Патронный фильтрующий элемент и фильтр с использованием патронного фильтрующего элемента
Изобретение относится к конструкции фильтрующих элементов и может быть использовано для тонкой очистки воды. Патронный фильтрующий элемент содержит закрепленную на каркасе фильтрующую поверхность, сформированную путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки, фильтрующий элемент выполнен многослойным; каркас каждого фильтрующего слоя включает жестко установленные вертикальные стержни из нержавеющей стали, между которыми установлены, за исключением последнего слоя, волнообразные или зигзагообразные проволочные элементы с поперечным сечением того же типоразмера, что и вертикальные стержни, с возможностью разделения объема между вертикальными стержнями на отдельные ячейки, на наружной поверхности каркаса каждого фильтрующего слоя жестко закреплена фильтрующая поверхность путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного/ трапецеидального сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки с расширением щели в направлении фильтрации, все фильтрующие слои, включающие каркас и фильтрующую поверхность из треугольной/трапецеидальной проволоки, размещены в патроне коаксиально с зазором между слоями, достаточным для сборки слоев без натяга, по крайней мере, с зазором не более 1/20-1/10 от толщины фильтрующего слоя, типоразмер проволоки и размер щели фильтрующего слоя уменьшаются в последующих слоях в направлении фильтрации с соблюдением условия, при котором щель составляет до 1/6-1/5 от размера основания треугольника/трапеции в сечении проволоки, причем с уменьшением размера фильтрующей щели высота проволоки не уменьшается для обеспечения конструктивной прочности и надежности слоя, а изменяется соотношение между шириной и высотой проволоки, а также для обеспечения отношения "щель:шаг укладки проволоки" по крайней мере до 0,20, щель в последнем фильтрующем слое в направлении фильтрации имеет размер с обеспечением заданной тонкости очистки, по крайней мере технологически достигаемую величину 0,010-0,005 мм, а размер щели предыдущих слоев уменьшается от наружного слоя к последующим слоям либо по линейной зависимости, либо в соответствии с функциональной зависимостью между размером частиц и их массой в объеме очищаемой воды, внутренняя поверхность последнего слоя с наименьшей щелью между витками проволоки образует канал выхода очищенной воды, при этом сечение канала по оси патрона превышает суммарное живое сечение фильтрующих щелей в последнем слое в направлении фильтрации, причем сечение выходного канала выбрано из условия, что скорость потока в канале не более 1 метра в секунду с обеспечением режима ламинарного потока воды в выходном канале, каждый фильтрующий слой закрыт сверху и снизу торцевыми кольцевыми заглушками, а патрон в целом в нижней части закрыт заглушкой, выполненной заодно с пробкой, совмещаемой без натяга с внутренней поверхностью выходного канала, а в верхней части патрон снабжен герметичной крышкой с патрубком для выхода очищенной воды, снабженной средствами установки и крепления патрона в рабочем вертикальном положении в фильтруемой среде. Технический результат изобретения - повышение тонкости очистки с одновременным увеличением поверхности фильтрующего слоя, а следовательно, и производительности очистки, снижение времени на очистку и регенерацию фильтра, увеличение времени цикла между регенерациями фильтра за счет организации пространства для размещения осадка. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к конструкции фильтрующих элементов и может быть использовано для тонкой очистки воды.
Известен патронный фильтрующий элемент по патенту на ПМ 127654, МПК В01D 29/48. Патронный фильтрующий элемент, содержащий трубчатый каркас с перфорацией в виде прорезей, на поверхности которого размещена фильтрующая перегородка. Прорези перекрыты щелевыми металлическими накладками или в виде плоских рамок, или в виде секторной части продольно разрезанного цилиндра. Поверхность накладок образована отрезками проволоки с треугольным или трапецеидальным сечением, закрепленными сваркой с фиксированным зазором. Проволоки укладываются и крепятся одной из треугольных вершин вниз, к поверхности трубчатого каркаса. Щелевые накладки могут соответствовать размеру прорезей и крепятся непосредственно в прорези, а если размеры превышают размеры прорезей, тогда они крепятся поверх прорезей.
Недостатки: малая производительность, по крайней мере из-за малой площади перфораций в виде прорезей на трубчатом каркасе, конструкция низкой технологичности из-за индивидуального крепления фильтрующей рамки для каждой прорези. Фильтроэлемент не обеспечивает тонкой очистки, позволяет укладку проволоки с шагом 0,2 мм или 0,4 мм.
Известен фильтрующий элемент по патенту на ПМ 160446, МПК В01D 29/00. Фильтроэлемент содержит силовой каркас из стержней, расположенных по образующей тела вращения, в частности по образующей цилиндрической или конической поверхности, и скрепленную с ним фильтрующую оболочку, выполненную в виде навитой на силовые стержни определенным шагом и скрепленной с ними сваркой профилированной проволоки с образованием для фильтрации щелей, при этом поверхность проволоки фильтрующей оболочки со стороны поступления фильтруемого вещества содержит фильтрующие каналы соединяющие щели, расположенные между соседними витками проволоки.
Проволока фильтрующей оболочки выполнена в сечении многоугольной формы, в частности треугольной, при этом одна из ребер проволоки соединена сваркой с силовым каркасом, на противоположной этому ребру проволоки грани расположены фильтрующие каналы. Фильтрующие каналы выполнены расширяющимися в направлении поступления фильтруемой жидкости.
К недостаткам следует отнести недостаточную производительность фильтроэлемента при решении задачи тонкой очистки, что требует изготовления очень малых фильтрующих каналов, что снижает проходное сечение.
Наиболее близким по назначению и конструкции патронному фильтрующему элементу является изобретение по патенту РФ №2229795, МПК A01J 9/02, B01D 29/48. Согласно описанию, фильтр содержит герметичный разъемный корпус с патрубками для входа и выхода и фильтрующий элемент патронного типа. Фильтрующий элемент выполнен двухступенчатым и состоит из патронов грубой и тонкой очистки, монтированных на общем основании один в другом. Входной патрубок выполнен в виде трубы, пропущенной через фильтрующий элемент в полость, расположенную между дном корпуса и крышкой наружного фильтрующего патрона. Каждый патрон представляет собой каркас, на который навита пружина из нержавеющей проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками пружины. Фильтрующие поверхности патронов отличаются друг от друга размерами фильтрующих щелей. Фильтрующая поверхность патрона тонкой очистки молока имеет фильтрующую щель 0,07 мм, а фильтрующая щель патрона грубой очистки выполнена равной 0,140-0,180 мм, т.е. соотношение фильтрующих щелей первой и второй ступени очистки выполнено равным не более 2,5:1. Каждый патрон снабжен герметичной крышкой, закрепленной на хвостовой части входного патрубка при помощи гайки. Для обеспечения герметизации стыка между стаканом и основанием корпуса в конструкцию введена прокладка. Части корпуса соединены между собой быстросъемным соединением. По окончании работы корпус благодаря наличию быстросъемного соединения легко отсоединяют от основания, откручивая гайки, снимают патроны грубой и тонкой очистки и производят санитарно-гигиеническую промывку деталей фильтра.
Недостатки указанного фильтра состоят в том, что он не обеспечивает достаточно тонкой очистки (0,07 мм), а при повышении степени очистки не обеспечивает необходимой производительности. Производительность также занижена ввиду очистки фильтра путем его ручной разборки и промывки, что увеличивает время простоя.
Известны конструкции фильтров, использующих блоки патронных фильтрующих элементов.
Известен намывной фильтр (см. А.С. Копылов, Е.И. Верховский. Спецводоочистка на атомных электростанциях. - М.: Высшая школа, 1988. - с. 141). Фильтр изготавливают из нержавеющей стали диаметром 0,4-1,2 м и площадью поверхности фильтрования 2-25 кв.м. Намывной фильтр состоит из цилиндрического корпуса, конического или сферического днища и съемной сферической крышки. На трубной доске, расположенной между корпусом и крышкой, закреплены цилиндрические фильтрующие элементы. Фильтрующие элементы представляют собой перфорированную трубку с нарезной резьбой для дистанционирования навитой проволоки. Шаг резьбы и диаметр проволоки выбирают такими, чтобы зазор между витками не превышал 0,1 мм. К фильтру приварены патрубки для подвода и отвода воды. Во время рабочего цикла контролируют его производительность, не допуская ее снижения более, чем на 50% во избежание сползания намывного фильтрующего слоя с патронов. Смыв частиц с поверхности патронов осуществляют гидравлическим ударом. В рабочем режиме фильтр допускает 30-50 циклов регенерации. В указанном фильтре недостаточны производительность фильтра и тонкость очистки.
Известен патронный фильтр по патенту RU 2396103, МПК B01D 27/08 для тонкой высокоэффективной очистки жидкостей от механических примесей. Патронный фильтр содержит корпус, разделенный трубной доской на верхнюю и нижнюю камеры, фильтрующие патроны с защитными футлярами, закрепленные открытыми концами в трубной доске и установленные вертикально, патрубки с задвижками. Защитные футляры расположены в верхней камере, являющейся камерой исходной жидкости, выполнены из герметичного материала с открытыми концами, как нижними, скрепленными с трубной доской, так и верхними, скрепленными с верхними открытыми концами фильтрующих патронов, нижние открытые концы которых соединены со второй трубной доской, выполненной из проницаемого материала, расположенной ниже выходного патрубка и отделяющей нижнюю камеру, являющуюся камерой очищенной жидкости, от нижней части верхней камеры исходной жидкости, которая соединена с ее нижней частью с помощью внутренних полых цилиндрических каналов фильтрующих патронов.
Фильтр характеризуется продолжительностью работы фильтра между профилактическими мероприятиями, однако, указанная продолжительность недостаточна ввиду того, что механические загрязнения оседают на внутренних поверхностях фильтрующих патронов, и перемещаются в режиме фильтрации потоком исходной жидкости в нижнюю часть верхней камеры исходной жидкости, но такая очистка малоэффективна.
Известен фильтрующий аппарат по патенту РФ 2668867, МПК B01D 29/11 для использования в химической, нефтеперерабатывающей, металлургической промышленности для очистки различных жидкостей (газов) от загрязнений, наиболее близкий заявляемому фильтру по существу.
Фильтрующий аппарата содержит цилиндрический корпус, как показано на фиг. 2 описания к 2668867, разделенный перегородкой (так называемой трубной доской) на нижнюю и верхнюю камеры. На перегородке со стороны верхней камеры установлены резьбовые патрубки, к которым крепятся фильтры. Разъемное резьбовое соединение фильтров позволяет разместить большое количество фильтров. Доступ к резьбовым патрубкам осуществляется благодаря разъемному соединению заглушки (роль крышки) с корпусом. Фильтры включают цилиндрический перфорированный каркас с закрытым верхним торцом, на внутренней поверхности каркаса размещен фильтрующий элемент, а второй торец каркаса герметично скреплен с цилиндрической втулкой с внутренней резьбой, с помощью которой фильтры устанавливают на патрубках. Устройство затяжки резьбы расположено со стороны закрытого торца. В аппарате обеспечено удобство монтажа (демонтажа), параллельная работа большого количества фильтров, уменьшение габаритов аппарата. Вместе с тем в аппарате не предусмотрена регенерация фильтров, а лишь их замена, что снижает долговечность фильтра и его производительность. Недостаточна тонкость очистки, так как повышение тонкости очистки при неизменной производительности возможно только при значительном увеличении размеров аппарата такой конструкции, а также недостаточна шламоемкость одного слоя фильтрующего элемента.
Техническая задача изобретения состоит в том, чтобы
- повысить тонкость очистки с одновременным увеличением поверхности фильтрующего слоя, а следовательно, и производительности очистки,
- снизить время на очистку и регенерацию фильтра,
- увеличить время цикла между регенерациями фильтра за счет организации пространства для размещения осадка.
Примечание далее по тексту: термин "проволока треугольного сечения", "основание треугольника", "треугольная проволока" следует понимать в том числе как "проволока и треугольного, и трапецеидального сечения", "основание треугольника или основание трапеции", "треугольная или трапецеидальная проволока" ввиду проявления идентичных свойств указанных понятий в отношении материалов заявки.
Заявляется:
Патронный фильтрующий элемент, содержащий закрепленную на каркасе фильтрующую поверхность, сформированную путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки, отличающийся тем, что
- фильтрующий элемент выполнен многослойным,
- каркас каждого фильтрующего слоя включает жестко установленные вертикальные стержни из нержавеющей стали, между которыми установлены, за исключением последнего слоя, волнообразные или зигзагообразные проволочные элементы с поперечным сечением того же типоразмера, что и вертикальные стержни, с возможностью разделения объема между вертикальными стержнями на отдельные ячейки,
- на наружной поверхности каркаса каждого фильтрующего слоя жестко закреплена фильтрующая поверхность путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки с расширением щели в направлении фильтрации,
- все фильтрующие слои, включающие каркас и фильтрующую поверхность из треугольной проволоки, размещены в патроне коаксиально с зазором между слоями, достаточным для сборки слоев без натяга, по крайней мере, с зазором не более 1/20-1/10 от толщины фильтрующего слоя,
- типоразмер проволоки и размер щели фильтрующего слоя уменьшаются в последующих слоях в направлении фильтрации с соблюдением условия, при котором щель составляет до 1/6-1/5 от размера основания треугольника в сечении проволоки, причем с уменьшением размера фильтрующей щели высота проволоки не уменьшается для обеспечения конструктивной прочности и надежности слоя, а изменяется соотношение между шириной и высотой проволоки, а также для обеспечения отношения "размер щели: шаг укладки проволоки", по крайней мере, до 0,20,
- щель в последнем фильтрующем слое в направлении фильтрации имеет размер с обеспечением заданной тонкости очистки, по крайней мере технологически достигаемую величину 0,010-0,005 мм, а размер щели предыдущих слоев уменьшается от наружного слоя к последующим слоям либо по линейной зависимости, либо в соответствии с функциональной зависимостью между размером частиц и их массой в объеме очищаемой воды,
- внутренняя поверхность последнего слоя с наименьшей щелью между витками проволоки образует канал выхода очищенной воды, при этом сечение канала по оси патрона превышает суммарное живое сечение фильтрующих щелей в последнем слое в направлении фильтрации, причем сечение выходного канала выбрано из условия скорости потока в канале не более 1 метра в секунду с обеспечением режима ламинарного потока воды в выходном канале,
- каждый фильтрующий слой закрыт сверху и снизу торцевыми кольцевыми заглушками, а патрон в целом в нижней части закрыт заглушкой, выполненной заодно с пробкой, совмещаемой без натяга с внутренней поверхностью выходного канала, патрон в верхней части снабжен герметичной крышкой с патрубком для выхода очищенной воды, снабженной средствами установки и крепления патрона в рабочем вертикальном положении в фильтруемой среде, например, в виде резьбового соединения, включающего патрубок выходного канала с наружной резьбой и гайку. Крышки и заглушки патронного фильтрующего элемента соединены с патроном или жестко посредством сварки, или посредством разборного резьбового соединения.
Патронный фильтрующий элемент используется в конструкции заявляемого фильтра.
Фильтр с использованием заявляемого патронного фильтрующего элемента, содержащий цилиндрический корпус с патрубками подвода и отвода воды, разделенный перегородкой на нижнюю камеру подачи очищаемой воды и верхнюю камеру отвода очищенной воды, герметичную крышку корпуса, фильтрующие элементы, закрепленные на перегородке, отличающийся тем, что
- фильтрующие элементы выполнены в виде заявляемых вышеуказанных патронных фильтрующих элементов,
- патронные фильтрующие элементы (далее также патронные фильтроэлементы) размещены вертикально в рабочем положении в нижней камере и герметично скреплены с перегородкой, при этом фильтрующие элементы размещены с обеспечением сообщения каналов выхода очищенной воды фильтрующих элементов посредством их патрубков с верхней камерой отвода очищенной воды,
- патронные фильтрующие элементы размещены с обеспечением равной удаленности друг от друга и между корпусом фильтра и патронными фильтрующими элементами, по крайней мере, в соответствии с топологией размещения элементов в плане по шестилучевой симметрии в узлах и центре сотовой шестигранной решетки,
- патрубки подвода очищаемой воды и отвода очищенной воды корпуса фильтра снабжены запорной трубопроводной арматурой с возможностью осуществления периодического реверсирования режима подачи очищенной воды в верхнюю камеру и отвода очищаемой воды из нижней камеры.
Патронные фильтрующие элементы могут быть скреплены с перегородкой посредством или резьбового соединения, или клеевого соединения, или с помощью сварки, которые выполняют аналогичные функции для цели герметичной установки фильтроэлементов на перегородке.
Изобретение поясняется фигурами:
на фиг. 1 - патронный фильтрующий элемент в разрезе;
на фиг. 2 - схема расположения фильтрующих слоев в сечении патронного фильтрующего элемента,
на фиг. 3 - вид каркаса в каждом слое и иллюстрация шламоемкости,
на фиг. 4 - график массового распределения частиц в жидкости по нормально-логарифмическому закону;
на фиг. 5 и 6 - иллюстрация шламоемкости фильтрующих слоев одинаковой высоты/ толщины и разной высоты/ толщины в зависимости от фракций частиц;
на фиг. 7 - зависимость толщины фильтрующего слоя от массы улавливаемых частиц;
на фиг. 8 - разрез фильтра с блоком патронных фильтрующих элементов,
на рис. 9 - схема топологии фильтрующих элементов в плане в узлах шестигранной решетки.
Патронный фильтрующий элемент представляет собой щелевой фильтрующий (шпальтовый) элемент, изготовленный из нержавеющей стальной проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки. Наиболее часто используемые для щелевых шпальтовых сит марки стали AISI 304 (10Х18Н9, 08Х18Н10); AISI321 (12Х18Н10Т, 08Х18Н10Т); AISI 316L (03Х17Н14МЗ).
Предложенный фильтрующий элемент 1 выполнен многослойным и состоит из нескольких щелевых фильтрующих слоев. Каждый фильтрующий слой 2 содержит жесткий каркас 3, изготовленный из нержавеющей стали. Каркас образуют вертикальные стержни 4 в виде образующих цилиндрический поверхности, а между ними установлены, например, приварены к стержням 4, волнообразные или зигзагообразные проволочные элементы 5 (далее для упрощения - зигзагообразная проволока) с поперечным сечением того же типоразмера, что и вертикальные стержни, и не выходящие за пределы цилиндрической поверхности стержней 4. Зигзагообразная проволока 5 позволяет разделить области между вертикальными стержнями на отдельные ячейки 6, которые в режиме фильтрации будут выполнять роль ячеек-карманов для сбора осадка. Волнообразные или зигзагообразные проволочные элементы в последнем фильтрующем слое отсутствуют, так как после прохождения последнего сита с наименьшим размером щелей осадок в воде отсутствует (или по тонкости меньше заданного).
На наружной поверхности каркаса 3 каждого фильтрующего слоя 2 формируют щелевую гладкую фильтрующую поверхность 7. Ее изготавливают на современных автоматических станках (одно из множества предложений от фирмы " HEBEI OUKER WIRE MESH EQUIPMENT CO., LTD", China) путем укладки по спирали нержавеющей проволоки 8 треугольного или трапецеидального сечения с фильтрующей щелью 9 между витками проволоки с расширением щели в направлении фильтрации. Проволока приваривается к стержням 4 во всех точках пересечения. Характерным преимуществом изготовления щелевых фильтрующих поверхностей является очень высокая точность укладки проволоки 8 с гарантированным жестким допуском на размер щели между соседними витками проволоки. Профилирующие станки нового поколения обеспечивают качество поверхности и высокую точность геометрии треугольной проволоки - до 15 микрон (0.015 мм) в зависимости от потребностей.
Важным показателем эффективного использования фильтров, в частности щелевого фильтра, является коэффициент живого сечения фильтра как отношение суммарной площади фильтрующих щелей 9 между проволоками к площади всей фильтрующей поверхности 7. Малое соотношение свидетельствует о необходимости увеличения габаритов фильтра и снижении производительности очистки. Согласно заявляемому патронному фильтрующему элементу, фильтрующая щель в слое 10, в последнем в направлении фильтрации, имеет размер 0,010-0,005 мм, соответствующий, с одной стороны, заданной тонкости очистки, и, с другой стороны, указанный размер имеет, по крайней мере, технологически достигаемую величину, и фильтрующая поверхность с такой щелью может быть реализована в современных условиях. При таких малых величинах удовлетворительный коэффициент живого сечения может быть получен с использованием для навивки треугольной проволоки также малого сечения, например, 0,02 мм. Известные в настоящее время на практике типоразмеры треугольной проволоки имеют определенную широко распространенную форму сечения, например, угол сужения 7°-8° от основания треугольника к его вершине. Проволока с таким сечением и малого размера не может обеспечить конструктивной прочности фильтрующего слоя и технологических приемов для ее намотки. Согласно заявленному изобретению, для создания патронного фильтрующего элемента высокой тонкости очистки и высокой производительности на единицу объема фильтроэлемента, предложено использование проволоки, у которой размер основания треугольника в сечении больше задаваемой фильтрующей щели в 4-5 раз, но при этом высота проволоки не уменьшается при уменьшении ширины щели и выбирается достаточной для обеспечения конструктивной прочности. Предлагается, что ширина щели стремится к 1/6-1/5 от ширины проволоки, при другом соотношении увеличиваются габариты, а живое сечение уменьшается. Также расчетным путем получено оптимальное отношение "ширины щели: шаг укладки проволоки", по крайней мере, до 0,20.
Все фильтрующие слои 2, включающие каркас 3 и гладкую фильтрующую поверхность 7 из приваренной к каркасу треугольной проволоки 8, размещены в патроне 1 коаксиально с зазором 11 между фильтрующими слоями, достаточным для сборки слоев в патроне без натяга, по крайней мере, с зазором не более 1/20-1/10 от толщины фильтрующего слоя 2. В режиме очистки в этой области каркаса распределена очищаемая вода и отфильтрованный осадок 12. Толщину фильтрующего слоя составляют толщина стержней 4 каркаса и высота укрепленной на каркасе треугольной проволоки 8. Типоразмер проволоки и фильтрующая щель 9 уменьшаются в последующих слоях в направлении фильтрации. Фильтрующая щель в последнем слое 10 в направлении фильтрации выбирается разработчиком из условия обеспечения необходимой тонкости очистки. Как показано выше, при получении воды питьевого качества задан размер щели в последнем слое 0,010-0,005 мм, а размеры щелей предыдущих слоев уменьшаются от наружного слоя к последующим слоям либо по линейной зависимости, либо в соответствии с функциональной зависимостью между размером частиц и их массой в объеме очищаемой воды. Например, при линейной зависимости: размер щели 1-го слоя 0,05, последнего слоя 0,005 мм, фильтрующих слоев 5, параметры щелей первого и последующих соседних фильтрующих слоев слоев 0,05-0,025-0,015-0,010-0,005 мм.
Принципы конструирования многослойного патрона и расчет высоты фильтрующих слоев иллюстрируется фигурами 4-7, где di и fi - размер частиц i-ой фракции и их относительная масса в очищаемой воде; hi-высота i-ro фильтрующего слоя 2. На фиг. 4 представлена зависимость распределения твердых частиц в жидкости по нормально-логарифмическому закону, где показано, что частицы средней фракции 5-15 мкм составляют 60-70% массы всех частиц. Эта масса должна быть отфильтрована, например, вторым и третьим слоями. Соответственно высота второго и третьего слоев проектируется с возможностью размещения массы частиц этой фракции в ячейках-карманах 6. На фиг. 7 показана пропорциональная зависимость, где высота каркаса i-го фильтрующего слоя тем больше, чем больше относительная масса i-ой фракции, улавливаемой этим слоем. При реализации патронного фильтрующего элемента, где высота каждого слоя 2 соответствует массе отсеянных частиц этим слоем (показано на фиг. 6), обеспечивается примерно равная по времени наполняемость ячеек-карманов, благодаря не одинаковой шламоемкости. В целом это приводит к существенному увеличению производительности фильтропатрона ввиду увеличения времени цикла между регенерациями фильтра за счет организации пространства для размещения осадка. На практике технологические усложнения конструкции в виде проектирования и реализации фильтрующих слоев разной высоты в обоснованных случаях могут быть признаны как нецелесообразные и удовлетворительным может быть признан вариант патронного фильтрующего элемента с фильтрующими слоями одинаковой толщины. При линейном уменьшении щелей к последнему слою в направлении фильтрации рабочая нагрузка на фильтрующие слои неодинаковая (фиг. 5) и несколько снизится производительность и время цикла регенерации фильтроэлемента по сравнению с выше описанным режимом, но снизятся затраты на изготовление и эксплуатацию.
Внутренняя поверхность последнего слоя 10 с наименьшей фильтрующей щелью образует канал 13 выхода очищенной воды, при этом сечение канала по оси патрона превышает суммарное живое сечение фильтрующих щелей в последнем слое 10. Сечение выходного канала определяется из условия скорости потока в канале не более 1 метра в секунду. При такой скорости вода в выходном канале 13 не выходит из режима ламинарного потока.
Каждый фильтрующий слой 2 патрона 1 закрыт сверху и снизу торцевыми кольцевыми заглушками 14 с обеспечением плотной посадки заглушек на кольцевом слое 2 и изоляции внутренних объемов всех фильтрующих слоев 2 между собой. Патрон в целом в нижней части закрыт заглушкой 15, выполненной заодно с пробкой 16, совмещаемой без натяга с внутренней поверхностью выходного канала 13. Пробка поддерживает коаксиальное положение вертикальных стержней 4 каркаса 3. Верхняя часть патрона 1 закрыта герметичной крышкой 17 с патрубком 18 для выхода очищенной воды. Крышки и заглушки патронного фильтрующего элемента 1 могут быть соединены с патроном или жестко посредством сварки (поз. 19 фиг. 1), или посредством разборного резьбового соединения (на фигурах не показано). В рабочем положении патрон 1 устанавливается и закрепляется в емкости с фильтруемой средой 20 вертикально, и для этой цели патрубок 18 снабжен средствами установки и крепления патрона в рабочем вертикальном положении в фильтруемой среде, например, с помощью резьбы на патрубке, гайки и герметизирующих материалов.
Процесс фильтрации с использованием заявляемого патронного фильтрующего элемента 1 осуществляется следующим образом.
Очищаемая жидкость последовательно проходит фильтрующие слои от наружного слоя к выходному каналу 13 по оси патронного фильтроэлемента. На гладкой фильтрующей поверхности 7 оседают частицы 12 без создания плотного намывного слоя осадка, так как ввиду расширения щелей 9 в направлении фильтрации не происходит накопления частиц между смежными гранями витков из-за увеличения расстояния между ними в направлении потока воды. Количество фильтрующих слоев и отсутствие материала вспомогательной фильтровальной загрузки увеличивает допустимый объем слоя осадка в 100-200 раз, и следовательно время цикла фильтрации значительно увеличивается.
В зазоре 11 между фильтрующими слоями частицы 12 свободно перемещаются потоком жидкости. Однако, благодаря ячейкам-карманам 6, образованным зигзагообразной проволокой 5, обеспечивается накопление и удержание осадка 12 в каждом слое и равномерно по поверхности 7 отдельного слоя, в том числе при вертикальной рабочей ориентации патрона, что увеличивает стабильность процесса фильтрации по всей поверхности и время непрерывной работы. Причем осадок также классифицирован по размеру в соответствии с размерами щелей 9 в каждом слое. При промывке патронного фильтрующего элемента 1 противотоком воды осадок 12, равномерно распределенный по поверхности, свободно, одновременно по всему объему и поэтому быстро проходит через щелевые промежутки предыдущего слоя. Время регенерации такого фильтра по сравнению с известными существенно уменьшается в 5-10 раз.
Фильтр с использованием заявляемого патронного фильтрующего элемента содержит цилиндрический корпус 21, разделенный перегородкой 22 на нижнюю камеру 23 подачи очищаемой воды и верхнюю камеру 24 отвода очищенной воды, герметичную крышку 25 корпуса, фильтрующие элементы 1, закрепленные на перегородке посредством резьбового соединения, патрубки подвода и отвода воды 26 и 27 соответственно. Фильтрующие элементы фильтра выполнены в виде указанных заявляемых патронных фильтрующих элементов 1.
Патронные фильтрующие элементы 1 размещены в нижней камере 23 и герметично скреплены с перегородкой 22, например, посредством резьбового соединения, включающего патрубок 18 выходного канала патронного фильтрующего элемента с наружной резьбой и гайку (резьбовое соединение и герметизирующие материалы подробно не представлены на фигурах как общеизвестные). Патрубок 18 обеспечивает сообщение каналов 13 выхода очищенной воды патронных фильтрующих элементов 1 с верхней камерой 24 отвода очищенной воды. Фильтроэлементы могут быть скреплены с перегородкой не только с помощью резьбового соединения, но и посредством или клеевого соединения, или с помощью сварки, которые выполняют аналогичные функции для цели герметичной установки фильтроэлементов на перегородке. Патронные фильтрующие элементы целесообразно размещать в объеме корпуса 21 фильтра с обеспечением равной удаленности друг от друга и между корпусом фильтра и патронными фильтрующими элементами 1. Такому преимущественному решению соответствует топология размещения элементов в плане в узлах и по центру сотовой шестигранной решетки, и схема размещения патронов иллюстрируется фиг. 9. Размещение патронов в узлах шестигранной решетки позволяет использовать максимальное количество объектов (патронных фильтров) на круговой площади в сечении фильтра и обеспечивает равномерное распределение по всему объему фильтра скорости потока очищаемой воды, равную нагрузку на каждый фильтроэлемент в целом и по площади его наружной цилиндрической поверхности и, как следствие, равную производительность фильтроэлементов с любой координатой в фильтре. Фильтр функционирует следующим образом.
В замкнутый объем нижней камеры 23 фильтра через патрубок 26 поступает очищаемая вода. Скорость движения воды в сечении между патронами не более 1 м/с во избежание завихрений и турбулентности. Очищаемая вода проходит через многослойную структуру патронных фильтрующих элементов и через внутренние выходные каналы 13 поступает, приобретая практически питьевое качество, в верхнюю камеру 24. Отфильтрованный осадок 12, разделенный по размеру в соответствии с размером щели 9 в каждом слое 2 в режиме ламинарного потока, удерживается на поверхности слоя и при этом равномерно распределяется по вертикальной поверхности каждого слоя внутри ячеек 6. В отличие от известных фильтров, у которых производительность снижается ввиду образования намывного фильтрующего слоя разнородной и плотной структуры и, в основном, вблизи поверхности фильтрования, в предложенном фильтре осадок разделен на фракции, распределен не на поверхности фильтроэлемента, а равномерно по всему объему. Изготовление ячеистого каркаса позволило увеличить шламоемкость патронных фильтрующих элементов и фильтра с их использованием не менее, чем на два порядка. Также ввиду расположения осадка равномерно по объему и по слоям патронов существенно снижается время на регенерацию фильтра путем подачи промывной воды, а снижение простоев позволяет увеличить производительность фильтра.
Для осуществления регенерации патрубки 26, 27 подвода очищаемой воды и отвода очищенной воды снабжены запорной трубопроводной арматурой с возможностью осуществления периодического реверсирования режима подачи очищенной промывной воды через патрубок 28 в верхнюю камеру и отвода промывной воды из нижней камеры через патрубок 29.
В предложенном фильтре тонкость очистки воды достигается не только ввиду применения фильтрующего слоя с минимально достижимым размером щели. Но также в связи с отсеиванием каждым слоем осадка определенной фракции, и при этом в каждом слое организован максимальный объем для размещения осадка. К примеру, патрон из пяти фильтрующих слоев функционирует как пять самостоятельных фильтров для определенного осадка. Фильтровальная нагрузка приходится не на первые 1-2 слоя, а равномерно распределяется по всем фильтрующим слоям. Это увеличивает период функционирования патронного фильтрующего элемента, в течение которого живое сечение сохраняется в каждом слое.
Предложенный фильтр обеспечивает высокую тонкость очистки воды, характеризуется повышенной шламоемкостью, обеспечивает повышенную производительность очистки. Фильтр позволяет снизить время на очистку и регенерацию фильтра, увеличить время цикла между регенерациями фильтра за счет организации пространства для размещения осадка.
Патронный фильтрующий элемент и фильтр с использованием такого патронного фильтрующего элемента может быть изготовлен на базе известных материалов и оборудования, в том числе с использованием треугольной проволоки требуемого сечения.
1. Патронный фильтрующий элемент, содержащий закрепленную на каркасе фильтрующую поверхность, сформированную путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен многослойным; каркас каждого фильтрующего слоя включает жестко установленные вертикальные стержни из нержавеющей стали, между которыми установлены, за исключением последнего слоя, волнообразные или зигзагообразные проволочные элементы с поперечным сечением того же типоразмера, что и вертикальные стержни, с возможностью разделения объема между вертикальными стержнями на отдельные ячейки, на наружной поверхности каркаса каждого фильтрующего слоя жестко закреплена фильтрующая поверхность путем укладки по спирали нержавеющей проволоки треугольного/трапецеидального сечения с фильтрующей щелью между витками проволоки с расширением щели в направлении фильтрации, все фильтрующие слои, включающие каркас и фильтрующую поверхность из треугольной/трапецеидальной проволоки, размещены в патроне коаксиально с зазором между слоями, достаточным для сборки слоев без натяга по крайней мере с зазором не более 1/20-1/10 от толщины фильтрующего слоя, типоразмер проволоки и размер щели фильтрующего слоя уменьшаются в последующих слоях в направлении фильтрации с соблюдением условия, при котором щель составляет до 1/6-1/5 от размера основания треугольника/трапеции в сечении проволоки, причем с уменьшением размера фильтрующей щели высота проволоки не уменьшается для обеспечения конструктивной прочности и надежности слоя, а изменяется соотношение между шириной и высотой проволоки, а также для обеспечения отношения "щель:шаг укладки проволоки" по крайней мере до 0,20, щель в последнем фильтрующем слое в направлении фильтрации имеет размер с обеспечением заданной тонкости очистки, по крайней мере технологически достигаемую величину 0,010-0,005 мм, а размер щели предыдущих слоев уменьшается от наружного слоя к последующим слоям либо по линейной зависимости, либо в соответствии с функциональной зависимостью между размером частиц и их массой в объеме очищаемой воды, внутренняя поверхность последнего слоя с наименьшей щелью между витками проволоки образует канал выхода очищенной воды, при этом сечение канала по оси патрона превышает суммарное живое сечение фильтрующих щелей в последнем слое в направлении фильтрации, причем сечение выходного канала выбрано из условия, что скорость потока в канале не более 1 метра в секунду с обеспечением режима ламинарного потока воды в выходном канале, каждый фильтрующий слой закрыт сверху и снизу торцевыми кольцевыми заглушками, а патрон в целом в нижней части закрыт заглушкой, выполненной заодно с пробкой, совмещаемой без натяга с внутренней поверхностью выходного канала, а в верхней части патрон снабжен герметичной крышкой с патрубком для выхода очищенной воды, снабженной средствами установки и крепления патрона в рабочем вертикальном положении в фильтруемой среде.
2. Патронный фильтрующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что крышки и заглушки патронного фильтрующего элемента соединены с патроном или жестко посредством сварки, или посредством разборного резьбового соединения.
3. Патронный фильтрующий элемент по п. 1, отличающийся тем, что средство установки и крепления патрона в рабочем вертикальном положении в фильтруемой среде выполнено в виде резьбового соединения, включающего патрубок выходного канала с наружной резьбой и гайку.
4. Фильтр с использованием патронного фильтрующего элемента, содержащий цилиндрический корпус, разделенный перегородкой на нижнюю камеру подачи очищаемой воды и верхнюю камеру отвода очищенной воды, герметичную крышку корпуса, фильтрующие элементы, закрепленные на перегородке, патрубки подвода и отвода воды, отличающийся тем, что фильтрующие элементы выполнены в виде патронных фильтрующих элементов по пп. 1-3, патронные фильтрующие элементы размещены вертикально в рабочем положении в нижней камере и герметично скреплены с перегородкой посредством резьбового соединения, включающего патрубок выходного канала с наружной резьбой, при этом указанный патрубок обеспечивает сообщение каналов выхода очищенной воды патронных фильтрующих элементов с верхней камерой отвода очищенной воды, патронные фильтрующие элементы размещены с обеспечением равной удаленности друг от друга и между корпусом фильтра и патронными фильтрующими элементами, патрубки подвода очищаемой воды и отвода очищенной воды снабжены запорной трубопроводной арматурой с возможностью осуществления периодического реверсирования режима подачи очищенной воды в верхнюю камеру и отвода очищаемой воды из нижней камеры.
5. Фильтр по п. 4, отличающийся тем, что топология размещения патронных фильтрующих элементов в плане образует в совокупности сотовую шестигранную решетку.
6. Фильтр по п. 4, отличающийся тем, что патронные фильтрующие элементы могут быть скреплены с перегородкой посредством или резьбового соединения, или клеевого соединения, или с помощью сварки.
