ФИЛЬТРУЮЩИЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ОЧИСТКИ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ

Полезная модель относится к области фильтрования и может использоваться в фильтрующих элементах струнного типа для очистки жидкостей и газов от механических загрязнений.
Очистка жидких и газообразных средств имеет исключительно важное значение для жизнеобеспечения и реализации необходимых показателей многих производственных процессов. Для решения этой задачи широкое распространение получили фильтры со струнной фильтрующей перегородкой, преимущественно в виде намотки натянутой проволоки, функционирование которых связано с возникновением автоколебаний в проволочной намотке под воздействием гидродинамического процесса в фильтруемой среде.
Известен, например, фильтрующий элемент, содержащий полый перфорированный каркас звездообразного сечения, на внешней стороне которого спирально навита виток к витку проволока многогранного сечения, на поверхности которой выполнен ряд выступов и углублений, образующих фильтрующие щели, заполненные минеральным порошком (SU 986454 А1, 1983). Фильтрующие области в этом фильтрующем элементе занимают незначительную площадь, что обуславливает его высокое гидравлическое сопротивление и быстрое засорение. При его функционировании происходит нежелательный вынос частиц вспомогательного фильтрующего вещества в фильтрат. Поэтому он имеет недостаточную эксплуатационную эффективность. Кроме того, этот фильтрующий элемент сложен по конструкции и в изготовлении, поскольку для намотки использована проволока сложного профиля.
Известен также фильтрующий элемент, содержащий каркас конической формы с перфорацией, выполненной по его образующей поверхности в виде наклонно-спиральных прорезей, на поверхности которого размещен основной (рабочий) слой намотки проволоки виток к витку, обеспечивающий рабочее фильтрование с использованием гидродинамического процесса, и поверх него дополнительный слой намотки (RU 2349366 С1, 2009). Дополнительный слой намотки обеспечивает защиту основного слоя от износа и повреждений и предварительное фильтрование в пассивном режиме. Выполнение перфорации в виде наклонно-спиральных прорезей увеличивает площадь фильтрационной перегородки. Коническая форма каркаса облегчает удаление фильтрационных осадков. Однако этот фильтрующий элемент недостаточно надежен, поскольку в процессе его работы проволочная намотка может соскальзывать с каркаса. Наклонный характер спиральных прорезей в каркасе не позволяет обеспечить его высокую прочность. Не регламентировано натяжение проволоки, что не позволяет достичь высокой эффективности фильтрования. Поэтому эксплуатационная эффективность этого фильтрующего элемента также недостаточна.
Из известных устройств наиболее близким к предложенному является фильтрующий элемент для очистки жидкостей и газов, содержащий трубчатый каркас с перфорацией в виде прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая перегородка в виде проволочной намотки, образованной спирально намотанной на трубчатый каркас с заданным шагом и натяжением проволокой (RU 2232620 С1, 2004). В этом фильтрующем элементе прорези в трубчатом каркасе выполнены продольными. Проволочная намотка выполнена без зазора между витками так, что ее шаг равен диаметру проволоки. Ширина продольных прорезей и диаметр проволоки выбраны из условия образования при фильтровании проходного зазора между витками проволоки в зоне прорези при деформации проволоки в результате воздействия фильтруемой среды. Недостатком фильтрующего элемента является его невысокая эксплуатационная эффективность. Это связано с выполнением прорезей в трубчатом каркасе продольными, сплошной намоткой проволоки и отсутствием оптимальных условий натяжения проволоки. Перфорация трубчатого каркаса в виде продольных прорезей значительно снижает его жесткость, что не позволяет выполнить проволочную намотку с необходимым натяжением из-за его возможной деформации, что в свою очередь не позволяет достичь заданного качества фильтрации и может привести к провисанию проволоки и нарушению целостности проволочной намотки при эксплуатации фильтрующего элемента. Использование же дополнительного закрепления проволоки на трубчатом каркасе в виде клеевого соединения малоэффективно из-за разрушающего действия фильтруемой среды в случае ее агрессивности или недопустимо, если фильтруемой средой является питьевая вода. Кроме того, выполнение прорезей продольными не позволяет обеспечить высокую площадь фильтрующей поверхности. Выполнение проволочной намотки виток к витку затрудняет возможность фильтрации заданной степени. Поскольку шаг намотки является одним из факторов, влияющих на амплитуду и частоту колебаний, возникающих в витках проволоки при воздействии фильтруемой среды, выполнение проволочной намотки без зазора между витками проволоки ограничивает возможности производительности и выбора степени фильтрации, являющихся одними из составляющих эксплуатационной эффективности фильтрующего элемента. Отсутствие возможности выполнения проволочной намотки со значительным натяжением проволоки в этом фильтрующем элементе не обеспечивает оптимальных условий фильтрования и его высокую надежность при эксплуатации.
Техническая проблема, решаемая полезной моделью, состоит в создании фильтрующего элемента для очистки жидкостей и газов, лишенного недостатков прототипа. Технический результат, обеспечиваемый полезной моделью, заключается в повышении эксплуатационной эффективности фильтрующего элемента для очистки жидкостей и газов.
Это достигается тем, что в фильтрующем элементе для очистки жидкостей и газов, содержащем трубчатый каркас с перфорацией в виде прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая перегородка в виде проволочной намотки, образованной спирально намотанной на трубчатый каркас с заданным шагом и натяжением проволокой, прорези выполнены спиральными, проволочная намотка выполнена с превышающем диаметр проволоки шагом с обеспечением возможности фильтрации заданной степени, а величина натяжения проволоки, образованного полиградиентным температурным воздействием на проволоку и трубчатый каркас, выбрана в пределах от 0,2 до 0,8 величины предела текучести проволоки. Ширина спиральных прорезей, диаметр проволоки и шаг проволочной намотки могут быть выбраны из условия соотношения ширины спиральных прорезей и шага проволочной намотки в пределах от 1,4 до 2400 и условия соотношения диаметра проволоки и шага проволочной намотки в пределах от 0,0095 до 95.
Указанный технический результат обеспечивается в рамках реализации назначения всей совокупностью существенных признаков, представленной в формуле полезной модели, каждый признак которой необходим, а вместе они достаточны для решения указанной технической проблемы и для достижения указанного технического результата. Заявленный фильтрующий элемент представляет собой одно устройство, конструктивные элементы которого, характеризуемые соответствующими существенными признаками, находятся в конструктивном единстве и функционально взаимосвязаны (находятся в конструктивно-функциональном единстве). Их совместное использование привело к созданию нового устройства с указанным техническим результатом. Конструктивные элементы устройства объединены в единую конструкцию и при его изготовлении соединяются между собой сборочными операциями на предприятии-изготовителе.
На чертеже схематично показана в продольном разрезе конструкция предложенного фильтрующего элемента. Он содержит трубчатый каркас 1 со спиральными прорезями 2. На его поверхности размещена фильтрующая перегородка в виде проволочной намотки 3, образованной спирально намотанной на трубчатый каркас 1 с заданным шагом и натяжением проволокой 4. Проволочная намотка 3 выполнена с превышающим диаметр проволоки 4 шагом с обеспечением возможности фильтрации заданной степени, преимущественно в диапазоне тонкости фильтрования от 1,0 до 100,0 мкм. Величина натяжения проволоки 4, образованного полиградиентным температурным воздействием на проволоку 4 и трубчатый каркас 1, выбрана в пределах от 0,2 до 0,8 величины предела текучести проволоки 4. При этом натяжение проволоки 4 обеспечивается при изготовлении фильтрующего элемента преимущественно за счет охлаждения трубчатого каркаса 1 и одновременного нагрева проволоки 4 при ее намотке с последующим выравниваем их температур. Для этого на охлажденный, например до температуры -20°С, трубчатый каркас 1 с прорезями 2 наматывают с натягом проволоку 4, подогретую, например, до +80°С. Трубчатый каркас 1 выполнен преимущественно из нержавеющей стали. В качестве материала проволоки 4 может быть использована, например, жаропрочная высоколегированная сталь марки 03Х18Н10Т. Диаметр проволоки 4 может составлять от 0,02 до 2 мм, зазор между соседними витками проволоки 4 - от 0,001 до 0,1 мм, шаг проволочной намотки 3 (равный сумме диаметра проволоки 4 и зазора между ее соседними витками) - от 0,021 до 2,1 мм, а ширина спиральных прорезей 2 - от 3,0 до 50,0 мм. Проволочная намотка 3 может быть дополнительно в нескольких точках приварена или припаяна к поверхности трубчатого каркаса 1. Ширина спиральных прорезей 2, диаметр проволоки 4 и шаг проволочной намотки 3 выбраны из условия соотношения ширины спиральных прорезей 2 и шага проволочной намотки 3 преимущественно в пределах от 1,4 до 2400 и условия соотношения диаметра проволоки 4 и шага проволочной намотки 3 преимущественно в пределах от 0,0095 до 95.
Фильтрующий элемент работает следующим образом. Под воздействием потока фильтруемой среды, подаваемой под давлением на фильтрующий элемент с его внешней стороны, в проволочной намотке 3, витки которой представляют собой натянутые струны, возникают автоколебания каждого витка проволоки 4, что обеспечивает при заданном шаге проволочной намотки 3 необходимую проницаемость фильтрующего элемента, а также процесс самоочистки. Очищенная фильтруемая среда через спиральные прорези 2 в трубчатом каркасе 1 попадает внутрь него и со стороны его открытого торца направляется потребителю. При этом для обеспечения высокой эксплуатационной эффективности фильтрующего элемента выбрано сочетание оптимальных связанных между собой условий, характеризующих выполнение спиральных прорезей 2, выполнение проволочной намотки 3 и натяжение проволоки 4, определяющих заданные производительность и степень фильтрования, а также эффективность самоочистки. Выполнение прорезей 2 в трубчатом каркасе 1 спиральными, в отличие от продольных или наклонных прорезей, является наиболее оптимальным - оно увеличивает жесткость трубчатого каркаса 1, что способствует повышению надежности фильтрующего элемента, а также оптимально с точки зрения соотношения общей площади фильтрационной поверхности к его боковой поверхности, что, в свою очередь, важно для обеспечения более высокой производительности фильтрующего элемента. Выполнение проволочной намотки 3 с превышающем диаметр проволоки 4 шагом обеспечивает возможность фильтрации заданной степени и высокую производительность фильтрующего элемента. Высокая жесткость трубчатого каркаса 1 позволяет выполнять намотку проволоки 4 с большим натяжением, обеспечивающим ее более эффективное функционирование в гидродинамическом процессе фильтрования в качестве струны, а также ее более прочное и надежное удержание на поверхности трубчатого каркаса 1. Последнее гарантирует от провисания проволоки 4 при эксплуатации фильтрующего элемента и нарушения ее целостности под действием знакопеременных нагрузок, возникающих при сильной турбулентности потока фильтруемой среды и при промывке обратным потоком фильтруемой среды. Устранение возможности провисания проволоки 4 обеспечивает высокую надежность фильтрующего элемента и высокое качество фильтрования. Выбор необходимой величины натяжения проволоки 4 в пределах от 0,2 до 0,8 величины предела текучести проволоки 4 возможен благодаря полиградиентному температурному воздействию на проволоку 4 и трубчатый каркас 1 при намотке проволоки 4. При этом в результате выравнивания их температур при естественном охлаждении за счет соответствующих растягивающих и сжимающих напряжений трубчатый каркас 1 не деформируется, а проволочная намотка 3 прочно удерживается на нем во время эксплуатации фильтрующего элемента. Выбор наибольшей величины 0,8 обусловлен тем, что превышение этой величины при длительной эксплуатации фильтрующего элемента может привести к необратимой пластической деформации и его разрушению. Выбор наименьшей величины 0,2 обусловлен тем, что в случае меньшего значения при длительной эксплуатации фильтрующего элемента возможно соскальзывание проволоки 4 с трубчатого каркаса 1. Величину натяжения проволоки 4 контролируют в процессе намотки. Если расчетное значение натяжения проволоки 4 при изготовлении фильтрующего элемента в результате воздействия полиградиентного температурного воздействия оказывается меньше 0,2 величины предела текучести проволоки 4, корректируют натяжение проволоки 4 в процессе ее намотки, например, посредством натяжного механизма. Высокая эксплуатационная эффективность фильтрующего элемента таким образом обусловлена возможностью выбора (изменения) степени фильтрации (от 100,0 до 1,0 мкм при перепаде давления от 0,05 до 5,0 МПа) и одновременно повышением его надежности и производительности. Преимущественный выбор соотношения ширины спиральных прорезей 2 и шага проволочной намотки 3 в пределах 1,4-2400 и соотношения диаметра проволоки 4 и шага проволочной намотки 3 в пределах 0,0095-95 обусловлен используемыми значениями ширины спиральных прорезей 2 в пределах 3,0-50,0 мм, шага проволочной намотки 3 в пределах 0,021-2,1 мм и диаметра проволоки 4 в пределах 0,02-2,0 мм. Указанный диапазон значений диаметра проволоки 4 связан с тем, что при диаметре менее 0,02 мм резко снижаются ее прочностные характеристики и уменьшается ресурс работы фильтрующего элемента, а при диаметре более 2,0 мм не обеспечивается высокая производительность фильтрующего элемента и недопустимо увеличиваются его массо-габаритные параметры. Указанный диапазон значений ширины спиральных прорезей 2 связан с тем, что при ширине менее 3,0 мм недопустимо снижается производительность фильтрующего элемента, а при величине более 50,0 мм ухудшается жесткость трубчатого каркаса 1 и повышается вероятность провисания проволоки 4 при фильтровании.
2
2
3
Пример реализации. Фильтрующий элемент предназначен преимущественно для фильтрования воды с тонкостью фильтрования (степенью фильтрации) 3,0-5,0 мкм. Он содержит трубчатый каркас 1 в виде отрезка трубы из нержавеющей стали с внешним диаметром 24 мм и толщиной стенки 1,5 мм, имеющим с одного из торцов герметичное дно. В нем выполнена перфорация в виде 32-х спиральных прорезей (паза) 2 шириной 4 мм. На его поверхности выполнена проволочная намотка 3 проволоки 4 диаметром 0,05 мм с шагом 0,055 мм с использованием полиградиентного температурного воздействия. Расстояние между соседними витками проволоки 4 составило 0,005 мм. Отношение ширины спиральных прорезей 2 к шагу проволочной намотки 3 составило 80. Общая величина натяжения проволоки 4 составила 30 кг/мм, что соответствует 0,5 величины предела текучести проволоки 4. Испытания показали, что при перепаде давления 0,1 МПа тонкость фильтрования соответствовала заданной и составила около 4 мкм при удельной производительности 0,028 л/сек.см, общая производительность составила 3,0 м/час. Испытания подтвердили высокую эксплуатационную эффективность фильтрующего элемента.
Фильтрующий элемент, выполненный в соответствии с полезной моделью, обладает высокой эксплуатационной эффективностью. Он обеспечивает возможность выбора в широких пределах степени фильтрации, а также производительности фильтрования. Он надежен в эксплуатации, позволяет достичь высокой производительности. Он прост по конструкции и технологичен в изготовлении. Может эффективно использоваться как на крупных промышленных, так и на бытовых объектах систем водоподготовки питьевой и технической воды, светлых нефтепродуктов, технических и пищевых спиртов, других жидкостей, а также газов.