Результат интеллектуальной деятельности: Фильтр для очистки воздуха

Изобретение относится к очистке сжатого воздуха, особенно от туманов в разных отраслях народного хозяйства, преимущественно на крупных компрессорных станциях со значительным суточным расходам сжатого воздуха.

Известен фильтр для отчистки воздуха (см. патент РФ на полезную модель №138469, МПК B01D 46/00, B01D 45/08, опубл. 20.01.2014. Бюл. №8), содержащий корпус с коническим днищем, выполненным с отверстием в нижней части, штуцер вывода очищенного воздуха, обтянутый проволочной сеткой и имеющий коническую насадку с канавками по внешней поверхности, штуцеры ввода очищаемого воздуха, выполненные в виде суживающихся дозвуковых сопел с криволинейными канавками на внутренней поверхности и имеющие в отверстии днище, и отражательную перегородку, подпружиненную со стороны штуцера вывода очищенного воздуха установленными на направляющих стержнях пружинами, корпус дозвуковых сопел выполнен из биметалла и снабжен кольцевой канавкой, размещенной на внутренней поверхности со стороны металлических сеток и соединенной с криволинейными канавками, имеющими профиль в виде ласточкина хвоста, при этом канавки на внешней поверхности конической насадки штуцера вывода очищенного воздуха выполнены с кривизной направляющих, направленной по движению часовой стрелки, при этом отражательная перегородка выполнена пористой со стороны ввода очищаемого воздуха в виде суживающихся сопел и сплошной со стороны вывода очищенного воздуха.

Недостатком является снижение надежности работы фильтра для очистки воздуха при длительной эксплуатации с удалением конденсата из конического днища из-за заедания перемещения конденсатоотводчика вследствие ржавчины на внутренней поверхности отверстия днища под воздействием коррозии налипающих воздушно-паровых пузырьков, которые постоянно находятся в жидкости, накапливаемой в корпусе.

Известен фильтр для очистки воздуха (см., патент РФ на полезную модель №158010, МПК В01Д 46/00, В01Д 45/08, опубл. 20.12.15, бюл. №35), содержащий корпус с коническим днищем, выполненным с отверстием в нижней части, штуцер вывода очищенного воздуха, обтянутый проволочной сеткой и имеющий коническую насадку с канавками по внешней поверхности, штуцеры ввода очищаемого воздуха, выполненные в виде суживающихся дозвуковых сопел с криволинейными канавками на внутренней поверхности и имеющие в отверстии днище, и отражательную перегородку, подпружиненную со стороны штуцера вывода очищенного воздуха установленными на направляющих стержнях пружинами, корпус дозвуковых сопел выполнен из биметалла и снабжен кольцевой канавкой, размещенной на внутренней поверхности со стороны металлических сеток и соединенной с криволинейными канавками, имеющими профиль в виде ласточкина хвоста, причем отражательная перегородка выполнена пористой со стороны ввода от очищаемого воздуха в виде суживающихся сопел и сплошной со стороны вывода очищенного воздуха, кроме того, внутренняя поверхность отверстия днища, в котором расположен конденсатоотводчик выполнена с покрытием наноматериалом в виде стеклообразной пленки.

Недостатком является энергоемкость производства сжатого воздуха в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации, особенно при наличии атмосферной и технологической пыли во всасываемом атмосферном воздухе.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание нормированных энергозатрат на производство сжатого воздуха при длительной эксплуатации путем сохранения постоянства аэродинамического сопротивления за счет обеспечения скорейшего перемещения загрязнений в полостях криволинейных канавок в виде мелкодисперсных каплеобразных и твердых частиц в круговую канавку для последующего удаления из корпуса фильтра в окружающую среду.

Технический результат достигается тем, что фильтр для очистки воздуха содержит корпус с коническим днищем, выполненным с отверстием в нижней части, штуцер вывода очищенного воздуха, обтянутый проволочной сеткой и имеющий коническую насадку с канавками по внешней поверхности, штуцеры ввода очищаемого воздуха, выполненные в виде суживающихся дозвуковых сопел с криволинейными канавками на внутренней поверхности и имеющие со стороны входа воздуха металлические сетки, расположенный в отверстии днища корпуса конденсатоотводчик и отражательную перегородку, подпружиненную со стороны штуцера вывода очищенного воздуха установленными на направляющих стержнях пружинами, корпус дозвуковых сопел выполнен из биметалла и снабжен кольцевой канавкой, размещенной на внутренней поверхности со стороны металлических сеток и соединенной с криволинейными канавками, имеющими профиль в виде ласточкина хвоста, причем отражательная перегородка выполнена пористой со стороны ввода от очищаемого воздуха в виде суживающихся сопел и сплошной со стороны вывода очищенного воздуха, кроме того, внутренняя поверхность днища, в котором расположен конденсатоотводчик, выполнена с покрытием наноматериалом в виде стеклообразной пленки, при этом кривизна криволинейных канавок на внутренней поверхности суживающихся дозвуковых сопел выполнена по линии циклоида как брахистохрона.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема фильтра для очистки воздуха, на фиг. 2 - профиль криволинейных канавок в виде ласточкина хвоста, на фиг. 3 - внешняя поверхность конической насадки с радиальными канавками, кривизна направляющей которых направлена по ходу часовой стрелки, на фиг. 4 - внутренняя поверхность конического днища с винтовыми канавками, кривизна направляющей которых направлена против хода часовой стрелки, на фиг. 5 - разрез отражательной перегородки пористой с одной стороны и сплошной с другой, на фиг. 6 - отверстия в коническом днище с покрытием на внутренней поверхности из наноматериала в виде стеклообразной пленки, на фиг. 7 - криволинейная канавка, кривизна которой выполнена по линии циклоида как брахистохрона.

Фильтр для очистки воздуха состоит из корпуса 1 с коническим днищем 2, выполненным с отверстием в нижней части, штуцера вывода очищенного воздуха 3, обтянутого проволочной сеткой, штуцеров ввода очищаемого воздуха в виде суживающихся дозвуковых сопел 5 с криволинейными^- канавками 6 на внутренней поверхности и имеющих со стороны входа атмосферного воздуха металлические сетки 7, расположенного в отверстии днища корпуса 1 конденсатоотводчика 8, отражательной перегородки 9, свободно установленной на направляющих стержнях 10 и фиксируемой пружинами 11, полости 12, заключенной между выходным сечением суживающегося дозвукового сопла 5 и отражательной перегородкой 9, при этом на внутренней поверхности суживающихся дозвуковых сопел 5 выполнена кольцевая канавка 13, соединенная с устройством для удаления загрязнений 14, расположенная за металлической сеткой 7 и соединенная криволинейными канавками 6. На внешней поверхности конической насадки 15 штуцера вывода очищенного воздуха 3 выполнены радиальные канавки 16, кривизна направляющей которых направлена по ходу часовой стрелки, и на внутренней поверхности 17 конического днища 2 выполнены винтовые канавки 18, кривизна направляющей которых направлена против хода часовой стрелки, отражательная перегородка 9 со стороны поверхности 19 имеет поры 20, а со стороны поверхности 21 выполнена сплошной.

Корпус суживающихся дозвуковых сопел 5 выполнен из биметалла, причем первый материал биметалла со стороны движущегося потока воздуха - алюминий с коэффициентом теплопроводности 204 Вт/(мтр), превышающий в 2.0-2.5 раза второй материал биметалла - латунь (см. пример, стр. 312. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: 1980 - 369 с., ил) с коэффициентом теплопроводности 85 Вт/(м-гр).

Внутренняя поверхность 22 отверстия 23 конического днища 2, в котором расположен конденсатоотводчик 8, выполнена с покрытием наноматериалом 24 в виде стеклообразной пленки 25 из оксида тантала, полученные ионно плазменным методом. На внутренней поверхности суживающегося до звукового сопла 5 расположены криволинейные канавки 6, кривизна которых выполнена по линии 26 циклоида как брахистохрона.

Фильтр работает следующим образом.

Наличие загрязнений во всасываемом атмосферном воздухе, особенно твердых частиц атмосферной пыли и технологических выбросов совместно с мелкодисперсной каплеобразной влагой, приводит к увеличению аэродинамического сопротивления фильтра для очистки воздуха.

Частицы загрязнений, смещенные центробежные силы закрученного потока всасываемого атмосферного воздуха, заполняют полости криволинейных канавок 6 и медленно перемещаются к кольцевой канавке 13, соединенной с устройством для удаления загрязнений 14 для последующего выброса в окружающую среду. Скоагулированные и укрупняющиеся в процессе перемещения в полостях в виде «ласточкина хвоста» криволинейных канавок 6 загрязнения для своего движения в сторону кольцевой канавке 13 требуют увеличенного силового воздействия, что приводит к возрастанию аэродинамического сопротивления, суживающегося до звукового сопла. В результате мощность на привод, например, компрессора для обеспечения нормирования производства сжатого воздуха необходимо увеличивать на 20-25% (см., Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии поршневых компрессоров. - Л.: 1985 - 80 с., ил.).

При выполнении кривизны криволинейных канавок 6 по линии 26 циклоида брахистохрона частицы загрязнений твердые, каплеобразные и/или соединенные между собой перемещаются не только под действием центробежной силы закрученного всасываемого атмосферного воздуха суживающимся дозвуковом сопле 5, но и под действием силы тяжести, например, из данной точки А (на выходном сечении суживающегося дозвукового сопла 5) в нижележащую точку Б (у кольцевой канавки 13, соединенной с устройством для удаления загрязнений) с продолжительностью продолжительного спуска (см., например, стр. 802 Некоторые замечательные кривые. / Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: 1965 - 872 с., ил).

В результате обеспечения скорейшего перемещения загрязнений в кольцевую канавку 13, по криволинейным канавкам 6 с профилем в виде «ласточкина хвоста», устраняются возрастания аэродинамического сопротивления суживающегося дозвукового сопла 5 и поддерживается нормированное аэродинамическое сопротивление фильтра для очистки воздуха без дополнительных энергозатрат на привод компрессора при производстве сжатого воздуха.

При наличии определенного объема жидкости в коническом днище 2 корпуса 1 конденсатоотводчик 8 поднимается, и жидкость перемещается в отверстие 23 для удаления в окружающую среду. Перемещающийся поток жидкости насыщен воздушно-паровыми пузырьками, которые, контактируя с внутренней поверхностью 22 отверстия 23, налипают на нее, окисляют материал, т.е. наблюдается коррозийное разрушение конического днища 2. Образуются при этом ржавчина, и окалина препятствует перемещению конденсатоотводчика 8 в отверстии 23 и, как следствие, он заедает, фиксируя не полностью открытое положение с частичным удалением жидкости и всасываемого воздуха через отверстие 23. В результате ухудшается надежность работ фильтра для очистки воздуха в целом, а дополнительное движение воздуха через неплотно (за счет ржавчины) закрытое отверстие 23 приводит к дополнительному окислению внутренней поверхности 22, т.е. осуществляется интенсификация коррозийного разрушения.

После выполнения нанесения наноматериала 24 в виде стеклообразной пленки 25 на внутреннюю поверхность 22 воздушно-паровые пузырьки не налипают на нее, а скользят вместе с потоком удаляемой жидкости в окружающую среду (см., например Литвинова В.А., Саврук Е.М., Наноразмерные пленки оксида тантала, полученные ионно-плазменным методом // Сборник трудов региональной научно-практической конференции «Современные проблемы и достижения аграрной науки в животноводстве, растениеводстве и экономике.» Томск: ТЕХИ МЕАУ - Вып. 12-2010 - С. 299-301). Следовательно, практически устраняется коррозийное разрушение материала отверстия 23, и конденсатоотводчик 8 работает в нормированном режиме, когда по мере накопления жидкости в коническом днище 2 до заданного уровня конденсатоотводчик 8 открывает отверстие 23, сбрасывая часть жидкости в окружающую среду, без допуска воздуха, находящегося в корпусе 1, к внутренней поверхности 22. В результате нанесения наноматериала 24 на внутреннюю поверхность 22 не только коррозийное разрушение отверстия 28, обеспечивая надежную работу конденсатоотводчика 8, но и не допускает утечку очищаемого в фильтре воздуха через отверстие 22 при заедании конденсатоотводчика 8. А это в конечном итоге определяет эффективность работы фильтра для очистки воздуха.

По мере поступления атмосферного воздуха в полость 12 корпуса 1 фильтра капельная влага, находящаяся в потоке, ударяется об отражательную перегородку 9 и заполняет поры 20, накапливаясь в них, т.к. поверхность 21 выполнена сплошной. Кинетическая энергия удара потока воздуха и каплеобразной влаги приводит к выделению теплоты, обеспечивающей постепенное (растянутое во времени) испарение влаги, что способствует снижению температуры атмосферного воздуха, контактирующего с отражательной перегородкой 9 (см. Нащокин В.В. Техническая термодинамика и теплопередача. М.: Высш. школа, 1980. 469 с). Температура атмосферного воздуха снижается на 3-5°С, что приводит к увеличению плотности воздуха и обеспечивает подачу нормированного массового количества атмосферного воздуха в компрессор без дополнительных энергозатрат на привод компрессора в связи с возрастанием температуры окружающей среды (особенно в летний период).

По мере накопления в коническом днище 2 каплеобразной жидкости поверхность ее зеркала увеличивается с образованием выталкивающей силы на конденсатоотводчик 8. Очищаемый атмосферный всасываемый воздух, огибая отражательную перегородку 9, проходит над поверхностью конденсата, накапливаемого в коническом днище 2, далее перемещается по радиальным канавкам 16, находящимся на внешней поверхности штуцера вывода очищаемого воздуха 3, и, проходя через проволочную сетку 4, поступает очищенным в компрессор (не показано).

На внешней поверхности конической насадки 15 штуцера вывода очищенного воздуха 3 выполнены радиальные канавки 16, кривизна направляющей которых направлена по ходу часовой стрелки, а на внутренней поверхности 17 конического днища 2 выполнены винтовые канавки 18, кривизна направляющих которых направлена против хода часовой стрелки. В этом случае при накоплении конденсата в коническом днище 2 до уровня открытия конденсатоотводчиком 8 отверстия в нижней части наблюдается перемещение жидкости, контактирующей с внешней поверхностью конической насадки 15 штуцера вывода очищенного воздуха 3, и она, перемещаясь по винтовым канавкам, закручивается, образуя уже на выходе из кольцевой щели и далее, выходя из отверстия, открытого конденсатоотводчиком 8 в коническом днище 2, воронку с повышенной скоростью истечения, что ускоряет время полного открытия отверстия в коническом днище 2. Выполнение радиальных канавок 16 на внешней поверхности конической насадки 15 штуцера вывода очищаемого воздуха 3 конического днища 2 приводит к вращению потока жидкости в процессе истечения по ходу часовой стрелки. Кроме того, очищаемый атмосферный всасываемый воздух, перемещаясь по ходу часовой стрелки, образует на поверхности зеркала конденсата конического днища 2 микроворонку, вращающуюся в том же направлении. В результате на поверхности жидкости образуются встречно движущиеся микрозавихрения, которые, сталкиваясь, приводят к микровзрывам, воздействующим на поверхность сконденсировавшейся жидкости в коническом днище 2. Дополнительное воздействие на поверхность сконденсировавшейся жидкости практически устраняет инерционность конденсатоотводчика 8 в процессе закрытия отверстия в коническом днище 2 при окончании сброса конденсата в окружающую среду из корпуса 1 фильтра (см., например, Меркулов П.И. Вихревой эффект и его применение в промышленности. Куйбышев, 1996. 363 с).

В результате удаление избытка сконденсировавшейся жидкости из конического днища 2 через отверстие в нижней части осуществляется без дополнительного расхода атмосферного воздуха, который после соответствующей обработки в качестве всасываемого в полном объеме в режиме резонансного наддува поступает через штуцер вывода очищенного воздуха 3 в компрессор.

Атмосферный воздух определенной плотности с загрязнениями в виде твердых частиц пыли и каплеобразной влаги, концентрация которых зависит как от климатических, так и технологических условий эксплуатации компрессорной установки (т.е. нахождением в промышленной зоне), поступает в качестве многокомпонентной смеси в суживающиеся дозвуковые сопла 5. По мере возрастания скорости всасываемого потока загрязнения оттесняются к стенке и попадают в полости криволинейных канавок 6, где, сталкиваясь с другими частицами, укрупняются и становятся «ядрами» конденсации водяного пара. Закручивание в криволинейных канавках более плотного потока пограничного слоя приводит к вращательному движению всего потока всасываемого воздуха перед выходным отверстием суживающегося дозвукового сопла 5, что приводит к более интенсивной коагуляции легких мелких частиц и, в конечном счете, улучшает работу фильтра. Это вызывает дополнительную коагуляцию мельчайших частиц влаги, которые с твердыми частицами пыли, а при отрицательных температурах и с твердой фазой жидкости поступают в полость 12 и ударяются об отражательную перегородку 9 и падают на коническое днище 2, где скапливается конденсат. В результате этого осуществляется смачивание упавших частиц. Тем самым предотвращается их унос к проволочной сетке 4.

Полость 12 представляет собой объем, заключенный между выходным сечением суживающегося дозвукового сопла 5 и отражательной перегородкой 9. При этом размер выбран так, что он соответствует объему резонатора. В связи с тем, что плотность воздуха, поступающего в полость 12, изменяется в зависимости от погодно климатических и технологических условий эксплуатации компрессорной станции, резонатор должен иметь переменный объем. За начальное положение объема резонатора принимаются размеры полости 12 воздушного фильтра компрессора, образованного выходным сечением суживающегося дозвукового сопла 5 и отражательной перегородки 9, которая фиксируется пружинами 11 в свободном состоянии на направляющих стержнях 10. В этом случае воздействие, оказываемое атмосферным всасываемым воздухом, определяется наименьшей плотностью, соответствующей максимальной температуре окружающей среды (известно, что чем выше температура воздуха, тем ниже его плотность) и минимальному количеству загрязнений, поступающих в воздушный фильтр компрессора. Все это определяется экспериментальным путем согласно условиям эксплуатации компрессорной станции.

По мере снижения температуры атмосферного воздуха или увеличения количества загрязнений в нем плотность всасываемого воздуха увеличивается, в результате энергия удара потока смеси (атмосферного воздуха и загрязнений в нем) об отражательную перегородку 9 увеличивается и последняя перемещается по направляющим стержням 10, сжимая пружину 11. При перемещении отражательной перегородки 9 объем воздушного столба в полости 12 увеличивается. В результате сохраняется постоянство резонатора при изменяющихся погодно-климатических и технологических загрязнениях в нормированных пределах. В случае последующего уменьшения плотности потока всасываемого воздуха (увеличилась температура атмосферного воздуха или уменьшилось количество загрязнений в нем) отражательная перегородка 9 под действием разжимающего усилия пружины 11 перемещается в сторону выходного сечения суживающегося дозвукового сопла 5. что уменьшает объем воздушного столба в полости 12. В результате наблюдается пульсирующее перемещение отражательной перегородки 9 на направляющих стержнях 10 под действием пружины 11, что обеспечивает изменение резонансного объема и, соответственно, влияет на оптимальное воздействие резонансного наддува на величину наполнения цилиндра компрессора.

Выполнение же криволинейных канавок 6 с полостью в виде ласточкина хвоста практически устраняет вероятность выпадения твердых и сконденсировавшихся каплеобразных частиц, и они, перемещаясь к концевой канавке 13, удаляются оттуда по мере накопления вручную или автоматически через устройство удаления 14. В этом случае в движущемся по суживающимся дозвуковым соплам 5 потоке всасываемого атмосферного воздуха находится то нормированное количество загрязнений, в допустимых пределах которого построен резонатор, включающий полость 12 и подпружиненную отражательную перегородку 9. В результате осуществляется эффективная работа фильтра со снижением энергоемкости производства сжатого воздуха.

Температура периферийных «горячих» слоев закрученного движущегося потока всасываемого атмосферного воздуха внутри суживающегося дозвукового сопла 5 превышает температуру воздуха среды, окружающей компрессорную установку. Поэтому корпус суживающегося дозвукового сопла 5, выполненный из биметалла, постоянно в процессе производства сжатого воздуха находится под действием температурного напора, приводящего к возникновению в биметаллической конструкции корпусов суживающихся дозвуковых сопел 5 термовибраций (см., например, Дмитриев А.П. «Биметаллы» Пермь, 1991 - 38 с. ил).

В результате наблюдается разрушение образующихся «пробок» (сталкивающиеся твердые и каплеобразные частицы иногда слипаются в частицы, соизмеримые с размерами полости винтообразных канавок, что может приводить к закупориванию полости, т.е. образованию «пробок» в криволинейных канавках с профилем в виде «ласточкина хвоста»), и осуществляется бесперебойное поступление отделенных от движущегося всасываемого атмосферного воздуха загрязнений в концевую канавку 13, находящуюся у металлической сетки 7 суживающихся дозвуковых сопел 5.

Под совместным действием гравитационных сил и термовибрации корпуса дозвуковых сопел 5 загрязнения поступают в устройство для удаления загрязнений 14, из которого удаляется вручную или автоматически.

Оригинальность предлагаемого технического решения состоит в том, что обеспечивается эффективная энергосберегающая эксплуатация фильтра для очистки воздуха за счет поддержания постоянства аэродинамического сопротивления при наличии загрязнений в виде твердых каплеобразных частиц, перемещение которых в дозвуковом суживающемся сопле требовала силового воздействия закрученного потока, приводящего к увеличению мощности на привод компрессора. Выполнение кривизны криволинейных канавок по линии циклоида как брахистохрона обеспечивает скорейшее перемещение частиц загрязнений в полостях в виде «ласточкиного хвоста» в кольцевую канавку для сброса в окружающую среду, а это устраняет увеличение аэродинамического сопротивления фильтра и соответственно дополнительные энергозатраты на производство сжатого воздуха