ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА

ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА


RU (11) 2291737 (13) C2

(51) МПК
B01D 46/24 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 26.12.2007 - может прекратить свое действие 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2001129220/15 
(22) Дата подачи заявки: 2001.10.29 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2001.10.29 
(43) Дата публикации заявки: 2003.07.10 
(45) Опубликовано: 2007.01.20 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2050945 C1, 27.12.1995. RU 2181616 C1, 27.04.2001. US 3955945 A1, 11.05.1976. 
(72) Автор(ы): Кобелев Николай Сергеевич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Курский государственный технический университет (RU) 
Адрес для переписки: 305040, г.Курск, ул. 50 лет Октября, 94, КГТУ, ОИС 

(54) ФИЛЬТР ДЛЯ ОЧИСТКИ ВОЗДУХА
Изобретение относится к очистке сжатого воздуха, в особенности от туманов, в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно на крупных компрессорных станциях со значительным суточным расходом сжатого воздуха. Фильтр содержит корпус с коническим днищем с отверстием в нижней части и верхней крышкой, перфорированный металлический цилиндр, обтянутый проволочной сеткой с фильтрующим элементом, штуцер вывода очищаемого воздуха с конической насадкой с радиальными канавками, штуцер ввода очищаемого воздуха, штуцера ввода и вывода сжатого воздуха, заполняющего полость рубашки. Штуцер ввода выполнен в виде суживающегося дозвукового сопла с криволинейными канавками на внутренней поверхности и имеет со стороны входа атмосферного воздуха металлические сетки. В корпусе укреплены форсунки. В днище установлен конденсатоотводчик. Отражательная перегородка с жестко закрепленной пористой пластиной подвижно укреплена посредством шарнира к верхней крышке, а тягой посредством рычага соединена с конденсатоотводчиком. Эта перегородка образует камеру между штуцером ввода и пластиной, а также камеру между перегородкой и фильтрующим элементом. Технический результат: снижение энергозатрат на производство сжатого воздуха путем использования газодинамического наддува всасываемого атмосферного воздуха за счет выполнения воздушного фильтра компрессора в виде резонатора с обеспечением постоянства резонансного объема в изменяющихся вибрационных условиях эксплуатации компрессорных станций. 1 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к очистке сжатого воздуха, в особенности от туманов, в различных отраслях народного хозяйства, преимущественно на крупных компрессорных станциях со значительным суточным расходом сжатого воздуха.

Известен фильтр для очистки воздуха(см. а.с. №1546109, М.Кл. В 01 D 46/24, Бюл. №8, 1990 г.), содержащий корпус с коническим днищем и верхней крышкой, перфорированный металлический цилиндр, обтянутый проволочной сеткой с фильтрующим элементом, соединенный со штуцером вывода очищаемого воздуха и имеющий коническую насадку с радиальными канавками на внешней поверхности штуцера ввода очищаемого воздуха, при этом корпус выполнен с отверстием в нижней части днища, снабжен рубашкой со штуцерами ввода и вывода сжатого воздуха, а штуцеры ввода очищаемого воздуха выполнены в виде суживающихся дозвуковых сопел с криволинейными канавками во внутренней поверхности и имеют со стороны входа атмосферного воздуха металлические сетки, кроме этого, фильтр снабжен форсунками для обдува сжатого воздуха фильтрующего элемента, установленными в крышке корпуса, конденсатоотводчиком, установленным в отверстии днища корпуса, и отражательной перегородкой.

Недостатком этого устройства являются затраты сжатого воздуха при дополнительном сбросе конденсата, получаемого в процессе тепловлажностной обработки всасываемого атмосферного воздуха в суживающемся дозвуковом сопле и омываемого с поверхности отражательной перегородки в днище фильтра.

Известен фильтр для очистки воздуха (см. патент РФ №2050945, МПК В 01 D 46/24, Бюл. №36, 1995 г.), содержащий корпус с коническим днищем, выполненным с отверстием в нижней части, перфорированный металлический цилиндр, обтянутый проволочной сеткой с фильтрующим элементом, соединенный со штуцером вывода очищаемого воздуха и имеющий коническую насадку с радиальными канавками на внешней поверхности, штуцера ввода очищаемого воздуха, выполненные виде суживающихся дозвуковых сопл с криволинейными канавками на внутренней поверхности и имеющие со стороны входа металлические сетки, рубашку со штуцерами ввода и вывода сжатого воздуха, форсунки для обдува сжатым воздухом фильтрующего элемента, установленные на крышке корпуса, конденсатоотводчик, расположенный в отверстии днища, и отражательную перегородку, снабженную пористой пластиной.

Недостатком данного изобретения является невозможность эффективного использования газодинамического наддува всасываемого через воздушный фильтр атмосферного воздуха в сложных эксплуатационных условиях, обусловленных сложными вибрационными колебаниями компрессора при производстве сжатого воздуха.

В основу изобретения поставлена задача снижения энергозатрат на производство сжатого воздуха путем использования газодинамического надува всасываемого атмосферного воздуха за счет выполнения воздушного фильтра компрессора в виде резонатора с обеспечением постоянства резонансного объема в изменяющихся вибрационных условиях эксплуатации компрессорной станции.

Технический результат достигается тем, что фильтр для очистки воздуха имеет такое пространственное расположение штуцера ввода очищаемого воздуха и отражательной перегородки, которое обеспечивает возникновение газодинамического надува всасываемого атмосферного воздуха, при этом поддержание постоянства резонансных собственных колебаний столба всасываемого воздуха обеспечивается нейтрализацией выпадающих из резонанса вынужденных поперечных и продольных вибрационных колебаний корпуса воздушного фильтра суммарным действием уровня жидкости в конденсатоотводчике и отражательной перегородке.

На чертеже дана принципиальная схема фильтра для очистки воздуха.

Фильтр состоит из корпуса 1 с коническим днищем 2, выполненным с отверстием в нижней части, и верхней крышкой 3, перфорированного металлического цилиндра 4, обтянутого проволочной сеткой 5 с фильтрующим элементом 6, соединенного со штуцером 7 вывода очищаемого воздуха, имеющего коническую насадку 8 с радиальными канавками 9 на внешней поверхности штуцера 10 ввода очищаемого воздуха, штуцеров ввода 11 и вывода 12 сжатого воздуха, заполняющего полость рубашки 13, при этом штуцер 10 выполнен в виде суживающегося дозвукового сопла с криволинейными канавками 14 на внутренней поверхности и имеет со стороны входа атмосферного воздуха металлические сетки 15, кроме того, в корпусе 1 укреплены форсунки 16 для обдува сжатым воздухом фильтрирующего элемента 6, установленные на крышке корпуса 7, а в коническом днище 2, выполненном с отверстием в нижней части, установлен конденсатоотводчик 17. Отражательная перегородка 18 с жестко закрепленной пористой пластиной 19 подвижно укреплена посредством шарнира 20 к верхней крышке 3, а тягой 21 посредством рычага 22 отражательная перегородка 18 жестко соединена с конденсатоотводчиком 17. При этом отражательная перегородка 18 образует камеру 23 межу штуцером 10 и пластиной 79, а так же камеру 24 между перегородкой 18 и фильтрующим элементом 6.

Фильтр работает следующим образом.

Атмосферный воздух, загрязненный капельной влагой и твердыми частицами пыли при положительных температурах окружающей среды или влагой в твердом и жидком состоянии при отрицательных температурах, поступает в многокомпонентном состоянии в штуцеры 10 корпуса 1. Частицы загрязнений, проходящие через съемные металлические сетки 15, в результате уменьшения сечения проходного штуцера 10, выполненного в виде суживающего сопла, и возрастания скоростей всасываемого потока оттесняются к стенке и попадают в криволинейные канавки 14, 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 суживающего дозвукового сопла, в виде которого выполнены штуцеры 10, что приводит к более интенсивной коагуляции легких мелких частиц и в конечном итоге улучшает работу фильтра. Это приводит к дополнительной коагуляции мельчайших частиц влаги, которая с твердыми частицами пыли, а при отрицательных температурах и с твердой фазой жидкости, ударяясь об отражательную перегородку 18 и пористую пластину 19, попадает на коническое днище 2 фильтра, где находится конденсат. В результате этого осуществляется смачивание упавших частиц, предотвращается их унос к фильтрующему элементу 6.

После выходного сечения штуцера 10 ввода очищаемого воздуха наблюдается поджатие струи закрученного потока атмосферного высасываемого воздуха, что приводит к коагуляции мелкодисперсных капелек, сконденсировавшихся в процессе завихрения атмосферной влаги. После поджатия происходит внезапное расширение с эффектом Джоуля-Томсона. Внезапное расширение сопровождается снижением скорости обрабатываемого потока воздуха и образованием факела (определяемого углом распыла, т.е. расстоянием до отражательной перегородки), оптимальные размеры которого обеспечивают эффективное использование теплоты испарения.

Термодинамический расслоенный в суживающемся дозвуковом сопле атмосферный воздух представляет собой два потока: холодный, насыщенный мелкодисперсной влагой процесса конденсации паров атмосферной влаги, за счет более низкой температуры его по сравнению с окружающей средой, горячий, насыщенный твердыми загрязнениями и крупнодисперсной жидкостью в случае наличия в окружающей фильтр среде дождя, тумана или снежного заряда (снегопад, метель).

Холодный поток, представляющий собой ядро влажного воздуха, выходящего из суживающего сопла, ударяется о пористую пластину 19, и мелкодисперсная жидкость, имеющая температуру холодного потока, заполняет поры малого диаметра пористой пластины, образуя пятно жидкости. Последующий контакт пятна жидкости с влажным воздухом, имеющим усредненную температуру (происходит смешивание в корпусе фильтра перед отражательной перегородкой холодного и горячего потоков), превышающую температуру жидкости в порах пористой пластины, приводит к ее испарению.

Эффективность охлаждения всасываемого воздуха за счет отбора теплоты на испарение жидкости из пор малого диаметра заключается в дополнительном аккумулировании объема жидкости по длине пор, что предотвращает отрыв жидкости без испарения основным потоком (скорость всасываемого воздуха достигает 10 м/с), омывающим отражательную перегородку, т.е. отсутствие пористой пластины с порами малого диаметра не позволило бы испарять в полном объеме жидкость, ударяющуюся об отражательную перегородку при внезапном расширении воздуха, выходящего из суживающего сопла.

Кроме того, конденсирующаяся и испаряющаяся в пористой пластине жидкость не сбрасывается в днище фильтра, что снижает частоту удаления конденсата с загрязнениями в атмосферу, а это приводит к экономии воздуха, используемого в процессе продувки полости слива конденсата.

Известно, что в процессе работы компрессорной установки наблюдаются продольные и поперечные вибрации компрессора и, соответственно, корпуса воздушного фильтра с всасывающим трубопроводом с частотой от 200 до 1500 Гц (см., например, Алексеев В.В., Брюховецкий О.С.Горная механика. - М.: Недра, 1995 - 413 с.; ил.). При наличии продольных и поперечных колебаний корпуса воздушного фильтра компрессора и данной скорости атмосферного воздуха, движущегося по элементам (до 10 м/с), может возникнуть эффект резонанса (газодинамического наддува). Применяя воздушный фильтр в качестве резонатора, повышают производительность компрессорной установки на 20-25% (см., например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. - Л., 1985, - 80 с.).

Роль резонатора в предлагаемом изобретении выполняет полость, образованная корпусом воздушного фильтра и соотношением его элементов, определяемым расстоянием между выходным сечением штуцера вывода очищаемого воздуха и отражательной перегородкой.

В результате пульсации движения воздуха в штуцере 10 ввода очищаемого всасываемого воздуха наблюдается вибрационное перемещение отражательной перегородки 18, подвижно укрепленной на шарнире 20. Кроме этого, твердые частицы загрязнений и каплеобразная влага, находящиеся во всасываемом воздухе в камере 23, ударяются об пористую пластину 19, отклоняя ее с отражательной перегородкой 18 в сторону камеры 24, объем которой является резонатором в корпусе 1 воздушного фильтра. В результате поступления всасываемого воздуха в компрессор создаются резонансные колебания столба всасываемого воздуха в камере 24 под действием возбудителей: уровня жидкости с конденсатоотводчиком 17 и отражательной перегородки 18, взаимосвязанных между собой посредством жестко соединенной тяги 21 и рычага 22, обеспечивающих суммарное действие на резонирующий объем как поперечных, так и продольных вибрационных колебаний. Данные колебания являются вынужденными, совпадающими по частоте с собственными колебаниями столба воздуха в корпусе фильтра, обусловлены работой компрессора с продольно-поперечными колебаниями, определяемыми спецификой эксплуатации компрессорной установки. Это приводит к тому, что в камере 24 к моменту закрытия всасывающих клапанов в компрессоре наблюдается максимум давления, а это увеличивает массовый заряд в цилиндре и повышает производительность компрессора.

Надежность автоматического поддержания режима резонанса в изменяющихся эксплуатационных и погодно-климатических условиях работы компрессора обеспечивается следующим образом. При уменьшении массы твердых и каплеобразных частиц в камере 23 (по условиям эксплуатации компрессора в окружающей воздушный фильтр среде отсутствуют дождь, снег, действие ветра в сторону штуцера 10 и т.д.) снижается сила удара их о пористую пластину 19 и отражательная перегородка отклоняется в камеру 24 на меньшую величину, в тоже время количество выпавших частиц в коническом днище 2 также уменьшается. В результате возрастают вибрации в поперечном направлении конденсатоотводчика 17 (чем меньше масса конденсата в днище 2, тем интенсивнее колебания конденсатоотводчика 17 и, соответственно, чем больше масса конденсата в днище 2, тем с меньшей амплитудой колеблется конденсатоотводчик 17), который через жестко соединенную тягу 21 и рычаг 22 воздействует на отражательную перегородку 18, поддерживая столб всасываемого атмосферного воздуха в камере 24 в режиме резонанса с воздухом, поступающим в компрессор через штуцер 7 очищенного воздуха.

При увеличении массы твердых и жидких частиц в камере 23, по сравнению с отрегулированным значением резонансного явления, возрастает сила их удара о пористую пластину 19 и отражательная перегородка отклоняется в камеру 24 на большую величину, одновременно возрастает количество выпавших твердых и каплеобразных (жидких) частиц в коническом днище 2. Конденсатоотводчик 17 поднимается и через жестко соединенную тягу 21 и рычаг 22 воздействует на отражательную перегородку 18, возвращая ее в исходное положение (положение, обеспечивающее резонансные колебания столба всасываемого воздуха в камере 24 воздушного фильтра).

Следовательно, данное конструктивное решение обеспечивает автоматизацию процесса поддержания резонанса и, соответственно, максимального массового поступления всасываемого воздуха в компрессор.

Соотношение между параметрами резонатора (размерами камеры 24 воздушного фильтра компрессора) находится, например, из выражения



где F - площадь поверхности отражательной перегородки, м2;

h - расстояние от уровня жидкости в коническом днище фильтра до входного отверстия всасывающего патрубка, м;

V - производительность компрессора по всасываемому воздуху (объемный расход воздуха через резонатор), м3/с;

k - постоянная величина колебательной системы конкретного типа компрессорной установки, определяемая условиями эксплуатации.

Преимущество предлагаемого изобретения заключается в том, что оно позволяет без дополнительных энергозатрат увеличить производство сжатого воздуха за счет термодинамического наддува всасываемого воздуха в изменяющихся как погодно-климатических, так и эксплуатационных, обусловленных вибрационными воздействиями условиях.

При отрицательных температурах атмосферного воздуха, когда возможно замерзание конденсата в коническом днище 2 корпуса 1, уменьшение внутренних отверстий штуцеров 10 за счет намерзания влаги и твердых частиц, обледенение фильтрующего элемента 6, часть горячего сжатого воздуха из концевого холодильника, имеющего температуру около 100°С, поступает к штуцеру 11 ввода сжатого воздуха через клапан в полость рубашки 13, а затем через клапан и штуцер 12 вывода сжатого воздуха направляется в воздухосборник (на чертеже не указано). По мере необходимости этим сжатым воздухом через форсунки 16, установленные на крышке корпуса 1, осуществляют противоточную продувку фильтрующего элемента 6. Конденсат и загрязнения из корпуса 1 удаляются через конденсатоотводчик, расположенный в отверстии днища (например, поплавкового типа), при достижении жидкостью определенного объема.

Оригинальность конструктивного решения предлагаемого изобретения подтверждается простотой технического исполнения, гарантирующего эксплуатационную и технологическую надежность экономичного производства сжатого воздуха за счет обеспечения резонансного наддува всасываемого воздуха в воздушном фильтре и автоматизированного поддержания данного режима в изменяющихся погодно-климатических условиях работы компрессорной установки.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Фильтр для очистки воздуха, содержащий корпус с коническим днищем, выполненным с отверстием в нижней части, перфорированный металлический цилиндр, обтянутый проволочной сеткой с фильтрующим элементом, соединенный со штуцером вывода очищаемого воздуха и имеющий коническую насадку с радиальными канавками на внешней поверхности, штуцера ввода очищаемого воздуха, выполненные в виде суживающихся дозвуковых сопл с криволинейными канавками на внутренней поверхности и имеющие со стороны входа металлические сетки, рубашку со штуцерами ввода и вывода сжатого воздуха, форсунки для обдува сжатым воздухом фильтрующего элемента, установленные на крышке корпуса, конденсатоотводчик, расположенный в отверстии днища, и отражательную перегородку, снабженную пористой пластиной, отличающийся тем, что фильтр выполнен в виде резонатора, при этом отражательная перегородка посредством шарнира подвижно укреплена в верхней части корпуса фильтра и разделяет внутренюю полость его на камеры, сообщающиеся соответственно с перфорированным металлическим цилиндром и суживающимся дозвуковым соплом, причем конденсатоотводчик через рычаг связан с отражательной перегородкой посредством жестко соединенной тяги.