Innowacyjne rozwizania filtrów szczelinowych opracowanych w ITG KOMAG

Transkrypt

1 mgr in. Norbert RAWICKI dr in. Krzysztof NIEPIAŁOWSKI dr in. Piotr ROJEK Instytut Techniki Górniczej KOMAG Innowacyjne rozwizania filtrów szczelinowych opracowanych w ITG KOMAG S t r e s z c z e n i e Potrzeby klientów górnictwa wglowego oraz zapotrzebowanie rynku na nowoczesne zespoły filtracyjne stały si przyczyn podjcia prac rozwojowych w kierunku skonstruowania innowacyjnych filtrów szczelinowych. Zadania tego podjli si specjalici Instytutu Techniki Górniczej KOMAG przy współpracy z firm Elektron opracowujc cał gam nowoczesnych rozwiza wyej wymienionych filtrów szczelinowych. W niniejszym artykule przedstawiono stan wiedzy na dotyczcy filtrów szczelinowych w aspekcie ich zastosowania w rónych gałziach przemysłu. Omówiono budow i zasad działania oraz rozwój konstrukcji filtrów opracowanych w ITG KOMAG na przełomie ostatnich lat. Przedstawiono równie wyniki bada filtra, uwzgldniajc jego funkcjonalno i spełnienie jego załoe dotyczcych parametrów przepływowych. S u m m a r y The mining industry customers as well as market demand for filtration units led to undertake the research projects aiming at development of state-of-the-art slotted screens. Specialists from KOMAG took on the task, in collaboration with Electron, and have developed variety of state-of-the-art designs of the abovementioned slotted screens. State of art of the slotted screens in the aspect of their use in different industries is given. Design and principle of operation as well as design evolution of the filters designed in KOMAG within recent years is discussed. The results from testing the filter functionality as well as meeting its assumed flow parameters are presented. Słowa kluczowe: filtr szczelinowy rewersyjny, wkłady filtrów, badania filtrów szczelinowych Keywords: reversible slotted screen, screen inserts, testing the slotted screens 1. Wstp W rónych gałziach przemysłu, w tym take w górnictwie wgla kamiennego, do filtracji niskoprocentowej emulsji olejowo-wodnej (media typu HFA), stosowane s szeroko filtry szczelinowe. Rozwoju ich podjł si ITG KOMAG we współpracy z firm Elektron s.c. z Radzionkowa. Opracowano typoszereg rozwiza zgodnie z zapotrzebowaniem kopal. Wprowadzono nowe rozwizania m.in.: zdalne sterowanie rewersyjnym oczyszczaniem wkładów filtracyjnych. Dla sprawdzenia przeprowadzono badania, w celu wyznaczenia charakterystyk przepływowych, wytrzymałoci na cinienie oraz funkcjonalnoci nowego filtra szczelinowego. 2. Zakres stosowania filtrów szczelinowych w przemyle Filtry szczelinowe mona podzieli na dwie grupy: liniowe montowane w przewód zasilajcy dla ich oczyszczenia wymagane jest wyłczenie zasilania a tym samym przerwanie procesu filtracji, z wewntrznym oczyszczaniem, realizowanym elementem zgarniajcym lub rewersyjnym płukaniem strumieniem filtratu. Proces czyszczenia moe by realizowany automatycznie lub rcznie, na podstawie informacji o rónicy wartoci cinienia wystpujcego na wlocie i wylocie z filtra. Praca w systemie cigłym bez koniecznoci wyłczania urzdzenia dla wymiany wkładu, a jedynie krótkotrwałe płukanie strumieniem wstecznym sprawiła, e filtry znalazły szerokie zastosowanie w przemyle [3]. Filtry szczelinowe znajduj zastosowanie w: elektrowniach konwencjonalnych do oczyszczania wody chłodzcej generatory, oraz dla wydłuenia pracy łoysk lizgowych wałów turbin elektrowni wodnych, elektrociepłowniach do ochrony wymienników ciepła poprzez zabezpieczenie ich przed zatkaniem i zuyciem, przemyle chemicznym do oczyszczania wody procesowej, przemyle hutniczym do oczyszczania cinieniowego odlewów z masy formierskiej oraz do chłodzenia wielkich pieców i linii walcowniczych, technice uzdatniania wody pitnej jako filtry wstpnego oczyszczania, technice ochrony rodowiska do odwadniania osadów oraz przed sterylizacj promieniami 44 MASZYNY GÓRNICZE 3/2014

2 ultrafioletowymi, w procesie odwróconej osmozy oraz w procesie filtracji membranowej, przemyle papierniczym do zasilania wod dysz zraszajcych na sitach papierniczych, przemyle górniczym do instalacji hydraulicznych zasilanych emulsj oraz do instalacji zraszania wodnego i wodno powietrznego organów urabiajcych kombajnów cianowych, chodnikowych oraz innych układów zmniejszajcych zapylenie w procesach transportu urobku. 3. Filtry szczelinowe róne wykonania wkładów filtracyjnych Ze wzgldu na stosowane medium, głównie wod lub emulsj olejowo-wodn, wkłady filtrów szczelinowych wykonywane s ze stali nierdzewnych typu 316L lub 316 Ti (według polskiej normy s to stale 00H17N14M2 lub H17N13M2T). Maj one form wkładów o kształcie cylindrycznym lub stokowym. Wkłady te charakteryzuj si zdolnoci do przenoszenia duych obcie mechanicznych, niewielkimi spadkami cinienia oraz duym współczynnikiem powierzchni otwartej i zadowalajc dokładnoci filtracji w wielu zastosowaniach przemysłowych. Dziki gładkiej powierzchni od strony gromadzenia si zanieczyszcze, oprócz oczyszczania wkładu filtracyjnego strumieniem rewersyjnym, wkład mona oczyszcza zgarniaczami mechanicznymi, uruchamianymi rcznie lub w cyklu automatycznym [6]. Wkłady filtrów szczelinowych mona podzieli na promieniowe oraz osiowe. Wkłady szczelinowe promieniowe wykonywane s jako wkłady typu RADIAL FOTI [2] oraz RADIAL FITO (rys. 1). We wkładach szczelinowych RADIAL FOTI powierzchnia filtracyjna utworzona jest na zewntrznej powierzchni piercieni o przekroju trójktnym. Piercienie te mocowane s do wzdłunych belek nonych poprzez zgrzewanie tak, by odstp midzy piercieniami tworzył szczelin filtracyjn. Wielko szczeliny filtracyjnej okrela dokładno filtracji. Podobnie zbudowane s wkłady szczelinowe typu RADIAL FITO z t rónic, e powierzchnia filtracyjna jest wykonana od wewntrznej strony wkładu. Dla zwikszenia wydajnoci filtracji oraz uproszczenia mechanicznego oczyszczania wkłady szczelinowe wykonywane s równie jako osiowe (rys. 2), w których elementy filtrujce usytuowane s pionowo i s mocowane do piercieniowych belek mocujcych za pomoc zgrzewania. Powierzchnia gładka filtracyjna znajduje si od wewntrznej strony sita. Takie ukształtowanie daje moliwo najprostszego oczyszczania wkładu za pomoc tłokowego zgarniacza - rysunek 3 [4]. Podobnie jak w wkładach szczelinowych promieniowych, powierzchni filtrujc w wkładach osiowych uzyskuje si poprzez utworzenie szczeliny midzy prtami o przekroju trójktnym, mocowanych do piercieni mocujcych. Wielko szczeliny pomidzy poszczególnymi prtami okrela dokładno filtracji. Wkłady szczelinowe pozwalaj na wykonanie filtrów umoliwiajcych filtracj mediów dla duych i bardzo duych przepływów, przy zachowaniu stosunkowo niewielkich wymiarów gabarytowych samego filtra z dokładnoci filtracji najczciej mieszczc si w granicach od 25, 50, 100, do 200 µm. Rys.1. Wkłady szczelinowe promieniowe typu RADIAL FOTI (a) i RADIAL FITO (b) [2] Rys.2. Wkład filtracyjny szczelinowy osiowy [2] MASZYNY GÓRNICZE 3/

3 Rys.3. Przykład mechanicznego tłokowego zgarniacza zanieczyszcze [4] 4. Rozwój konstrukcji filtrów szczelinowych W odpowiedzi na sformułowane potrzeby uytkowników, Instytut Techniki Górniczej KOMAG wspólnie z firm Elektron s.c. opracował rozwizania filtrów szczelinowych dla potrzeb górnictwa wglowego. Dziki zunifikowanemu układowi przyłczeniowemu, filtry w sposób prosty mona podłcza do istniejcych instalacji wodnych. Jednym z pierwszych opracowanych filtrów szczelinowych był filtr typu: FR-80 - rysunek 4 [5, 7]. Filtr ten mona stosowa dla przepływu o wartoci do 80 dm³/min i cinienia o wartoci do 4 MPa. Składa si on z dwóch komór filtracyjnych, w których oczyszczanie odbywa si poprzez skierowanie strumienia medium przez filtr w odwrotnym kierunku, kierujc popłuczyny do kanału odprowadzania zanieczyszcze. Czyszczenie wkładów filtracyjnych wykonuje si naprzemiennie. Przy wzrocie rónicy wartoci cinienia do z góry ustalonego poziomu przeprowadza si płukanie kolejno obu wkładów poprzez przesterowanie zaworów kulowych. Schemat działania filtra szczelinowego FR-80 pokazano na rysunku 5. Na rysunku 6 przedstawiono wysokocinieniowy filtr rewersyjny typu EWFR-250/40-P, przewidziany dla przepływu o wartoci do 250 dm³/min i cinieniu o wartoci do 40 MPa. Filtr składa si z komory wkładów szczelinowych (poz. 1), kolektora medium zanieczyszczonego (poz. 2), w którym znajduje si zespół zaworowy sterujcy strumieniem medium w kierunku filtracji lub w kierunku oczyszczania wkładów filtra. Przesterowanie zaworów sterujcych realizowane jest za pomoc pokrtła (poz. 4). Filtr mocowany jest dwoma wspornikami (poz. 5). Dwa manometry (poz. 3), jeden w kolektorze medium zanieczyszczonego i drugi w kolektorze medium czystego, pozwalaj okreli rónic wartoci cinienia na wejciu i wyjciu z filtra, a tym samym konieczno oczyszczania wkładów. Schemat funkcjonalny wysokocinieniowego filtra rewersyjnego przedstawiono na rysunku 7. Zastosowanie zaworowego sterowania przełczanego za pomoc pokrtła daje moliwo zdalnego sterowania rewersyjnym oczyszczaniem wkładów szczelinowych. Innym rozwizaniem wysokocinieniowego filtra rewersyjnego jest filtr typu EWFR-250/40-R, skonstruowany dla przepływu o wartoci 250 dm³/min i cinieniu o wartoci 40 MPa. Filtr pokazano na rysunku 8. W odrónieniu od filtra EWFR-250/40-P, zastosowano w nim sterowanie rewersyjnym strumieniem czyszczcym za pomoc zaworów kulowych, montowanych do płyty kolektorowej. Na rysunku 9 pokazano filtr wysokocinieniowy rewersyjny typu EWFR-800/40-RP przewidziany dla przepływu o wartoci 800 dm³/min i cinieniu zasilania o wartoci 40 MPa. Konstrukcyjnie róni si on od wyej wymienionego filtra zdwojonym układem filtrujcym oraz wbudowaniem zaworów kulowych sterujcych rewersyjnym płukaniem wkładów filtra do płyty kolektorowej cieczy zanieczyszczonej. Na rysunku 10 pokazano schemat funkcjonalny filtra rewersyjnego EWFR-800/40-RP. Rys.4. Filtr szczelinowy rewersyjny FR-80 [5] 46 MASZYNY GÓRNICZE 3/2014

4 Rys.5. Schemat działania filtra: 1 - wkłady filtracyjne, 2 - zawory kulowe, 3 - manometry, A - dopływ wody zanieczyszczonej, B - wypływ wody przefiltrowanej, C - wypływ zanieczyszcze [5] Rys.6. Wysokocinieniowy filtr rewersyjny EWFR-250/40-P [8] MASZYNY GÓRNICZE 3/

5 Rys.7. Schemat funkcjonalny wysokocinieniowego filtra rewersyjnego EWFR-250/40-P [8] Rys.8. Wysokocinieniowy filtr rewersyjny EWFR-250/40-R [8] 48 MASZYNY GÓRNICZE 3/2014

6 Rys.9. Wysokocinieniowy filtr rewersyjny EWFR-800/40-RP [8] Rys.10. Schemat funkcjonalny filtra rewersyjnego EWFR-800/40-RP [8] MASZYNY GÓRNICZE 3/

7 5. Badania filtrów szczelinowych Celem sprawdzenia załoe konstrukcyjnych filtry szczelinowe poddano badaniu na specjalnie przygotowanym stanowisku badawczym. Do bada stanowiskowych wytypowano filtr typu EWFR-250/40-P. Program bada przewidywał: okrelenie oporów przepływu, wykonanie próby szczelnoci, dla cinienia wynoszcego 40 MPa (nominalne cinienie pracy), wykonanie próby szczelnoci, dla cinienia wynoszcego 60 MPa (dla 50% przecienia), sprawdzenie funkcjonalnoci filtra. Schemat stanowiska badawczego przedstawiono na rysunku 11. Na rysunku 12 zobrazowano zabudow filtra na stanowisku. Filtr zasilany był niskoprocentow emulsj olejowo-wodn, podawan przez wysokocinieniow pomp nurnikow, z przepływem o wartoci 200 dm 3 /min i maksymalnym cinieniu o wartoci do 60 MPa. Na rysunku 13 przedstawiono wykres spadku cinienia w funkcji czasu, przy przepływie o wartoci 200 dm 3 /min w czasie i cinieniu zasilania o wartoci 22 MPa. Warto spadku cinienia na filtrze wynosiła 1 MPa. Sporym utrudnieniem w badaniach była pulsacja pochodzca z pompy nurnikowej. Zmniejszono j (w pewnym zakresie) tłumikiem pulsacji. Filtr szczelinowy poddano kilkukrotnej próbie szczelnoci. Wyniki prób pokazano na rysunkach 14 i 15. Ponisze wykresy obrazuj pełn odporno filtra na zadane cinienie. Po kadej próbie szczelnoci filtr poddawano szczegółowym ogldzinom zewntrznym w celu sprawdzenia czy nie wystpiły odkształcenia lub miejscowe nieszczelnoci. Ostatni prób było sprawdzenie funkcjonalnoci, w tym poprawnego działania nowego sterowania włczania płukania lewej i prawy komory filtrujcej. Wysterowanie filtra przeprowadzano za pomoc pokrtła (poz. 4 rys. 6). W trakcie bada stwierdzono poprawn prac układu sterujcego powodujcego płynne włczanie płukania dla lewej i oddzielnie prawej komory filtrujcej. Rys.11. Schemat stanowiska badawczego [8] Rys.12. Zabudowa filtra na stanowisku badawczym [8] 50 MASZYNY GÓRNICZE 3/2014

8 p [MPa] 40 p [MPa] 1,50 1,25 1, ,75 0,50 0, , t 125 [s] 10 0 Q 50[l/min] t 400 [s] Rys.13. Wykres spadku cinienia przy przepływie medium o wartoci 200 dm³/min [1] 80 p [MPa] MPa t 800 [s] p 80 [MPa] Rys.14. Próba szczelnoci filtra cinieniem o wartoci 40 MPa [1] MPa t 800 [s] Rys.15. Wykres obcienia filtra cinieniem o wartoci 60 MPa [1] MASZYNY GÓRNICZE 3/

9 6. Podsumowanie ITG KOMAG wspólnie z firm ELEKTRON s.c. Radzionków opracowało seri filtrów szczelinowych, przeznaczonych do pracy z cinieniem o wartoci do 40 MPa i przepływem o wartoci do 800 dm 3 /min. Filtry w zalenoci od potrzeb i wymaga klientów mog by wyposaone w róne mechanizmy sterowania płukaniem komór filtracyjnych. Uniwersalna konstrukcja umoliwia zastosowanie dowolnych przyłczy hydraulicznych, co daje moliwoci podłczenia filtra do ju istniejcych instalacji. Przeprowadzone w ITG KOMAG badania filtrów szczelinowych potwierdziły ich poprawn prac. Uzyskano równie cenne dowiadczenie pomocne w projektowaniu. Dziki temu bdzie mona w przyszłoci podj si wykonania filtrów o jeszcze wikszym przepływie i dla rónych mediów. Literatura 1. Aleksa D., Czubaszek J., Wodarz M.: Badania wysokocinieniowego filtra rewersyjnego EWFR-250/40-P, ITG KOMAG Gliwice (praca nie publikowana). 2. Katalog firmy Chem Tech. 3. Katalog firmy Hydac. 4. Katalog firmy Hydro-Elektra. 5. Niepiałowski K.: Filtr rewersyjny FR-80. Maszyny Górnicze 2012 nr 1. s Niepiałowski K., Jasiulek T., Miziak M.: Nowy filtr do oczyszczania wody i cieczy niskolepkich. Hydraulika i Pneumatyka 2012 nr 1 s Niepiałowski K.: Układ sterowania filtra samoczyszczcego. Pneumatyka 2012 nr 2 s Niepiałowski K., Rawicki N.: Opracowanie koncepcji wysokocinieniowego filtra rewersyjnego. ITG KOMAG, Gliwice (praca nie publikowana). Artykuł wpłynł do redakcji we wrzeniu 2014 r. 52 MASZYNY GÓRNICZE 3/2014