Аэрозольный фильтрующий элемент

Аэрозольный фильтрующий элемент

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к устройствам для фильтрования воздуха от аэрозолей в различных системах жизнеобеспечения замкнутых объемов транспортных средств, таких как кабины автомобилей, герметичные автомобильные кузова, салоны самолетов и т.д.

Известен воздушный очиститель воздуха, имеющий встроенный сорбционный элемент, содержащий снабженный подающим и выходным патрубками герметичный корпус, в котором размещен аэрозольный фильтрующий элемент, состоящий из гидрофобного и гидрофильного фильтров. Содержащий жидкие и пылевидные аэрозоли исходный воздух последовательно проходит через гидрофильный, а затем гидрофобный фильтры (патент США №6152996, МПК В 01 D 053/004, 2000 г.).

В таком аэрозольном фильтрующем элементе все частицы аэрозолей задерживаются фильтрующими слоями, т.е. фильтрация происходит с постоянным накоплением задерживаемых частиц. Это устройство характеризуется нестабильностью работы, обусловленной переменными проницаемостью и селективностью фильтрующих слоев: в начальный период работы селективность минимальна при максимальной проницаемости фильтрующих слоев. В процессе фильтрования селективность фильтрующих слоев возрастает за счет оседания на фильтрующих поверхностях задерживаемых частиц, но при этом возрастает динамическое сопротивление слоев потоку газа и уменьшается их проницаемость, что вызывает уменьшение производительности устройства.

Другим существенным недостатком известного устройства является невозможность эффективной регенерации фильтрующих слоев из-за их последовательного соединения: при обратноточной продувке задерживаемые частицы из одного фильтрующего слоя могут переходить во второй. Накопление задерживаемых частиц в фильтрующих слоях ведет к выходу аэрозольного фильтрующего элемента из строя, что при фильтровании аэрозолей, содержащих токсичные или радиоактивные вещества, недопустимо из-за опасности заражения обслуживающего персонала при эксплуатации и при дезактивации фильтрующего устройства. Кроме того, такие фильтры является пожароопасными при накоплении горючих и способных к самовозгоранию веществ.

От этих недостатков свободен очищаемый аэрозольный фильтрующий элемент, основанный на мембранном методе фильтрования газов. Фильтрующий элемент установлен в корпусе, который снабжен патрубком подачи очищаемого газа, патрубком отвода очищенного газа и патрубком сброса концентрата. При мембранном методе фильтрования воздуха очищенный от аэрозолей воздух под действием перепада давления над и под мембраной проходит сквозь поры мембраны, а задерживаемые частицы, не пособные из-за своих размеров пройти сквозь поры мембраны, сбрасываются из фильтрующего устройства. Так как мембрана в фильтрующем элементе является эластичным элементом, авторы известного технического решения предлагают использовать для очистки мембраны от отложений задерживаемых частиц методы обратноточной продувки и воздействие вибрации на отложения на мембране (патент США №5928414, МПК В 01 D 029/66, 1999 г.).

Однако первый метод (обратноточная продувка) недостаточно надежен, так как вызывает знакопеременные нагрузки на мембрану и при длительной эксплуатации приводит к разрушению сварного либо клеевого шва мембраны. Это может произойти также и при применении рекомендуемого авторами вибрационного метода очистки. Другим недостатком вибрационного метода является сложность удаления отложений из мембранного фильтрующего элемента, содержащего большое количество мембран, так как при их очистке происходит образование новых отложений на других участках мембран. Невозможность эффективной регенерации мембран приводит к снижению их проницаемости, что в свою очередь уменьшает производительность и срок службы мембранных элементов.

Известно также устройство для фильтрования воздуха, содержащее корпус с тангенциальным вводом очищаемого воздуха и установленным внутри аэрозольным фильтрующим мембранным элементом. Корпус снабжен патрубком подачи очищаемого газа, патрубком отвода очищенного газа и патрубком сброса концентрата (заявка ЕПВ №1155729, МПК D 01 D 53/047, 2001 г.).

Недостатком известного устройства является то, что сброс загрязненного воздуха осуществляют из полости, заключенной между корпусом и внешней поверхностью коалесцирующего фильтра, как это показано на фиг.3 описания изобретения к заявке ЕПВ №1155729. Это приводит к засорению дренажных отверстий, что может привести к их запиранию и выходу из строя фильтрующего устройства, так как оно неспособно эффективно работать в тупиковом режиме из-за малой грязеемкости.

Известен аэрозольный фильтрующий элемент, используемый в устройстве для фильтрования воздуха, содержащий гидрофильный фильтр, выполненный в виде перфорированной обечайки, на внешней поверхности которой установлена коалесцирующая оболочка, заключенная в сетчатый кожух. Концы перфорированной обечайки выполнены с резьбой, на которой установлены крышки, между которыми внутри обечайки установлен гидрофобный фильтр тонкой очистки, например в виде мембранного элемента. Гидрофобный фильтр снабжен патрубком отвода очищенного воздуха (адаптером). Между гидрофильным и гидрофобным фильтрами установлены упругие элементы (патент РФ №2224579, МПК В 01 D 46/00, 2004 г.).

Недостатком такого фильтрующего элемента является повышенное сопротивление коалесцирующей оболочки при эксплуатации при пониженной температуре, когда жидкие компоненты аэрозолей (вода в первую очередь) находятся в твердом состоянии, покрывая внешнюю поверхность коалесцирующей оболочки слоем, вызывающим увеличение сопротивления движению воздушного потока. При последующем разогреве воздушного потока пористая структура коалесцирующей оболочки замедляет его высыхание и удаление влаги, что снижает производительность фильтрующего элемента на продолжительное время.

Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей аэрозольного фильтрующего элемента, повышение производительности и увеличение срока службы фильтрующего элемента.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении работоспособности аэрозольного фильтрующего элемента при очистке воздуха при пониженных температурах и высокой влажности.

Технический результат достигается тем, что в аэрозольном фильтрующем элементе, содержащем фильтр тонкой очистки с патрубком отвода очищенного воздуха, гидрофильный фильтр, выполненный в виде перфорированной обечайки с верхней и нижней крышками, на внешней поверхности которой установлена коалесцирующая оболочка, заключенная в сетчатый кожух, при этом фильтр тонкой очистки размещен с зазором в перфорированной обечайке с образованием кольцевой полости, в которой установлены упругие элементы, дополнительно содержит упругую шайбу, установленную между торцом фильтра тонкой очистки и верхней крышкой, и выполненное в виде каналов перепускное устройство, размещенное в одной из крышек, при этом упругие элементы выполнены в виде лент зигзагообразной формы, причем наружные выступы ленты закреплены на внутренней поверхности перфорированной обечайки, а внутренние выступы взаимодействуют с боковой поверхностью фильтра тонкой очистки. Каналы перепускного устройства выполнены под углом к продольной оси элемента, либо каналы перепускного устройства снабжены подпружиненными подпорными клапанами. Подпорные клапаны могут быть выполнены в виде подпружиненных перфорированных стаканов, либо в виде пластинчатых запорных элементов, соединенных с приводом в виде герметичной оболочки в виде сильфона.

Выполнение аэрозольного фильтрующего элемента с упругой шайбой, установленной между торцом фильтра тонкой очистки и верхней крышкой, позволяет функционировать конструкции при воздействии положительных и отрицательных температур внешней среды без нарушения герметичности соединения патрубка (адаптера) отбора очищенного воздуха с потребителем, а также позволяет компенсировать продольные вибрационные нагрузки. Это исключает образование напряжений в фильтре тонкой очистки под действием осевых нагрузок за счет различных коэффициентов линейного расширения фильтра тонкой очистки и перфорированной обечайки при нагреве и охлаждении элементов фильтра, что обеспечивает расширение функциональных возможностей и увеличение срока службы фильтрующего элемента.

Выполнение в виде каналов перепускного устройства, размещенного в одной из крышек, обеспечивает сброс в атмосферу всех не прошедших сквозь каждый из фильтров задерживаемых частиц. Это обеспечивает надежную работу фильтрующего устройства при различных неблагоприятных условиях, например при очистке воздуха от капельной влаги во время проливного дождя, при пролете самолета сквозь грозовую облачность, при перемещении транспортных средств через зоны поражения химическим, бактериологическим, либо термоядерным оружием. При попадании аэрозолей на гидрофильный фильтр происходит коалесценция аэрозолей в капельную влагу, которая выносится из корпуса фильтрующего устройства и пространства между гидрофильным и гидрофобным фильтрами, поскольку вода не может пройти сквозь гидрофобную мембрану фильтра тонкой очистки из-за низкого давления фильтруемого воздуха. Это обеспечивает расширение функциональных возможностей фильтрующего элемента, так как обеспечивается процесс фильтрации воздуха независимо от природы образования аэрозолей: за счет конденсации парообразных жидкостей, либо распыления жидкостей и пылевидных веществ гидрофобного либо гидрофильного происхождения. Одновременно достигается, во-первых, повышение производительности за счет раздельного фильтрования через гидрофильный и гидрофобный фильтры, во-вторых, достигается увеличение срока службы фильтров за счет исключения забивания пор фильтрующих материалов пылевидными частицами и непрерывного удаления задерживаемых фильтром частиц при фильтровании воздуха.

Выполнение упругих элементов в виде лент зигзагообразной формы, причем наружные выступы ленты закреплены на внутренней поверхности перфорированной обечайки, а внутренние выступы взаимодействуют с боковой поверхностью фильтра тонкой очистки, обеспечивает его боковую фиксацию при действии перегрузок, направленных перпендикулярно и под различными углами к продольной оси фильтрующего элемента, не препятствуя перемещению боковых стенок фильтра тонкой очистки при изменении температурного режима работы. Это особенно важно, так как коэффициент линейного расширения полимерного материала, из которого обычно изготавливается фильтр, отличается от коэффициента линейного расширения металла во много раз и при работе в широком диапазоне температур (для самолетов это может быть от -60°С до +80°С) может составить 10 мм и более. В этом случае патрубок фильтра тонкой очистки может выйти из гнезда, и фильтрующий элемент прекратит работу.

Выполнение перепускного устройства в виде каналов, расположенных под углом к продольной оси фильтрующего элемента, обеспечивает увеличение скорости потока очищаемого воздуха на поверхности фильтра тонкой очистки, что исключает накопление задерживаемых частиц на фильтрующей поверхности. За счет исключения образования отложений на фильтрующих поверхностях не происходит снижение производительности вследствие отрицательного влияния концентрационной поляризации. При этом сохраняется работоспособность устройства даже в случае обмерзания внешней поверхности коалесцирующего фильтра, что обеспечивает расширение функциональных возможностей, повышение производительности и увеличение срока службы фильтрующего элемента. При движении потока очищаемого воздуха по расположенным под углом к оси фильтра каналам поток раскручивается, что обеспечивает более эффективный отрыв частиц с поверхности фильтра тонкой очистки с одновременным ускорением осушки коалесцирующего фильтра после прогрева потока. Это также исключает накопление задерживаемых частиц на фильтрующих поверхностях.

Снабжение каналов перепускного устройства подпружиненными подпорными клапанами способствует стабильной производительности фильтрующего элемента в случае возникновения крайне большого сопротивления потоку, например, при запуске компрессора при низких температурах, при обледенении коалесцирующего фильтра, при насыщении коалесцирующего фильтра влагой в условиях дождя. Под действием перепада давления подпорные клапаны открываются, происходит возрастание потока газа, поступающего на тонкую фильтрацию, и производительность фильтрующего элемента сохраняется примерно на одном уровне, при этом накопление задерживаемых веществ не происходит.

Выполнение подпорных клапанов в виде подпружиненных перфорированных стаканов позволяет осуществить в случае резкого увеличения сопротивления перепуск части очищаемого воздуха, минуя коалесцирующий фильтр, если коалесцирующий фильтр насыщен влагой, или произошло его обледенение. В случае использования такого фильтра в авиации, где после прогрева двигателя температура подаваемого на очистку воздуха возрастает, а влажность воздуха после набора высоты снижается, происходит размораживание и устраняется обводнение коалесцирующего фильтра. Это обеспечивает снижение сопротивления коалесцирующего фильтра, а, следовательно, возврат клапанов в исходное закрытое состояние под действием пружин.

Выполнение подпорных клапанов в виде пластинчатых запорных элементов, соединенных с приводом в виде герметичной оболочки (примером такой оболочки может служить сильфон), также обеспечивает перепуск части подаваемого на очистку воздуха, минуя коалесцирующий фильтр при резком увеличении сопротивления.

На представленных чертежах показана конструкция предлагаемого аэрозольного фильтрующего элемента: на фиг.1 показан продольный разрез аэрозольного фильтрующего элемента; на фиг.2 показано его поперечное сечение по А-А; на фиг.3 показан вид упругого элемента, выноска I. На фиг.4 показан продольный разрез аэрозольного фильтрующего элемента с различными вариантами перепускных устройств; на фиг.5 показана выноска II, на которой показано перепускное устройство в виде канала в верхней крышке; на фиг.6 показана верхняя крышка, вид по стрелке Б; на фиг.7 показана крышка в разрезе, сечение по В-В; на фиг.8 показана выноска III, на которой показано перепускное устройство в виде подпорного клапана. На фиг.9 показан вариант выполнения конструкции перепускного устройства на кольцевом выступе нижней крышки в виде подпружиненных полых стаканов, в закрытом положении (выноска IV фиг.4) и на фиг.10 показано перепускное устройство в открытом положении (выноска IV фиг.4). На фиг.11 показан вариант выполнения конструкции перепускного устройства на кольцевом выступе нижней крышки в виде перекрывающих отверстия в кольцевом выступе пластин с приводами в виде сильфонов в закрытом положении (выноска V фиг.4); и на фиг.12 показано то же перепускное устройство в открытом положении (выноска V фиг.4).

Аэрозольный фильтрующий элемент содержит фильтр тонкой очистки 1, в качестве которого может использоваться, например, элемент патронный мембранного типа ЭПМ.Ф-010-А-250, либо другой мембранный микро- или ультрафильтрационный элемент с патрубком (адаптером) отвода очищенного воздуха 2, помещенный с зазором в гидрофильный фильтр. Последний выполнен в виде перфорированной обечайки 3, на внешней поверхности которой установлена коалесцирующая оболочка 4, заключенная в сетчатый кожух 5. В качестве материала коалесцирующей оболочки могут использоваться стеклобумага типа БмДК и БмДФ, либо тонкие металлические сетки. На концах перфорированной обечайки 3 приварены резьбовые вставки 6, на которых установлены верхняя крышка 7 и нижняя крышка 8. В верхней крышке 7 выполнено центральное отверстие для пропуска патрубка отвода очищенного воздуха 2, на нижней крышке 8 - кольцевой выступ 9 с уплотнительным кольцом 10. В центре нижней крышки 8 расположен упор 11 с колпачком 12 из полимерного материала, входящий в гнездо фильтра тонкой очистки 1. На нижней крышке 8 выполнены также отверстия 13, сообщающиеся с кольцевой полостью между фильтром тонкой очистки 1 и перфорированной обечайкой 3. В кольцевом зазоре между фильтрами установлены упругие элементы 14, выполненные в виде лент зигзагообразной формы. Наружные выступы ленты закреплены на внутренней поверхности перфорированной обечайки 3, а внутренние выступы взаимодействуют с боковой поверхностью фильтра тонкой очистки 1, как показано на фиг.2 и 3. На патрубке 2 установлена упругая шайба 15, размешенная между торцом фильтра тонкой очистки 1 и верхней крышкой 7. В верхней крышке 7 помещено перепускное устройство, выполненное в виде каналов 16, которые выполнены под углом к продольной оси фильтра. Перепускное устройство может быть выполнено в виде каналов 17 (фиг.8), причем каналы 17 снабжены подпружиненными подпорными клапанами, состоящими из запорных элементов 18 и пружин 19. Возможным вариантом является конструкция аэрозольного фильтрующего элемента, в которой перепускное устройство расположено на кольцевом выступе 9 нижней крышки 8. Предпочтительными вариантами являются выполнение перепускного устройства в виде каналов 20, в которых установлены клапаны в виде перфорированных стаканов 21, взаимодействующих с пружиной 22, либо в виде каналов 23, перекрываемых пластинчатым запорным элементом 24, соединенным стержнем 25 с приводом в виде герметичной оболочки, например, в виде сильфона 26. На внешней стороне крышки 8 в резьбовом гнезде установлено крепление ленты 27, которая необходима для извлечения фильтрующего элемента после отработки ресурса для замены его новым.

Аэрозольный фильтрующий элемент работает следующим образом.

Исходный воздух, проходя через сетчатый кожух 5, поступает на внешнюю поверхность коалесцирующей оболочки 4, ограниченную снизу кольцевым выступом 9 с уплотнительным кольцом 10. Коалесцирующая оболочка 4 впитывает капельную влагу, коалесцирует аэрозоли и задерживает пылевидные частицы. Очищенный от влаги и пыли воздух поступает через перфорацию обечайки 3 в кольцевую полость, образованную внутренней поверхностью перфорированной обечайки 3, внешней поверхностью фильтра тонкой очистки 1 и ограниченную с торцов крышками 7 и 8, закрепленными на резьбовых вставках 6. Проходя через внешнюю поверхность фильтра тонкой очистки 1, воздух подвергается тонкой очистке от аэрозолей, в том числе от масляного тумана. Очищенный от аэрозолей воздух поступает во внутреннюю полость фильтра тонкой очистки 1, откуда через адаптер 2 поступает на потребление. Задерживаемые частицы и капельная вода через отверстия 13 удаляются в атмосферу вместе со сбрасываемым воздухом, тем самым исключая их накопление в фильтре.

Часть очищаемого воздуха (см. фиг.4, 5, 6, 7) в количестве не более 3-5% от общего расхода постоянно поступает в зазор между перфорированной обечайкой 3 и фильтром тонкой очистки 1 через расположенные под углом к оси фильтра отверстия 16 в верхней крышке 7. Вместе с прошедшим через коалесцирующую оболочку 4 воздухом он создает подпор на поверхности фильтра тонкой очистки 1, необходимый для окончательной очистки воздуха от аэрозолей, а также раскрутку потока для лучшего отрыва задерживаемых частиц от фильтрующих поверхностей. Очищенный воздух поступает к потребителю через адаптер 2, а не прошедший через фильтр тонкой очистки 1 воздух вместе с задерживаемыми частицами удаляется в атмосферу через отверстия 13.

В процессе работы фильтрующего элемента его температура может изменяться в широком диапазоне температур: при возрастании температуры длина фильтра тонкой очистки 1 увеличивается на большую величину, чем длина перфорированной оболочки 3, а при пониженных температурах наоборот. При смещении стенок фильтра тонкой очистки 1 относительно упругого элемента 14 за счет его линейного расширения либо сжатия при изменении температуры не происходит ослабление его посадки в элементе 14 из-за его упругих свойств. Осевая игра купируется упругой шайбой 15.

Выше описана работа аэрозольного фильтрующего элемента с постоянно открытым перепускным устройством. Ниже описывается особенности работы элемента с периодическим открытием перепускного устройства.

Вариант 1. При работе фильтра (см. фиг.4 и 8) весь воздух последовательно проходит через коалесцирующую оболочку 4 и фильтр тонкой очистки 1. При снижении газопроницаемости оболочки 4 между ее внешней поверхностью и зазором между перфорированной обечайкой 3 и внешней поверхностью фильтра тонкой очистки 1 создается перепад давления, под действием которого пружины 19 деформируются, открывая запорные элементы 18, и воздух по каналам поступает в зазор между перфорированной обечайкой 3 и фильтром тонкой очистки 1. Вместе с прошедшим через коалесцирующую оболочку 4 воздухом он создает подпор на поверхности фильтра тонкой очистки 1, необходимый для окончательной очистки воздуха от аэрозолей. Очищенный воздух поступает к потребителю через адаптер 2, а не прошедший через фильтр тонкой очистки 1 воздух вместе с задерживаемыми частицами удаляется в атмосферу через отверстия 13. По сравнению с первым вариантом на внешнюю поверхность фильтра тонкой очистки 1 поступает меньшее количество не прошедшего предварительную очистку воздуха, но в этом случае усложняется конструкция устройства.

Вариант 2. При работе фильтра (см. фиг.4, 9, 10) весь воздух последовательно проходит через коалесцирующую оболочку 4 и фильтр тонкой очистки 1. При снижении газопроницаемости оболочки 4 между ее внешней поверхностью и зазором между перфорированной обечайкой 3 и внешней поверхностью фильтра тонкой очистки 1 создается перепад давления, под действием которого пружины 22 деформируются, открывая запорные элементы в виде перфорированных стаканов 21, и воздух по каналам 20 поступает в зазор между перфорированной обечайкой 3 и фильтром тонкой очистки 1 через отверстия 13 в крышке 8. Вместе с прошедшим через коалесцирующую оболочку 4 воздухом он создает подпор на поверхности фильтра тонкой очистки 1, необходимый для окончательной очистки воздуха от аэрозолей. Очищенный воздух поступает к потребителю через адаптер 2, а не прошедший через фильтр тонкой очистки 1 воздух вместе с задерживаемыми частицами удаляется в атмосферу через отверстия 13. По сравнению с первым вариантом на внешнюю поверхность фильтра тонкой очистки 1 поступает меньшее количество не прошедшего предварительную очистку воздуха, но и в этом случае несколько усложняется конструкция устройства.

Вариант 3. Устройство работает (см. фиг.4, 11, 12) аналогично варианту 3. В этом случае при возникновении перепада давлений сжимаются герметичные емкости в виде сильфонов 26, которые, воздействуя через стержни 25 на пластинчатые запорные элементы 24, открывают и при снижении сопротивления перекрывают каналы 23.

Предложенное устройство расширяет функциональные возможности, повышает производительность и обеспечивает увеличение срока службы фильтрующего элемента.

1. Аэрозольный фильтрующий элемент, содержащий фильтр тонкой очистки с патрубком отвода очищенного воздуха, гидрофильный фильтр, выполненный в виде перфорированной обечайки с верхней и нижней крышками, на внешней поверхности которой установлена коалесцирующая оболочка, заключенная в сетчатый кожух, при этом фильтр тонкой очистки размещен с зазором в перфорированной обечайке с образованием кольцевой полости, в которой установлены упругие элементы, отличающийся тем, что дополнительно содержит упругую шайбу, установленную между торцом фильтра тонкой очистки и верхней крышкой, и выполненное в виде каналов перепускное устройство, размещенное в одной из крышек, при этом упругие элементы выполнены в виде лент зигзагообразной формы, причем наружные выступы ленты закреплены на внутренней поверхности перфорированной обечайки, а внутренние выступы взаимодействуют с боковой поверхностью фильтра тонкой очистки.

2. Аэрозольный фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что каналы перепускного устройства выполнены под углом к продольной оси элемента.

3. Аэрозольный фильтрующий элемент по п.1, отличающийся тем, что каналы перепускного устройства снабжены подпружиненными подпорными клапанами.

4. Аэрозольный фильтрующий элемент по п.3, отличающийся тем, что подпорные клапаны выполнены в виде подпружиненных перфорированных стаканов.

5. Аэрозольный фильтрующий элемент по п.3, отличающийся тем, что подпорные клапаны выполнены в виде пластинчатых запорных элементов, соединенных с приводом в виде герметичной оболочки.