RU222856U1 - Вибрационный фильтр - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для разделения дисперсных жидких систем и может найти применение в химической, нефтехимической, атомной, фармакологической, лакокрасочной, пищевой и других отраслях промышленности. Техническим результатом предлагаемой конструкции вибрационного фильтра является увеличение времени эксплуатации фильтра. Поставленный технический результат достигается тем, что вибрационный фильтр состоит из цилиндрического корпуса, патрубков подвода очищаемой среды и отвода уловленных частиц, снабженного гофрированным шлангом фильтрующего элемента, выполненного в виде полого перфорированного каркаса с размещенным на нем фильтровальным материалом, причем фильтрующий элемент снабжен патрубком отвода очищенной жидкости, дополнительно содержит сетчатый цилиндр, установленный на крышке посредством цилиндрических пружин, равномерно расположенных по всей длине его окружности, а упругость витков каждой цилиндрической пружины определяется выражением:

,

где α - упругость витков цилиндрической пружины, н/м;

ν - частота колебаний вибропривода, Гц;

π= 3,14 - число Пи;

M - масса сетчатого цилиндра, кг;

n - число цилиндрических пружин.

Description

Полезная модель относится к устройствам для разделения дисперсных жидких систем, например, очистки закалочных масел, фильтрации красителей и других суспензий и может найти применение в химической, нефтехимической, атомной, фармакологической, лакокрасочной, пищевой и других отраслях промышленности, а также в экологических процессах очистки вод и жидких отходов.

Известна конструкция цилиндрического фильтра, состоящего из перфорированной трубы, корпуса и расположенной между ними сетки, на которой закреплен объемный фильтрующий материал, например, в виде матов из стеклянного волокна или смеси асбеста с хлопком, или шерсти с хлопком. Сетка с фильтрующим материалом герметизируются на корпусе с помощью хомута (В.Н. Ужов, Б.И. Мячков. Очистка промышленных газов фильтрами. - М: Химия, 1970, 319 с., стр. 94).

К причинам, препятствующим достижению заданного технического результата, относится низкая производительность из-за работы в периодическом режиме, так как улавливаемые частицы пыли задерживаются в порах объемного фильтрующего материала и их необходимо удалять путем регенерации этого материала или замены.

Известна конструкция акустического фильтра A-100K-02, предназначенного для разделения многокомпонентных систем и применяемого для очистки закалочных масел, фильтрации красителей и других материалов. Он состоит из цилиндрического корпуса с коническим днищем и эллиптической крышкой, внутри которого коаксиально расположен фильтрующий элемент - полый каркас, обтянутый фильтрующей сеткой. Корпус имеет штуцера для ввода и вывода фильтруемой жидкости, выгрузки шлама и отбора проб. На крышке на упругих пружинных опорах установлен вибровозбудитель электромагнитного типа, который жестко соединен с фильтрующим элементом и сообщает ему вибрации в продольном направлении (В.Д. Варсанофьев, Э.Э Кальман-Иванов. Вибрационная техника в химической промышленности. - М: Химия, 1985, 240 с., стр. 114 и 115).

К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится недостаточная производительность при фильтровании тонкодисперсных суспензий, частицы которых забивают поры фильтровальной сетки, что требует периодической остановки работы фильтра и затрат времени на регенерацию фильтровальной сетки.

Известна конструкция устройства для очистки газа, содержащего корпус, патрубки для ввода и вывода газа, перфорированные диски, жестко закрепленные на валу, вибратор, отличающегося тем, что с целью повышения эффективности очистки газа от мелких частиц оно снабжено фильтрующими элементами, выполненными в виде перфорированного параллелепипеда, свободно расположенного на валу между дисками и жестко связанного с вибратором, причем фильтрующий элемент в нижней части снабжен роликами с направляющими пластинами, жестко закрепленными в корпусе (авторское свидетельство СССР №683787, B01D 46/24, 1979 г.).

К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится необходимость периодической регенерации пор фильтровального материала из-за попадания в них мелких частиц при виброфильтровании тонких суспензий и пылей. Это приводит к дополнительным затратам времени, уменьшению времени основного цикла работы и, как следствие, снижению производительности.

Наиболее близким техническим решением по совокупности признаков к предлагаемой конструкции акустического фильтра [Патент РФ №171836, МПК: B01D 46/24, опубл. 19.06.2017 г.] является конструкция вибрационного фильтра, состоящего из цилиндрического корпуса с патрубком для отвода очищенной среды от частиц дисперсной фазы, подвижного фильтрующего элемента в виде полого перфорированного каркаса, обтянутого фильтровальным материалом, трубки, установленной осесимметрично внутри подвижного фильтрующего элемента и образующей с ней вибрационный узел, гофрированного шланга, соединенного с патрубком очищенной среды и трубкой. На днище цилиндрического корпуса установлена опорная площадка с закрепленными на ней цилиндрическими пружинами.

К причинам, препятствующим достижению заявляемого технического результата, относится необходимость периодической остановки процесса виброфильтрования для очистки пор фильтровального материала от заклинивших в них частиц тонкодисперсной фазы. Кроме того, сама конструкция прототипа предназначена только для виброфильтрования запыленных газов. При фильтровании жидкостей, источника вынужденных колебаний не будет и данная конструкция будет работать в обычном режиме фильтрования без вибрации фильтровального элемента с образованием осадка на фильтровальном материале, что приводит к значительному уменьшению производительности из-за необходимости частой остановки работы для регенерации пор фильтровального материала и удаления осадка.

Техническим результатом предлагаемой конструкции вибрационного фильтра является увеличение времени эксплуатации фильтра.

Поставленный технический результат достигается тем, что вибрационный фильтр состоит из цилиндрического корпуса, патрубков подвода очищаемой среды и отвода уловленных частиц, снабженного гофрированным шлангом фильтрующего элемента, выполненного в виде полого перфорированного каркаса с размещенным на нем фильтровальным материалом, причем фильтрующий элемент снабжен патрубком отвода очищенной жидкости, дополнительно содержит сетчатый цилиндр, установленный на крышке посредством цилиндрических пружин, равномерно расположенных по всей длине его окружности, а упругость витков каждой цилиндрической пружины определяется выражением:

, (1)

где α - упругость витков цилиндрической пружины, н/м;

ν - частота колебаний вибропривода, Гц;

π= 3,14 - число Пи;

M - масса сетчатого цилиндра, кг;

n - число цилиндрических пружин.

Осесимметричная установка к фильтровальному элементу сетчатого цилиндра, позволяет вести процесс виброфильтрования со слоем осадка определенной толщины, которая соответствует размеру кольцевого зазора между сетчатым цилиндром и фильтровальным элементом.

Соединение сетчатого цилиндра с крышкой, посредством цилиндрических пружин, с упругостью витков, подчиняющейся выражению (1), переводит вибрацию сетчатого цилиндра в резонансный режим с большей амплитудой. Такая вибрация позволяет производить механическую очистку (грубый фильтр) улавливая крупные частицы шлама на поверхности сетчатого цилиндра и, за счет колебаний, стряхивает их вниз, защищая при этом поверхность фильтровального материала от налипания на него шлама, что повышает эффективность работы фильтра. Это увеличивает время процесса фильтрования без остановки на очистку пор фильтровального материала от застрявших в них частиц, что способствует эффективности очистки, росту производительности устройства в целом, благодаря увеличению времени эксплуатации фильтра.

Сетчатый цилиндр, размещенный на крышке посредством цилиндрических пружин, образует пружинный маятник с собственной частотой колебаний

, (2)

где m -масса, приходящаяся на одну цилиндрическую пружину, кг;

[Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. - М: Государственное издание физико-математической литературы, 1963, C. 102].

Так как

(3)

то, решая совместно уравнение (2) с уравнением (3), получаем необходимую упругость витков каждой цилиндрической пружины (1), обеспечивающую резонансный режим колебаний сетчатого цилиндра.

Размещение цилиндрических пружин равномерно по длине окружности сетчатого цилиндра необходимо для одинакового распределения на каждую цилиндрическую пружину нагрузки от общей массы сетчатого цилиндра M.

На фигуре представлен общий вид предлагаемой конструкции вибрационного фильтра.

Вибрационный фильтр состоит из цилиндрического корпуса 1, крышки 2 и конического днища 3 с патрубком отвода шлама уловленных частиц 4. На цилиндрическом корпусе 1 установлен патрубок подвода исходной очищаемой жидкости 5. Внутри цилиндрического корпуса 1, осесимметрично корпусу 1, установлен фильтрующий элемент в виде полого перфорированного каркаса 6, обтянутого фильтровальным материалом 7 (например, бельтинг, фильтромиткаль и другие фильтровальные ткани). В верхней части полый перфорированный каркас 6 снабжен штоком 8, соединенным с виброприводом 9. В нижней части перфорированный каркас 6, через гофру 10 соединен с патрубком отвода очищенной жидкости 11.

Между корпусом 1 и фильтрующим элементом установлен сетчатый цилиндр 12, подвешенный на крышке 2 посредством цилиндрических пружин 13, при этом упругость витков каждой цилиндрической пружины определяется выражением (1). Цилиндрические пружины 13 равномерно расположены по всей длине окружности сетчатого цилиндра 12.

Вибрационный фильтр установлен на опорах 14.

Вибрационный фильтр предлагаемой конструкции работает следующим образом.

Внутрь цилиндрического корпуса 1 по патрубку 5 подается исходная очищаемая жидкость, в которой полностью погружается перфорированный каркас 6 с фильтровальным материалом 7, при этом патрубки 4 и 11 сначала закрыты. Включают, создающий вынужденные колебания с частотой ν и амплитудой A0, вибропривод 9, который приводит в колебательное движение шток 8 с полым перфорированным каркасом 6, обтянутым фильтровальным материалом 7. При включенном виброприводе 9 непрерывно подают в цилиндрический корпус 1 под давлением исходную очищаемую жидкость, открывают патрубок 11 так, чтобы уровень очищаемой жидкости в цилиндрическом корпусе 1 обеспечивал полное погружение в ней перфорированного каркаса 6 с фильтровальным материалом 7. Сетчатый цилиндр 12, подвешенный на цилиндрических пружинах 13, образует пружинный маятник с собственной частотой колебаний совпадающей с частотой вынужденных колебаний вибропривода 9, тогда сетчатый цилиндр 12 колеблется в резонансном режиме с амплитудой A, много большей амплитуды A0 вынужденных колебаний вибропривода 9.

Такая высокая амплитуда A колебаний сетчатого цилиндра 12 полностью разрушает осадок улавливаемых частиц вблизи нее. Более крупные частицы осадка задерживаются на поверхности сетчатого цилиндра 12 и за счет колебаний, создаваемых цилиндрическими пружинами 13, стряхиваются вниз.

Так как полый перфорированный каркас 6 с фильтровальным материалом 7 колеблются с амплитудой A0 вынужденных колебаний, создаваемых виброприводом 9, то мелкие частицы, проскакиваемые сквозь ячейки сетчатого цилиндра 12, накапливаются в виде осадка на фильтровальном материале 7 и под действием вибрации стекают вниз в коническое днище 3. Частицы осадка, сопрягаясь с поверхностью фильтровального материала 7, инерционными силами вибрации выбиваются из пор фильтровального материала 7, то есть непрерывно его регенерируют, за счет выбивания (выталкивания) вибрациями частиц из пор фильтровального материала наружу и оттряхивания этих частиц с поверхности фильтрующего элемента. После завершения цикла виброфильтрования подачу исходной очищаемой жидкости в патрубок 5 прекращают, останавливают работу вибропривода 9, сливают фильтрат по патрубку 11 и удаляют шлам из уловленных частиц, открывая патрубок 4.

Предлагаемая конструкция вибрационного фильтра позволяет вести фильтрование в резонансном режиме сетчатого цилиндра 12, обеспечивающего при высокой амплитуде A >> A0 полное разрушение и страхования осадка из улавливаемых частиц на поверхности сетчатого цилиндра 12, а виброфильтрование на фильтровальном материале 7 с амплитудой A0 << A обеспечивает образование осадка в кольцевом зазоре между сетчатым цилиндром 12 и фильтровальным материалом 7, непрерывное сползание этого осадка вниз и регенерацию пор фильтровального материала 7. Такой непрерывный процесс виброфильтрования через слой осадка без остановки работы на удаление осадка и регенерацию пор фильтровального материала 7 обеспечивает высокую производительность при заданной степени очистки фильтруемой жидкости.

Пример 1. Расчет упругости витков каждой цилиндрической пружины 13.

Проводим на вибрационном фильтре предлагаемой конструкции очистку глицерина при температуре 20°C и динамической вязкости μ=1 Па·с. Принимаем диаметр перфорированного каркаса 6 d=0,5 м, а высоту h=0,8 м.

Тогда диаметр сетчатого цилиндра 12 составит:

м,

а высота H=h=0,8 м.

Площадь поверхности сетчатого цилиндра 12:

м²

Удельная плотность металлической сетки, выполненной из стальной проволоки плотностью ρ=8000 кг/м³, толщиной δ=0,002 м (2 мм) и удельной массой ε=21 кг/м², составит ε=8,37 кг/м².

Тогда масса сетчатого цилиндра:

кг.

Примем число цилиндрических пружин n=4.

Определяем по уравнению (3) упругость каждого витка цилиндрической пружины при частоте ν=10Гц.

H/м,

или кг/мм.

Выбираем ближайшую цилиндрическую пружину растяжения из справочника конструктора-машиностроителя a=1,37 кг/мм [Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Издание 3-е переработанное и дополненное. - М: Машиностроение, 1967, C. 547 (всего 688 стр)] из проволоки диаметром dn=1мм с наружным диаметром витка 10мм. Под статической нагрузкой P1=2,18кг деформацией одного витка составит f1=1,59мм, а шаг витка t1 = 2,07 мм.

Расчет резонансной амплитуды колебаний сетчатого цилиндра 12.

В режиме резонанса отношение амплитуды резонансной вибрации A сетчатого цилиндра 12 к амплитуде A0 вынужденных колебаний вибропривода 9 определяется уравнением:

,

где n - удельное сопротивление среды в которой происходят колебания, н/(м/с·кг).

Так как , где в - коэффициент сопротивления среды, н/(м/с).

Тогда с учетом последнего выражения для n получаем:

.

Определим коэффициент сопротивления среды в, как силу, приходящуюся на единицу скорости.

Сила сопротивления среды:

,

где τ - касательные напряжения, Па;

F - поверхность сетчатого цилиндра 12, м².

По уравнению течения вязкой жидкости:

.

Тогда уравнение приобретает вид:

,

а .

Подставляя значения сопротивления среды, получаем выражение для отношения резонансной амплитуды колебаний сетчатого цилиндра 12 к амплитуде колебаний вибропривода 9:

.

Следовательно, при частоте вынужденных колебаний вибропривода 9 ν=10Гц и амплитуде A0 = 0,5 мм резонансная амплитуда сетчатого цилиндра составит A = 13 мм.

Таким образом, использование вибрационного фильтра, состоящего из цилиндрического корпуса, патрубков подвода очищаемой среды, отвода уловленных частиц и отвода очищенной жидкости, гофрированного шланга, фильтрующего элемента, выполненного в виде полого перфорированного каркаса с размещенным на нем фильтровальным материалом, сетчатого цилиндра, установленного на крышке посредством цилиндрических пружин, равномерно расположенных по всей длине его окружности, позволяет увеличить времени эксплуатации фильтра.

Claims (7)

1. Вибрационный фильтр, состоящий из цилиндрического корпуса, патрубков подвода очищаемой среды и отвода уловленных частиц, снабженного гофрированным шлангом фильтрующего элемента, выполненного в виде полого перфорированного каркаса с размещенным на нем фильтровальным материалом, отличающийся тем, что фильтрующий элемент снабжен патрубком отвода очищенной жидкости, дополнительно содержит сетчатый цилиндр, установленный на крышке посредством цилиндрических пружин, равномерно расположенных по всей длине его окружности, а упругость витков каждой цилиндрической пружины определяется выражением
2. ,
3. где α - упругость витков цилиндрической пружины, н/м;
4. ν - частота колебаний вибропривода, Гц;
5. π= 3,14 - число Пи;
6. M - масса сетчатого цилиндра, кг;
7. n - число цилиндрических пружин.

Images