CC BY
20
УДК 622.464:622.23.05 Г. С. Бродский
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОВ ДЛЯ СИСТЕМ ФИЛЬТРАЦИИ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ ГОРНЫХ МАШИН
fb сновными исходными данными для проектирования фильтроэле-ментов являются конфигурация, предельные габаритные размеры, тип рабочей жидкости, направление потока, номинальная пропускная способность (QfeNom), ß-характеристика, максимальный перепад давления (ApfMax) и ресурс (RfNom)--
Ключевым вопросом проектирования является выбор фильтрующего материала, в значительной мере определяющего технические характеристики и цену изделия. Обычно стоимость фильтрующего материала составляет более 50-60 % от суммарной цены всего сырья, употребляемого при производстве фильтроэлемента. Как правило, на рынке имеется несколько различных фильтроматериалов с примерно одинаковыми ß-характерис-тиками. В случае, если для какого-либо из них соблюдается условие
2n(DLlm - 25)HLunqfm > QfNom (1)
где qfm - удельная пропускная способность фильтроматериала, найденная для требуемой жидкости при перепаде давления ( Apfm0 = ApfMax/ag ), то может быть применена конструктивно простая и дешевая в изготовлении плоская штора. В противном случае необходимо использовать гофрированную штору, при этом наилучшую гидравлическую и ресурсную характеристики элемента обеспечит фильтрующий материал, для которого отношение коэффициента гидравлической проницаемости к толщине (K/5) минимально.
Полное гидравлическое сопротивление фильтроэлемента рассчитывается как сумма сопротивлений:
- собственно фильтроматериала;
- треугольных щелей на фильтрующей шторы;
- внутренней трубки фильтроэлемента.
Сопротивление треугольных щелей фильтрующей шторы может быть найдено из соотношения [1]:
APtrgi = [Р Q2ln(D/d)/(4n2Re52H2)]x х [1/(1 - efe)3 + D2/(d(d - SfeD)3)] (2) где efe = Ngfr/Ngfrmax. Данное уравнение имеет смысл, если efe < D/d , что справедливо для большинства реальных конструкций фильтроэлементов. В зависимости от Hgfr и efe отношение Aptrgl/Apfe может колебаться в весьма широких пределах. Соответственно, коэффициент эффективной площади снижается с уменьшением шага гофрирования и увеличением Hgfr (рис. 1).
Из уравнения (1) следует, что коэффициент эффективной площади зависит от квадрата скорости течения жидкости через фильтроэлемент и в этой связи гидравлические характеристики фильтроэлементов с низким keff могут отклоняться от линейных.
Падение keff приводит к снижению гря-зеемкости фильтроэлемента по сравнению с теоретической, под которой, в данном случае, понимается грязеемкость фильт-роматериала той же площади. Из рис. 2 видно, что с опреде-
»
<7 Л S A У* О
У О К о р л /ДАО
? О гГД Рп --Hgfr=18 О Hgfr=24 Д Hgfr=30 Д Hgfr=36 -О- Hgfr=42 О Hgfr=48
О д Д / г\
/ /о
А &Ш/ Я
О / д °
5 0,63 0,6 0,58 0,55 0,53 0,5 0,48 0,45 0,43 0,4 0,38 0,35 0,33 0,3 0,28 0,25 0,23 0,2 Шаг гоф рирования (Epsilon G)
О Rabs Rt О Rflex
О 1
о
0,63 0,6 0,58 0,55 0,53 0,5 0,48 0,45 0,43 0,4 0,38 0,35 0,33 0,3 0,28 0,25 0,23 0,2
Epsilon G
90
80
70
50
40
30
20
ленного значения efe ресурс фильтроэле-мента начинает сокращаться, несмотря на увеличение площади фильтроматериала (кривые Rt и Rabs). Это открывает возможности для оптимизации параметров фильтроэлемента по фактору долговечности.
Ресурс фильтроэлемента понижается также в связи с деформацией фильтрующей шторы под действием перепада давления (рис. 3) причем тем сильнее, чем меньше ее модуль упругости. Лабораторные испытания [2, 3] показали, что расстояния между гофрами даже на чистом фильтроэлементе только за счет гидроди-
Рис. 1. -Зависимость коэффициента эффективной площади фильтроэлемента от шага гофрирования
Рис. 2. Зависимость относительного ресурса фильтроэлемента от шага гофрирования (фильтрома-териал -целлюлозная бумага, Hgfr = 30 мм, D = 250 мм, д = 1.17 мм, H = 400 мм, Q = 400 л/мин). R-теоретический ресурс, Rats Rjiex -расчетный ресурс с учетом потерь давления в треугольных щелях соответственно для штор с абсолютной и реальной жесткостью
намических факторов может
уменьшиться в 2-3 раза, соответственно снизится и пропускная способность. Увеличение высоты гофра и уменьшение шага гофрирования усугубляет эффект «слипания» гофр и приводит к блокированию части площади фильтроматериала (рис. 3, зона W). Иным экспериментальным подтверждением наличия этого эффекта является существенная нелинейность гидравлической характеристики при определенных параметрах гофрирования. Из графика рис. 6.45, построенного по данным работы [3] видно, что для фильтрующей шторы из стекловолокна отклонения от линейности существенно ниже, чем для целлюлозной. Это объясняется тем, что стекловолоконные материалы, в силу низкой прочности, используются только вкупе с подслойной металлической сеткой, во много раз увеличивающей жесткость шторы.
Именно в силу «слипания» гофр для некоторых фильтрующих элементов характерно опережающее возрастание перепада давления на последнем этапе работы (рис. 4), в
то время, как грязеемкость изделий с достаточно жесткой што-рой демонстрирует прекрасное соответ-ствие теоретической кривой (рис. 5).
Таким образом, очевидно, что при проектировании фильтроэлементов следует уделять внимание обеспечению надлежащей жесткости гофров. Одним из путей решения этой задачи является применение многослойных фильтрующих штор, где в качестве дренажных слоев используются целлюлозные или синтетические бумаги, либо нетканные полотна. Дренажный слой способствует равномерному распределению потока жидкости по поверхности фильтроматериала и предотвращает полное блокирование треугольных щелей при дефор-
Рис. 3. Деформация гофрированной шторы в процессе работы фильтра
мации и даже «слипании» гофров. Дренажный подслой должен обладать пропускной способностью, значительно превышающей этот показатель для основного фильтроматериала, иметь малую толщину (обычно до 0.3 мм) и достаточную разрывную прочность. Применение несущих слоев, выполняемых из металлических или пластиковых сеток существенно повышает жесткость фильтрующей шторы и исключает «слипание» гофр. Используя пластиковые сетки, необходимо обращать внимание на их предельно допустимую температуру, которая должна превосходить рабочую хотя бы на 20 %.
Несмотря на то, что многослойная фильтрующая штора имеет очевидно большую толщину и, соответственно, меньшую площадь фильтроматериала в заданных габаритах, она обеспечивает намного лучшие гидравлические и ресурсные характеристики фильтроэлементов.
Гидравлическое сопротивление многослойной пористой перегородки может быть найдено в виде:
Ар£е = Ар^1 + Ц К&Е
(3)
К^ = Ц1/ВД=1...П (4)
Эквивалентный размер пор многослойной шторы, характеризующий ожидаемую эффективность фильтрования может
быть найден из соотношения [4,
5]:
Рис. 4. Гидравлические характеристики фильтрующих штор воздушных фильтров (ОР-стеклобумага, СР-целлю-лозная бумага) при I = 2-2.5 мм
о
80 70 60 50 40 30 20 10 0
0,05 0,45 0,85 1,25 1,65 2,05 2,45 2,85 3,25 3,65 4,05 4,45
Р,100000 Па
1/Йршах2 = ^^ршахО^.ш (5)
здесь КЬ2, - коэффициент прони-
цаемости и максимальный размер пор многослойной шторы из «п» слоев, КЬ1 , ¿ршах1 - коэффициент проницаемости и максимальный размер пор «1»-го слоя.
Существенно повысить удельные показатели ресурса на единицу площади, а также улучшить фильтрационные характеристики в заданных габаритах позволяет
Рис. 5. Изменение перепада давления на фильтроэлементах по мере засорения (филь-троэлемент АН-250160400, НТФ12 мкм, МШ, ОШ - соответственно многослойная и однослойная шторы)
Рис. 6. Рациональные значения размеров пор фильтрующих материалов по толщине пористой перегородки для многослойной шторы
формирование многослойной шторы, содержащей несколько фильтроматериалов, сгофри-рованных совместно. На основании изучения закономерностей задержки загрязнений по толщине пористой перегородки [6], можно рекомендовать рациональное соотношение размеров пор для фильтрующих материалов, применяемых в такой конструкции (рис. 6). Естественно, в реальности, при использовании материалов с постоянной поровой структурой, плавная кривая нереализуема, но может быть подобрана соответствующая ступенчатая, исходя из желаемого количества слоев и параметров фильтроматериалов, имеющихся в распоряжении проектировщика.
Параметры гофрирования, с учетом специфики гидросистем горных машин, подлежат оптимизации по фактору максимального ресурса. Соответствующий критерий оптимизации представим в виде:
Ге = Рге(1 - (Дре0 / Дрмах)0'5), (6)
здесь ДрГе0 = кШшДр^1 + Й^Мош /(К>е) где к13£ш - коэффициент запаса, учитывающий деформацию шторы и определяемый экспериметально.
Значение коэффициента проницаемости для фильтроэлемента, таким образом, может быть определено как:
Kfe = (k13fmFfe[ln(D/d)/(4nH52)x
х(1/(1 - 8fe)3 + D2/(d(d - 8feD)3))+5/(KFfe)]}-1
(7)
а потери давления на чистом фильтроэле-менте, соответственно:
Apfe = mQ/(K&Fí») (8)
Задачей оптимизации фильтрующей шторы является поиск таких значений {Hgfr, Ngfr}, при которых параметры Kfe или rfe максимальны.
1. Удлер Э.И., Зуев В.И. Фильтрующие топ-ливно-масляные элементы из бумаги и картона. Томск, Изд-во Томского университета, 1983, 140 с.
2. Морсин В.М., Мосолков А.И., Демидов В.Я. и др. Экспериментальные исследования фильтрующих элементов при переменных потоках рабочей жидкости с целью улучшения их параметров. Отчет о НИР ГП-6/81, ЦнИП ВНИИст-ройдормаш, 1982 г., 127 с.
3. delFabbro L., Laborde J.C., Merlin P., Riccardi L. Air flow and poressure drop modeling for different pleated industrial filters. Filtra-tion+Separation, Jan/Feb, 2002. p. 35-40.
Данный расчетный алгоритм явился математический основой программы проектирования фильтрующих элементов FD1.0, которая была разработана автором с участием инж. Е.С. Бродской на языке Turbo Pascal 6.0. С использованием этой программы произведены расчеты и проектирование фильтроэлементов серий «690» для приводов карьерного оборудования, «667» для приводов строительно-дорожных и горных машин, «HT» для дизельных двигателей и всего типо-размерного ряда «АРГИС» (более 200 наименований).
- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
4. Бродский Г.С., Сухоруков А.Н., Зуев В.И., Башева А.А. Результаты испытаний фильтров и фильтрующих элементов для СДМ. М., «Строительные и дорожные машины», №11-12, 1992, с. 7-9.
5. Kyung-Ju Choi. Designing Multi-layered filtration media. Filtration 2000, Philadelphia, USA, 2000, 3 p.
6. Бродский Г.С., Зуев В.И., Кирсанова К.Ш. Определение ресурса бумажных фильтрующих элементов для гидравлических приводов. М., «Вестник машиностроения», 1992, №3, с.29-32.
— Коротко об авторах
Бродский Г.С. - кандидат технических наук, ЗАО «Могормаш», Москва.
