Коалесцентный фильтр-осушитель

 

Изобретение относится к устройствам для очистки и осушки сжатого воздуха и позволяет повысить надежность очистки сжатого воздуха от водомаслянных аэрозолей и туманов, произвести осушку сжатого воздуха, повысить долговечность основного фильтрующего элемента, снизить материалоемкость аппарата. Полость основного фильтрующего элемента коалесцентного фильтра-осушителя разделена подвижным поршнем с уплотнительным кольцом, манжетой и с препятствующей свободному перемещению поршня пружиной малой жесткости, при этом основной фильтрующий элемент выполнен из керамики или металлокерамики. Для сепарации жидких загрязнителей установлены элементы центробежного фильтра-влагоотделителя: завихритель, дефлектор и отражатель. При подаче сжатого воздуха в входной канал коалесцентного фильтра-осушителя поршень в зависимости от величины давления и настройки пружины начинает перемещаться в полости основного фильтрующего элемента. Жидкие загрязнители после коагуляции и конденсации паров стекают к завихрителю, пройдя который капельная влага стекает вниз вдоль стенки резервуара, а очищенный воздух подается к выходному каналу. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области пневматического оборудования, в частности к устройствам для очистки и осушки сжатого воздуха в пневмоприводах с повышенными требованиями к чистоте сжатого воздуха, и может быть использовано в промышленных пневматических линиях подготовки сжатого воздуха в различных отраслях промышленности.

Целью изобретения является повышение надежности очистки сжатого воздуха от водомасляных аэрозолей и туманов, осушка сжатого воздуха, повышение долговечности основного фильтрующего элемента, снижение материалоемкости аппарата.

На чертеже изображен общий вид коалесцентного фильтра-осушителя.

Фильтр содержит корпус 1 с входным каналом 2 и выходным каналом 3, резервуар 4 для сбора конденсата, выполненный из прозрачного материала. Между корпусом 1 и резервуаром 4 помещена перегородка 5 с уплотнительным кольцом 6, отделяющие полость неочищенного воздуха корпуса от резервуара 4. Соосно корпусу 1 и резервуару 4 размещена центральная труба 7 с втулкой 6 и уплотнительным кольцом 9, герметично отделяющие выходной канал 3 от входного канала 2. На центральной трубе 7 установлен поршень 10 с уплотнительным кольцом 11 и манжетой 12. Под поршнем установлена пружина малой жесткости 13. Коаксиально центральной трубе 7 на прокладке 14 установлен основной фильтрующий элемент 15, изготовленный из мелкодисперсного металлического порошка или керамики. Коаксиально основному фильтрующему элементу 15 установлен вспомогательный фильтрующий элемент 16, изготовленный из волокнистого материала. По торцам оба фильтрующих элемента зажаты между перегородкой 5 и центробежным завихрителем потока 17, разделяющим резервуар на две части. Место сопряжения завихрителя 17 с центральной трубой 7 уплотнено кольцом 18. Для прикрытия входа в центральную трубу 7 в радиальном направлении установлен дефлектор 19. Набор деталей 14. . . 19 закреплен гайкой 20. Нижняя часть резервуара 4 отгорожена отражателем 21. На донышке резервуара 4 установлен конденсатоотводчик 22.

Коалесцентный фильтр-осушитель работает следующим образом.

Сжатый воздух, поданный в канал 2, воздействует на поршень 10, при этом манжета 12 разжимается по наружному диаметру, разделяя основной фильтрующий элемент на две зоны: над манжетой - зона очистки, под манжетой - застойная зона. Свободному перемещению вниз препятствует пружина малой жесткости 13, усилие которой выбрано таким образом, чтобы во всем диапазоне давлений и скоростей сжатого воздуха, обеспечиваемым данным коалесцентным фильтром-осушителем, скорость прохода воздуха через поровый канал фильтрующего элемента оставалась постоянной, если силы сжатого воздуха оказывается достаточно, чтобы преодолеть сопротивление пружины 13, поршень 10 начинает перемещаться открывая проход сжатого воздуха через фильтрующий элемент 15. Благодаря пористой структуре фильтрующего элемента под поршнем 10 также появляется избыточное давление, в результате чего поршень во время работы находится в каком-то взвешенном приоткрытом состоянии, уровень открытия находится в прямой зависимости от объемов проходящего через фильтрующий элемент сжатого воздуха.

Подвижный поршень с пружиной во взаимодействии с основным фильтрующим элементом образует переменный дроссель, обеспечивающий определенное сопротивление фильтрующего элемента проходящему потоку сжатого воздуха, то есть обеспечивает постоянство скорости потока сжатого воздуха в паровом канале фильтрующего элемента.

Движение сжатого воздуха в коалесцентном фильтре, при установившемся рабочем режиме, можно считать стационарным, так как сжатый воздух стационарно переходит в коалесцентном фильтре от одного давления к другому без теплового обмена с окружающей средой. Так как движение такого потока в заявляемом коалесцентном фильтре-осушителе при прохождении через основной фильтрующий элемент происходит с заданным сопротивлением, обеспечиваемым жесткостью пружины, то реализуется эффект Джоуля-Томсона, приводящий к местному изменению температуры сжатого воздуха на выходе из основного фильтрующего элемента. Для воздуха (в режимах эксплуатации заявляемого коалесцентного фильтра-осушителя) характерно снижение температуры, в результате чего происходит частичная конденсация растворенных в сжатом воздухе паров воды. Величина изменения температуры сжатого воздуха при таком расширении зависит не только от его молекулярных свойств, но и от величины давления до и после расширения размера пор основного фильтрующего элемента и т. д. Экспериментально были определены размеры основного фильтрующего элемента относительно резервуара, в котором он установлен, его площадь в поперечном сечении составила 30% от площади внутреннего поперечного сечения резервуара.

Экспериментальным путем были определены оптимальное усилие сжатия пружины подвижного поршня, обеспечивающее падение давления на основном фильтрующем элементе 0,03-0,04 МПа, необходимая абсолютная тонкость фильтрации основного фильтрующего элемента, составляющая 2-4 мкм, обусловленная молекулярными свойствами воздуха и энергетическими затратами (тонкость фильтрации 2-4 мкм обеспечивает проскок через фильтрующий элемент частиц размером до 3 мкм, соизмеримых с длиной свободного пробега молекул воздуха (до 2 мкм), т. е. в поровых каналах при этом обеспечиваются еще достаточно большие силы взаимодействия между молекулами.

Снижение тонкости фильтрации ниже этого предела не приводит к значительному увеличению эффекта очистки, но увеличивает потери давления на фильтрующем элементе.

В связи с возникновением теплового градиента и перераспределением энергии в поровых каналах основного фильтрующего элемента при достаточно больших силах взаимодействия между молекулами воздуха коагуляция водомасляных аэрозолей и туманов стала проходить по следующим механизмам: Тепловая коагуляция (отличная от Броуновской тепловой коагуляции), обусловленная наличием теплового градиента, обеспечивающего направленное движение частиц, которое, как и процесс коагуляции, способствует осаждению частиц и мало зависит от природы аэрозоля.

Градиентная коагуляция, обусловленная наличием поперечного градиента скорости сжатого воздуха в потоке.

Турбулентная коагуляция, обусловленная турбулентными пульсациями потока сжатого воздуха, так как поток сжатого воздуха при входе в фильтрующий элемент резко меняет свое направление, то турбулентное перемешивание его происходит полнее, а значит и полнее проявляется турбулентная коагуляция.

Все эти механизмы проявляются тем активнее, чем выше скорость прохождения сжатого воздуха через поровый канал фильтрующего элемента. Подобных условий невозможно добиться в волокнистых фильтрах, что связано с их ограниченной прочностью и со структурой.

Посредством эффекта Джоуля-Томсона удалось выделить пары воды, растворенные в сжатом воздухе, до точки росы, более чем на 10^оС ниже температуры сжатого воздуха в системе. Возникшие при этом механизмы коагуляции позволили проводить высокоэффективную очистку сжатого воздуха от водомасляных аэрозолей и туманов. Увеличение скорости в поровом канале основного фильтрующего элемента происходит к повышению эффективности коалесцентного фильтра-осушителя по всем параметрам. С увеличением длительности эксплуатации эффективность предлагаемого коалесцентного фильтра-осушителя возрастает в связи с некоторым уменьшением диаметра пор из-за их запыления и соответствующим увеличением скорости в поровом канале фильтрующего элемента.

Циклические колебания величины расхода сжатого воздуха приводят к циклическому колебанию поршня в фильтрующем элементе, что способствует стряхиванию вниз налипшего на стенки фильтрующего элемента автослоя из твердых частиц.

Далее, пройдя основной фильтрующий элемент 15, в поровых каналах которого происходит коагуляция аэрозольных частиц по указанным механизмам, а на выходе фильтрующего элемента конденсация паров воды из сжатого воздуха (значительного обратного перехода воды в парообразное состояние не происходит), сжатый воздух с укрупненными жидкими загрязнителями попадает на макро- и открытопористый фильтрующий элемент 16, где происходит гашение скорости укрупненных жидких частиц, которые, задерживаясь на фильтрующем элементе 16 по мере его насыщения, стекают к завихрителю 17, в то время как сжатый воздух через фильтрующий элемент 16 проходит беспрепятственно и также движется к завихрителю 17. Пройдя завихритель 17, сжатый воздух приобретает вращательное движение. Вращаясь, сжатый воздух, содержащий укрупненные загрязнители, под действием осевой скорости движется вниз по стенке резервуара 4 для сбора конденсата. Благодаря переходу части сжатого воздуха из внешних слоев во внутренние, что происходит в результате радиального движения частиц сжатого воздуха, направленного в основном от периферии к центру, поток сжатого воздуха начинает выходить через центральное отверстие трубы 7 и далее поступает в канал 3 для выхода сжатого воздуха, при этом капельная влага, содержащаяся в сжатом воздухе, равномерно растекается по периметру стенки резервуара 4 и под действием центробежных сил продолжает безотрывное вращательное и поступательное движение вдоль стенки резервуара 4 в застойную зону, образованную отражателем 21, откуда периодически удаляется конденсатоотводчиком 22.

Наличие высокоэффективного завихрителя 17 способствует более полному удалению капельной влаги из сжатого воздуха, чем при обычных способах удаления влаги из коалесцентных фильтров, при этом эффективность влагоотделения не зависит от скорости проходящего потока и от концентрации влаги. Дефлектор 19 служит для предохранения от случайного попадания капельной влаги в центральное отверстие трубы 7 в момент подачи сжатого воздуха в коалесцентный фильтр-осушитель.

При прекращении подачи сжатого воздуха манжета 12 сжимается под действием остаточного избыточного давления, а пружина 13 возвращает поршень 10 в исходное состояние. При повторении цикла разжимающаяся по наружному диаметру манжета при движении поршня 10 вниз счищает налипшие твердые загрязнители на основной фильтрующий элемент, которые осыпаются вниз.

По сравнению с прототипом предлагаемый коалесцентный фильтр-осушитель позволяет повысить надежность очистки сжатого воздуха от водомасляных аэрозолей и туманов за счет устранения зависимости эффективности очистки от скорости проходящего потока и за счет более качественного удаления жидких загрязнителей, выделенных основным фильтрующим элементом, центробежным завихрителем в широком диапазоне их концентраций; произвести осушку сжатого воздуха за счет обеспечения эффекта Джоуля-Томсона на основном фильтрующем элементе, приводящем к местному снижению температуры и конденсации паров; повысить долговечность основного фильтрующего элемента за счет использования регенерируемого с неограниченной водомаслоемкостью керамического или металлокерамического фильтрующего элемента, снизить материалоемкость аппарата за счет использования регенерируемого фильтрующего элемента из керамики или металлокерамики, снизить материальные затраты при подготовке сжатого воздуха к коалесцентной очистке благодаря устранению необходимости качественной очистки воздуха перед коалесцентной очисткой, что может дать экономию в народном хозяйстве при эксплуатации предложенного коалесцентного фильтра-осушителя в промышленных пневматических линиях. (56) Патент ФPГN 2118707, кл. В 01 D 49/00, 1973.

Формула изобретения

1. КОАЛЕСЦЕНТНЫЙ ФИЛЬТР-ОСУШИТЕЛЬ , содеpжащий коpпус с входным каналом, последовательно гидpавлически связанным чеpез коаксиально pасположенные основной, вспомогательный фильтpующие элементы и центpальную тpубу с выходным каналом, pезеpвуаp для сбоpа конденсата, конденсатоотводчик, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности очистки сжатого воздуха от водомасляных аэpозолей и туманов, осушки сжатого воздуха, повышения долговечности основного фильтpующего элемента, снижения матеpиалоемкости, он снабжен pасположенным в полости между основным фильтpующим элементом и центpальной тpубой поpшнем, установленным с возможностью пеpемещения, и соединенной с ним пpужиной, основной фильтpующий элемент выполнен из кеpамики или металлокеpамики.

2. Фильтp-осушитель по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен установленными на пути движения потока от вспомогательного фильтpующего элемента к входу в центpальную тpубу завихpителем, дефлектоpом, отpажателем.

РИСУНКИ

Рисунок 1