Применение центробежного очистителя и самоочищающегося фильтра в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы с жидкой дисперсионной средой

 

Изобретение относится к устройствам для фильтрации с дегазацией жидких сред с твердой дисперсной фазой, содержащих также и газовую фазу в растворенной и/или нерастворенной формах. Преимущественная область применения - фильтрация с дегазацией масла в системах смазки двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения заключается в применении центробежного очистителя и самоочищающегося фильтра, выполненного с возможностью промывки фильтрующей поверхности фильтратом и/или обрабатываемой дисперсной системой с жидкой дисперсионной средой, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет использования фильтрационного эффекта. Смываемые с фильтрующей поверхности компоненты дисперсной фазы отводятся в центробежный очиститель для последующей их утилизации. Техническим результатом изобретения является улучшение дегазации дисперсной системы путем применения известных конструктивных решений для выделения из этой системы нерастворенной и растворенной газовой фазы. 16 з.п.ф-лы.

Изобретение относится к устройствам для фильтрации с дегазацией жидких сред с твердой дисперсной фазой, содержащих также и газовую фазу в растворенной и/или нерастворенной формах. Преимущественная область применения - фильтрация с дегазацией масла в системах смазки двигателей внутреннего сгорания.

Дегазация масла в системах смазки двигателей внутреннего сгорания является актуальной проблемой. С одной стороны, это улучшает эксплуатационные свойства масла, что повышает надежность работы пар трения и продлевает тем самым ресурс двигателя, с другой, уменьшение содержания воздуха в масле повышает стойкость смазки к окислению, а уменьшение содержания других газов задерживает образование в масле кислот при попадании влаги (см., например, EP 0423396 A2, B 01 019/00). Дегазация также способствует продлению срока службы присадок (например, моюще-диспергирующей присадки, расходуемой в том числе и на нейтрализацию уже образовавшихся в масле кислот), что в конечном счете способствует продлению срока службы масла.

Обычные методы дегазации масла транспортного двигателя сводятся к применению либо центробежного очистителя (см., например, SU 1611373 A1, В 01 019/00; SU 1768225 A1, B 01 D 29/62; RU 2001653 C1, В 01 019/00; EP 0423396 A2, В 01 D 19/00), либо пленочного испарителя с подогревом пленки масла (см. US 4227969, B 01 D 3/28; US 4289583, B 01 D 3/28; SU 1582974, B 01 D 19/00). Эти устройства вполне эффективны, но их недостатком является возможность включения лишь на байпасе, а не на полном потоке масла, подаваемого в двигатель.

Для полнопоточной дегазации могут быть использованы обычные фильтры, как это заявлено, например, в следующих охранных документах: SU 1762968 A1, B 01 D 27/00; SU 1762960 A1, B 01 D 19/00; US 5053122, B 01 D 19/00. Однако блокирование газовой фазой пор фильтрующего элемента делает такой подход неэффективным. Его недостатком является необходимость частых замен фильтроэлементов по перепаду давления, ложно интерпретируемому как сигнал о загрязнении фильтра твердыми частицами.

Перспективней использовать для полнопоточной дегазации самоочищающийся фильтр, предлагаемый, например, по US4976754, B 01 D 19/00 или по SU 1768225 A1, B 01 D 29/62. Известное применение самоочищающегося фильтра для дегазации дисперсной системы предполагает задержку фильтрующей поверхностью только нерастворенной газовой фазы с размерами пузырьков газа, более чем размер пор фильтрующей среды. Проблемой является отделение наряду с нерастворенной газовой фазой также и растворенной, которая может выделяться из масла в парах трения и переходить в нерастворенное состояние при уменьшении давления в рабочей жидкости. Именно растворенная газовая фаза (кислород) химически взаимодействует с маслом, вызывая его окисление, или с водой (в случае двуокиси серы), образуя кислоты, которые приводят к коррозионным разрушениям подшипников.

Целью изобретения является улучшение дегазации дисперсной системы путем применения известных конструктивных решений для выделения из этой системы нерастворенной и растворенной газовой фазы.

Эта цель достигается применением центробежного очистителя и самоочищающегося фильтра, выполненного с возможностью промывки фильтрующей поверхности фильтратом и/или обрабатываемой дисперсной системой с жидкой дисперсионной средой и по меньшей мере с твердой дисперсной фазой, содержащего по меньшей мере один отвод смываемых с этой поверхности компонентов дисперсной фазы, сообщенный со входом центробежного очистителя, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет газовыделения на элементах фильтрующей поверхности и/или на частицах твердой дисперсной фазы при их задержке фильтрующей поверхностью.

Кроме того, указанная цель может достигаться применением указанных очистителя и фильтра, причем фильтр выполнен с возможностью уменьшения завоздушивания фильтрующей поверхности в процессе ее работы, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения газоотвода из фильтра.

Достижению цели способствует также применение указанных очистителя и фильтра, в котором фильтрующая поверхность выполнена ситовой, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

Положительный эффект обеспечивает и применение указанных очистителя и фильтра, в котором фильтрующая поверхность выполнена электроизолированной от корпуса фильтра, а дисперсионная среда является диэлектрической, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

Дополнительное улучшение получаем применением указанных очистителя и фильтра, причем последний выполнен с возможностью уменьшения концентрационной поляризации твердой дисперсной фазы, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет противодействия уменьшению поверхности задержанной твердой фазы и улучшения промывки фильтрующей поверхности.

Поставленная цель достигается также применением указанных очистителя и фильтра, причем фильтрующая поверхность выполнена в виде каналов с проницаемой боковой стенкой, окруженных полостью фильтрата, а фильтр выполнен с возможностью интенсификации промывки фильтрующей поверхности путем использования особенностей гидродинамики указанных каналов в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки этой фильтрующей поверхности.

Решение поставленной задачи обеспечивается еще и применением указанных очистителя и фильтра, причем фильтрующая поверхность выполнена в виде каналов с проницаемой боковой стенкой, окруженных полостью фильтрата, а фильтр выполнен с возможностью интенсификации промывки фильтрующей поверхности путем увеличения среднего значения продольной скорости потока смываемых компонентов дисперсной фазы внутри каналов в цикле их промывки и/или усиления турбулизации этого потока, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

Дополнительное улучшение достигается применением указанных очистителя и фильтра, если центробежный очиститель имеет реактивный привод ротора и выполнен с возможностью обеспечения питания сопел привода жидкостью, насыщенной фугированной в роторе газовой фазой, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения газоотделения при выходе жидкости из сопел привода.

Десорбция растворенной газовой фазы улучшается применением указанных очистителя и фильтра, когда центробежный очиститель выполнен с возможностью газоотделения при пленочном течении жидкости, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения газоотвода.

Поставленная цель достигается также применением указанных очистителя и фильтра в качестве средства улучшения дегазации при переменном давлении дисперсной системы, в частности при дегазации масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания, особенно когда двигатель выполнен с возможностью его использования при переменной частоте вращения коленчатого вала, а масляный насос системы смазки выполнен с приводом от этого двигателя.

Достижение поставленной цели обеспечивается также применением указанных очистителя и фильтра, причем отвод смываемых компонентов дисперсной фазы сообщен со входом центробежного очистителя через регулирующий вентиль, выполненный с возможностью регулирования давления масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания, в качестве средства улучшения дегазации масла за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

Дополнительное улучшение обеспечивается применением указанных очистителя и фильтра, причем центробежный очиститель выполнен с нереактивным приводом ротора, в качестве средства улучшения дегазации масла за счет обеспечения независимой от режимов двигателя работы указанного очистителя, в частности когда сепаратор имеет автономные насос и привод.

Применение указанных очистителя и фильтра в качестве средства увеличения эксплуатационного ресурса двигателя за счет улучшения эксплуатационных свойств масла обеспечивает сопутствующий эффект. Дополнительный эффект обеспечивается применением указанных очистителя и фильтра в качестве средства увеличения ресурса работы масла до замены за счет повышения стойкости масла к окислению и/или замедления срабатывания присадок.

Хорошо известно (см., например, Тимиркеев Р. Г., Сапожников В. М. Промышленная чистота и тонкая фильтрация рабочих жидкостей летательных аппаратов. - М. : Машиностроение, 1986. - 152 с.) явление фильтрационного эффекта, заключающееся в непрерывном увеличении гидравлического сопротивления частично загрязненной фильтрующей поверхности при продолжении прокачки жидкости после того, как загрязнитель уже отфильтрован. Остановка процесса фильтрации и некоторая выдержка во времени приводят к тому, что сопротивление фильтра восстанавливается до значения, соответствующего степени загрязнения фильтрующей поверхности.

Причина этого состоит в следующем. В связи с большой подвижностью своих молекул газ в жидкости всегда присутствует в растворенном виде. Одновременно газ в жидкой среде, содержащей твердую дисперсную фазу, может существовать в виде мельчайших, порядка долей микрона, газовых зародышей, адсорбированных на поверхности микропримесей. Поскольку на практике частицы микропримесей, прежде чем попасть в жидкость, контактируют с газовой средой (например, в случае процесса загрязнения масла продуктами неполного сгорания топлива в дизеле), то подавляющая часть твердой фазы содержит газовые зародыши. Эти зародыши становятся центрами газовыделения при различных возмущениях в жидкости. Причем, как указывают Тимиркеев Р. Г. и Сапожников В. М., выделение газа резко увеличивается на границе "жидкость - твердое тело", в том числе и на элементах фильтрующей среды с развитой удельной поверхностью. Резкое увеличение скорости движения жидкости относительно твердых частиц при их задержке фильтрующей поверхностью, а также относительно элементов самой поверхности при уменьшении ее живого сечения по мере засорения, вызывает активное газовыделение и является причиной фильтрационного эффекта.

Поскольку в самоочищающемся фильтре предусмотрен механизм постоянной или циклической промывки фильтрующей поверхности, то такой фильтр является подходящим устройством для позитивного использования фильтрационного эффекта с целью стимулирования перехода газа из растворенного состояния в нерастворенное на этой поверхности и удаления газовой фазы вместе с твердой. Если отвод смываемых с фильтрующей поверхности компонентов дисперсной фазы сообщить с центробежным очистителем (непосредственно с помощью канала или через емкость, в которую поступает поток смываемых в фильтре загрязнений), то получим возможность завершить дальнейшее разделение и утилизацию твердой и газовой составляющих дисперсной фазы.

Дополнительным фактором, свидетельствующим в пользу применения для указанной цели самоочищающегося фильтра, является относительно малая площадь поверхности фильтрации по сравнению со случаем использования сменных фильтроэлементов. Это обстоятельство позволяет быстрее вызвать фильтрационный эффект даже при незначительном загрязнении поверхности и обеспечить работу самоочищающегося фильтра в постоянном режиме газоотделения.

Использование фильтрационного эффекта в самоочищающемся фильтре для стимулирования газовыделения из дисперсной системы с последующей раздельной утилизацией компонентов дисперсной фазы и является характеристикой применения по новому назначению, "отвечающей" за достигаемый технический результат.

Если самоочищающийся фильтр выполнен с возможностью уменьшения завоздушивания фильтрующей поверхности, как это предусмотрено, например, в SU 1839738 A4, B 01 D 37/04 (см. также US 4976754, B 01 D 19/00; SU 814781, B 01 D 29/62; RU 2035205, B 01 D 35/12), то такое решение, облегчая газоотвод с этой поверхности, улучшает ее регенерацию и обеспечивает работу фильтра при меньшем перепаде давления.

Наилучшей способностью к регенерации обладает ситовая фильтрующая среда, поскольку, задержка ею частиц дисперсной фазы осуществляется на поверхности. Примером может служить фильтр по SU 1813008 A3, B 01 D 29/62.

Когда дисперсионная среда является диэлектрической, выгодно электроизолировать фильтрующую поверхность от корпуса фильтра. В этом случае задержанная поверхностью дисперсная фаза и сама фильтрующая поверхность приобретают электрический заряд одного знака, что облегчает промывку поверхности в режиме ее регенерации обратным током фильтрата или фильтруемой дисперсной системой. Такое решение, уменьшающее адгезию дисперсной фазы к фильтрующей среде, используется, например, в SU 1124487 A1, B 01 D 37/04.

Дополнительное улучшение дегазации за счет противодействия уменьшению поверхности твердой дисперсной фазы дает выполнение фильтра с возможностью уменьшения концентрационной поляризации твердых частиц на фильтрующей поверхности. Противодействие уплотнению между собой задержанных твердых частиц сохраняет возможность омывания жидкостью большинства компонентов твердой фазы, что эффективно поддерживает работу фильтрационного эффекта. Типичным случаем является фильтр с тангенциальной фильтрацией по меньшей мере части потока дисперсной системы. Конструкция подобного фильтра описана в SU 1813008 A3, B 01 D 29/62.

Если фильтрующая поверхность выполнена в виде каналов с проницаемой боковой стенкой, окруженных полостью фильтрата, а фильтр выполнен с возможностью интенсификации промывки фильтрующей поверхности путем использования особенностей гидродинамики указанных каналов (см. RU2035205C1, B 01 D 35/12), то такое конструктивное решение улучшает промывку фильтрующей поверхности от газовой фазы и ускоряет ее отвод на утилизацию. Применение такого фильтра дополнительно улучшает дегазацию дисперсной системы.

Интенсификацию очистки фильтрующих каналов указанного типа можно обеспечить увеличением в цикле промывки средней скорости продольного потока смываемых внутри канала компонентов дисперсной фазы с активной турбулизацией этого течения, либо простым увеличением турбулентности данного транзитного потока. Самоочищающийся фильтр подобного типа описан, например, в статье "Back - Flushing Lube Filter introduced for smaller engines" журнала DIESEL & GAS TURBINE WORLDWIDE. December, 1994, p. 21. Применение такого фильтра по предлагаемому назначению дополнительно улучшает дегазацию дисперсной системы за счет улучшения газоотвода от очищаемой среды, поступающей после очистки к потребителю.

В процессе фугирования смытых компонентов дисперсной фазы происходит оттеснение газовых пузырьков к центру вращения ротора центробежного очистителя. Если привод ротора очистителя выполнен реактивным, то питание сопел привода жидкостью, насыщенной газовыми пузырьками, улучшает десорбцию растворенных газов из дисперсионной среды и ускоряет разрушение этих пузырьков при переходе скачка давления на выходе жидкости из сопел. Такое укрупнение нерастворенной газовой фазы и ее разрушение позволяют ускорить процесс дальнейшей утилизации газа, освободить фугат от газовых компонентов и в конечном счете улучшить дегазацию дисперсной системы. Примером конструкции центробежного очистителя такого типа является решение по SU 1768225 A1, B 01 D 29/62.

Наряду с указанным способом газоотвода в центробежном очистителе может быть применен и способ дальнейшей дегазации при пленочном течении жидкости (см., например, SU 1611373 A1, B 01 D 19/00). Использование газоотделения из жидкости в режиме пленочного ее течения дополнительно улучшает дегазацию дисперсной системы.

Поскольку растворимость газов в жидкости пропорциональна давлению, то применение указанных очистителя и фильтра при уменьшающемся давлении обрабатываемой дисперсной системы, когда жидкая дисперсионная среда становится перенасыщенной, способствует укрупнению газовых пузырьков, образовавшихся на фильтрующей поверхности. Это улучшает десорбцию растворенных газов и облегчает промывку поверхности в режиме ее регенерации. Если же давление увеличивается, то процесс укрупнения пузырьков замедляется, но не прекращается. Работа устройства дегазации на этом участке цикла изменения давления может продолжаться в режиме фильтрации, но без запуска механизма самоочистки. Последующее уменьшение давления в дисперсной системе будет приводить к интенсивному росту размеров не только газовых пузырьков, уже образовавшихся на поверхности фильтрации, но и пузырьков на находящихся в жидкости твердых частицах, что ускорит процесс их фиксации на фильтрующей поверхности за счет обычного механизма задержки. Таким образом, циклическое изменение давления обрабатываемой дисперсной системы также улучшает ее дегазацию.

Описанный процесс дегазации при переменном давлении характерен для работы указанных очистителя и фильтра в системе смазки транспортного двигателя внутреннего сгорания, когда масляный насос системы смазки выполнен с приводом непосредственно от этого двигателя, а последний выполнен с возможностью его использования при переменной частоте вращения коленчатого вала (см. RU 2029106, F 01 M 1/10; RU 2015354, F 01 M 1/10).

Рост давления в системе смазки может ограничиваться путем использованием клапанов, открываемых либо давлением на выходе масла из насоса, либо давлением внутри самоочищающегося фильтра, или давлением на входе в дизель (см. "Разработка методов гидравлического расчета внешних систем смазки и фильтров масла форсированных дизелей" - Автореф. канд. дисс. - М., 1984, 16 стр., а также SU 1232126, B 01 D 27/00). Если выход такого регулирующего вентиля сообщен со входом центробежного очистителя, а вход вентиля - с выходом потока самоочистки (смываемых в самоочищающемся фильтре загрязнений), то появляется возможность использовать избыточный расход масла для интенсификации промывки фильтрующей поверхности при одновременном ограничении роста давления в системе. При увеличении проходного сечения вентиля увеличивается расход фильтрата на регенерацию фильтрующей поверхности ("шоковая" промывка) без ущерба для маслоснабжения двигателя. Подобный режим улучшает дегазацию масла за счет более активного отвода дисперсной газовой фазы из системы смазки.

Когда двигатель внутреннего сгорания используется во всем диапазоне изменений частоты вращения коленчатого вала, давление масла уменьшается на малых нагрузках. Это делает неэффективной работу центробежного очистителя с реактивным приводом ротора. Выгоднее использовать очиститель с нереактивным приводом ротора, делающим независимым дегазацию масла в центробежном фильтре от режимов работы дизеля. Обычное в таких случаях решение - использование центробежного сепаратора с автономным электрическим приводом ротора и автономным насосом (см. RU 2015354, F 01 M 1/10).

Полнопоточная дегазация масла улучшает его эксплуатационные свойства, так как уменьшается сжимаемость смазки, что благоприятно сказывается на работе пар трения в двигателе и на работе гидроавтоматики в связи с повышением ее быстродействия. Этим продлевается эксплуатационный ресурс двигателя.

Уменьшение воздухо- и газосодержания в масле продлевает срок службы смазки до замены за счет уменьшения темпов окисления масла и срабатывания легирующих присадок.

В ходе патентных исследований не было обнаружено предлагаемое применение центробежного очистителя и самоочищающегося фильтра, обеспечивающее достижение указанного технического результата.

Формула изобретения

1. Применение центробежного очистителя и самоочищающегося фильтра, выполненного с возможностью промывки фильтрующей поверхности фильтратом и/или обрабатываемой дисперсной системой с жидкой дисперсионной средой и по меньшей мере с твердой дисперсной фазой, содержащего по меньшей мере один отвод смываемых с этой поверхности компонентов дисперсной фазы, сообщенный с входом центробежного очистителя, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет газовыделения на элементах фильтрующей поверхности и/или на частицах твердой дисперсной фазы при их задержке фильтрующей поверхностью.

2. Применение очистителя и фильтра по п.1, причем фильтр выполнен с возможностью уменьшения завоздушивания фильтрующей поверхности в процессе ее работы, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения газоотвода из фильтра.

3. Применение очистителя и фильтра по п.1 или 2, причем фильтрующая поверхность выполнена ситовой, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки указанной поверхности.

4. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов, причем фильтрующая поверхность выполнена электроизолированной от корпуса фильтра, а дисперсионная среды является диэлектрической, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

5. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов, причем фильтр выполнен с возможностью уменьшения концентрационной поляризации твердой дисперсной фазы, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет противодействия уменьшению поверхности задержанной твердой фазы и улучшения промывки фильтрующей поверхности.

6. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов, причем фильтрующая поверхность выполнена в виде каналов с проницаемой боковой стенкой, окруженных полостью фильтрата, а фильтр выполнен с возможностью интенсификации процесса промывки фильтрующей поверхности путем использования особенностей гидродинамики указанных каналов, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

7. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов, причем фильтрующая поверхность выполнена в виде каналов с проницаемой боковой стенкой, окруженных полостью фильтрата, а фильтр выполнен с возможностью интенсификации процесса промывки фильтрующей поверхности путем увеличения среднего значения продольной скорости потока смываемых компонентов дисперсной фазы внутри каналов в цикле их промывки и/или усиления турбулизации этого потока, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

8. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов, причем центробежный очиститель имеет реактивный привод ротора и выполнен с возможностью обеспечения питания сопл привода жидкостью, насыщенной фугированной в роторе газовой фазой, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения газоотделения при выходе жидкости из сопл привода.

9. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов, причем центробежный очиститель выполнен с возможностью газоотделения при пленочном течении жидкости, в качестве средства улучшения дегазации дисперсной системы за счет улучшения газоотвода.

10. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов в качестве средства улучшения дегазации при переменном давлении дисперсной системы.

11. Применение очистителя и фильтра по любому из предыдущих пунктов в качестве средства улучшения дегазации масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания.

12. Применение очистителя и фильтра по пп.10 и 11, причем двигатель выполнен с возможностью его использования при переменной частоте вращения коленчатого вала, а масляный насос системы смазки выполнен с приводом от этого двигателя, в качестве средства улучшения дегазации масла.

13. Применение очистителя и фильтра по п.11 или 12, причем отвод смываемых компонентов дисперсной фазы сообщен с входом центробежного очистителя через регулирующий вентиль, выполненный с возможностью регулирования давления масла в системе смазки двигателя внутреннего сгорания, в качестве средства улучшения дегазации масла за счет улучшения промывки фильтрующей поверхности.

14. Применение очистителя и фильтра по п.13, причем центробежный очиститель выполнен с нереактивным приводом ротора, в качестве средства улучшения дегазации масла за счет обеспечения независимой от режимов двигателя работы указанного очистителя.

15. Применение очистителя и фильтра по п.14, причем центробежный очиститель выполнен в виде сепаратора с автономным насосом и приводом, в качестве средства улучшения дегазации масла.

16. Применение очистителя и фильтра по любому из пп.11 - 15 в качестве средства увеличения эксплуатационного ресурса двигателя за счет улучшения эксплуатационных свойств масла.

17. Применение очистителя и фильтра по любому из пп.11 - 16 в качестве средства увеличения ресурса работы масла до замены за счет повышения стойкости масла к окислению и/или замедления срабатывания присадок.