеют два прижимных элемента для каждой ступени, соответственно, размещенные на одной резьбовой оси (16). Наружный фильтр-элемент имеет возможность быть дополнительно снабженным  водоотталкивающим рукавом (17), который натягивается на обечайку снаружи и выполнен из каландрированного нетканного материала и патрубок аварийного слива напорного рукава автоцистерны (18).
На наружной части корпуса расположен двухконтурный манометр (19), указывающий степень загрязнения фильтр-элементов за счет разницы давления на входе и выходе устройства. Помимо этого имеется возможность визуального контроля процесса фильтрации и степени загрязнения фильтрэлемента через смотровой люк – иллюминатор (20), также расположенный на наружной части корпуса.
На фиг. 4 показана функциональная схема фильтрации топлива и работа сливного фильтрующего устройства.
Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в повышении эффективности  качества очистки топлива, когда, меньшей мере, три нежелательных компонента – вредные для топливораздаточной техники смолы, вода и ледяная крошка улавливаются устройством.
Наличие водоотделяющей тарелки дает возможность разделения и «успокоения» коалесцированной воды от очищаемого топлива (процесс флотации).
Наклонное дно позволяет в независимой от основного потока камере сконцентрировать эмульгат ближе к сливному патрубку и создает естественный уклон для удобства его удаления.
Оптимизация направления потока фильтруемого топлива дает минимальное гидравлическое сопротивление, и позволяет использовать «пассивный слив» без необходимости использования насоса.
Наличие двухконтурного манометра и люка – иллюминатора удваивает визуальный контроль процесса. Конструкция фланца корпуса и фланца крышки предусматривает использование винтов крепления с круглой головкой под шестигранный ключ, так как, во фланце крышки отверстия сквозные, а во фланце корпуса – резьбовые. Это дает возможность обслуживания устройства в одно лицо и повышает искробезопасность из-за отсутствия гаек и необходимости наличия второго гаечного ключа.
Пример работы сливного фильтрующего устройства иллюстрированный на фиг. 4, где стрелкам показано движение и топлива и эмульгата. Топливо через входной патрубок с наружным дефлектором, который обеспечивает равномерное распределение фильтруемой жидкости и снижает гидравлическое сопротивление, попадает внутрь корпуса устройства и оказывается в пространстве между внутренней стенкой корпуса и наружной обечайкой фильтр-элемента первой ступени. Равномерно омывая наружную часть фильтр-элемента первой ступени, топливо проникает в фильтр-элемент второй ступени и, подвергнувшись вторичной очистке, устремляется в перфорированную трубу, ведущую в камеру очищенного топлива, из которой оно попадает в направляющий канал с внутренним дефлектором, снижающим гидравлическое сопротивление потока при движении из выходного патрубка в резервуар. Коалесценция воды и удаление крупных взвесей в данном устройстве происходит на поверхности фильтр-элемента первой ступени за счет гидрофобного состояния пропитанной углеводородом целлюлозы. При необходимости эффект коалесценции воды можно усилить установкой нетканного рукава из каландрированного водоотталкивающего материала на наружную часть фильтр-элемента первой ступени или использовать коагулирующий слой, выполненный монолитным из проницаемого для топлива во всех направлениях полимерного материала. Вода и ледяная крошка, имея незначительную разницу в плотности относительно углеводородов (1,0 к 0,87), устремляются в нижнюю треть межстенного пространства и по окончании слива топлива проходят сквозь щелевидные перфорации водоотделительной тарелки в камеру сбора эмульгата, там же оказываются крупные взвеси и инородные тела сечением до 5 мм. Общая площадь щелевидных перфораций ничтожно мала по сравнению с общей площадью водоотделительной тарелки, и фракции с разной плотностью оказываются разделены и не подвержены повторному смешиванию потоком фильтруемого углеводорода при следующем сливе. Достаточно часто появление воды при сливе топлива имеет лавинообразный характер, так как при движении авто или ж/д цистерн от вибраций и качения вода и ледяная крошка к моменту доставки уже находится в донной части. В этом случае вода сразу устремляется в перфорации водоотделительной тарелки и, вымещая неочищенное топливо из камеры сбора воды вверх, занимает ее полезный объем. После окончания слива топлива необходимо открыть кран на патрубке слива эмульгата и удалить воду из камеры. В случае засорения устройства большим количеством ледяной крошки и парафинов необходимо снять верхнюю крышку на корпусе, извлечь фильтрэлементы и при открытом кране слива эмульгата промыть водоотделительную тарелку и камеру сбора эмульгата 5-8 литрами горячей воды, тосола или антифриза. На перфорированной трубе внутри корпуса предусмотрено расположение нижних перфораций от поверхности водоотделительной тарелки на высоте 70 мм., чего вполне достаточно для удаления крошки и парафинов без угрозы попадания промывочной жидкости в камеру очищенного топлива.
Полезная модель имеет кардинально отличную от прототипа схему движения фильтруемой жидкости и отделяемой воды, оригинальный унифицированный корпус, сопротивление гидравлическому потоку в котором минимально за счет оптимизирующих элементов, дающих возможность единого направления движения разделяемых сред. Наличие перфорированной трубы, водоотделительной тарелки и наклонного дна, образующих в совокупности с корпусом независимую камеру сбора эмульгата, возможность быстрой замены фильтрэлементов, двойной визуальный контроль степени загрязнения, применение различных типов фильтрэлементов, возможность очистки водоотделяющей части устройства промывкой горячей водой, тосолом или антифризом.
Корпус устройства имеет оригинальное, компактное исполнение, облегчающее его интеграцию в существующие и вновь строящиеся объекты хранения и отпуска нефтепродуктов.