EP3160651A1 - Collecteur électrostatique - Google Patents

Collecteur électrostatique

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EP3160651A1
EP3160651A1 EP15731911.2A EP15731911A EP3160651A1 EP 3160651 A1 EP3160651 A1 EP 3160651A1 EP 15731911 A EP15731911 A EP 15731911A EP 3160651 A1 EP3160651 A1 EP 3160651A1
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EP
European Patent Office
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electrode
collection
diameter
discharge electrode
electrostatic collector
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EP15731911.2A
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German (de)
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EP3160651B1 (fr
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Jean-Maxime Roux
Roland SARDA ESTEVE
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
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Publication date
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Publication of EP3160651B1 publication Critical patent/EP3160651B1/fr
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    • B03C2201/28—Parts being designed to be removed for cleaning purposes

Definitions

  • the present invention relates to a device for electrostatically collecting particles suspended in a gaseous medium, commonly called electrostatic collector or electrofilter.
  • Electrostatic or electrofilter collectors commonly referred to by the acronym ESP (Electrostatic Precipitator) are used to collect particles suspended in a gaseous medium, for example ambient air. They thus make it possible to purify the gaseous medium and possibly to analyze the collected particles.
  • ESP Electrostatic Precipitator
  • An electrostatic collector comprises two electrodes arranged close to each other.
  • One of the two electrodes is commonly referred to as the discharge electrode and the other electrode is commonly referred to as a counter-electrode or a collection electrode.
  • a high electric field is induced between the two electrodes under the effect of a potential difference applied between the two electrodes.
  • the electric field ionizes the gas volume between the two electrodes, creating a sheath or ring of ionized gas around the discharge electrode. This phenomenon is called corona discharge.
  • the gas containing the particles to be separated which is passed between the discharge electrode and the collection electrode then passes through an ion stream and the particles to be separated are ionized in turn. Under the effect of electrostatic forces, Charged particles thus created are attracted to the collection electrode on which they are collected.
  • the present invention aims in particular to solve these problems.
  • the present invention relates to an electrostatic collector comprising a collection chamber defined by a tubular wall oriented along a first axis; an elongate discharge electrode extending along said first axis; and a collection electrode to be disposed within the collection chamber against the wall.
  • the discharge electrode comprises:
  • a second portion having a second diameter, the second diameter being greater than or equal to twice the first diameter, the second diameter preferably being between 2 and 6 times the first diameter;
  • said abrupt enlargement extends over a distance less than the second diameter.
  • the first part may have a length less than about 10 mm, preferably less than about 5 mm, for example between about 1 and 5 mm.
  • the electrostatic collector further comprises a first polarization means, capable of carrying the discharge electrode to a first potential, and a second polarization means, suitable for carrying the collection electrode. at a second potential, the first potential being lower than the second potential.
  • the first potential is a ground potential.
  • the first diameter may be between 0.5 mm and 2 mm.
  • the second diameter may be between 1 mm and 5 to 6 mm.
  • An advantage of a discharge electrode having such a sudden broadening is related to the fact that it makes it possible to obtain a more axisymmetric deposit of the particles on the collection electrode, with respect to a discharge electrode of constant diameter over its entire length.
  • Such a discharge electrode makes it possible to avoid inhomogeneous accumulations of particles collected at the level of the collection electrode. This results in increased collection efficiency of the electrostatic collector.
  • the enlargement of the discharge electrode is formed by a conductive ring surrounding the first thin portion of the discharge electrode over a portion of its length, said tip-shaped end protruding of the ring.
  • the end of the ring closest to the tip-shaped end of the discharge electrode is rounded.
  • Said tip-shaped end may be located at a distance of between 2 mm and 10 mm from the ring.
  • the ring may have an outer diameter of between 1 mm and 5 mm and an internal diameter that allows the passage and the maintenance of the first thin portion of the discharge electrode.
  • the discharge electrode is a hollow electrical conductive element, for example a metal capillary.
  • An advantage of a hollow discharge electrode lies in the fact that it can be manufactured by a method that is simple to implement. Just cut a tube electrical conductor to obtain a hollow discharge electrode. To obtain a tip, the end of the tip-shaped discharge electrode should be machined.
  • Another advantage of a hollow discharge electrode lies in the fact that it makes it possible to obtain less intense electric discharges than a tip of comparable dimensions.
  • the discharge electrode and the collection electrode are offset relative to one another along said first axis of the collection chamber, no portion of the discharge electrode being at the same level as the collection electrode along said first axis.
  • the present invention also relates to an electrostatic collector comprising a collection chamber defined by a tubular wall oriented along a first axis; a discharge electrode, at least one end of which is in the form of a tip, intended to be disposed inside the collection chamber; a collection electrode, of tubular shape, intended to be disposed in an opening formed in the wall, the collection electrode having a first end and a second end, the first end being intended to be closest to said shaped end; peak of the discharge electrode; and biasing means for being disposed in said opening between the collection electrode and the wall.
  • An advantage of such an electrostatic collector is related to the fact that it facilitates the removal of the collection electrode from the electrostatic collector, for example for the purpose of analyzing the collected particles and / or cleaning the electrode collection.
  • the return means may be a spring.
  • the electrostatic collector further comprises a blocking member for pressing the second end of the collection electrode and compressing the biasing means.
  • the second end of the collection electrode comprises a flange.
  • the first end of the collection electrode has a rounded internal rim. This reduces the risk of generating arcing between the discharge electrode and the collection electrode.
  • the inner wall of the collection electrode is a cone portion.
  • the collection chamber has a larger internal diameter upstream of the collection electrode than at the location of the collection electrode.
  • the present invention also relates to a method of using an electrostatic collector according to the invention, as described above.
  • the present invention further relates to a method of using an electrostatic collector comprising:
  • a collection chamber delimited by a tubular wall oriented along a first axis
  • an elongated discharge electrode extending along said first axis; and a collection electrode disposed within the collection chamber, the discharge electrode having a tip-shaped end disposed facing the collection electrode;
  • a first biasing means capable of carrying the discharge electrode at a first potential and a second polarization means capable of bringing the collection electrode to a second potential;
  • the method being such that the first potential is lower than the second potential.
  • the first potential is a ground potential.
  • the present invention further relates to an electrostatic collector comprising:
  • a collection chamber delimited by a tubular wall oriented along a first axis
  • an elongated discharge electrode extending along said first axis; and a collection electrode disposed within the collection chamber, the discharge electrode having a tip-shaped end disposed facing the collection electrode; and a first polarization means, capable of carrying the discharge electrode at a first potential, and a second polarization means, suitable for bringing the collection electrode to a second potential,
  • the electrostatic collector being characterized in that the first potential is lower than the second potential.
  • the first potential is a ground potential.
  • Figure 1 is a sectional view schematically showing an embodiment of an electrostatic collector.
  • Fig. 2 is a sectional view schematically showing an exemplary discharge electrode.
  • Fig. 3A is a sectional view schematically showing an example of a collection electrode.
  • Figure 3B is a photograph corresponding to Figure 3A.
  • Fig. 4 is a sectional view schematically showing a variant of the collection electrode of Fig. 3A.
  • Figure 5 is a sectional view schematically showing another embodiment of an electrostatic collector.
  • FIG. 6 is a sectional view schematically showing an alternative embodiment of the electrostatic collector of FIG. 5.
  • Fig. 7 shows results of measuring the collection efficiency as a function of the particle diameter, for different polarizations of the discharge electrode and the collection electrode.
  • FIGS. 8A and 8B show results of measurement of the collection efficiency as a function of the diameter of the particles in the case of a negative discharge, respectively when the discharge electrode is connected to ground and when the collection electrode is connected to ground.
  • Fig. 1 is a sectional view schematically showing an embodiment of an electrostatic collector.
  • the longitudinal axis of the wall 1 is oriented along the z axis.
  • the wall 1 is preferably made of an electrical insulating material.
  • the electrostatic collector is intended to be oriented so that the z axis corresponds to the vertical direction or a direction inclined relative to the vertical.
  • the wall 1 comprises an upstream end and a downstream end delimiting respectively an inlet 5 and an outlet 7 of the collection chamber.
  • upstream, downstream and inlet, “outlet” are considered in relation to the direction of flow of the gas to be treated in the electrostatic collector, symbolized by arrows 9.
  • the gas to be treated flows from upstream to downstream, from the inlet 5 to the outlet 7 of the electrostatic collector.
  • the device comprises an inlet chamber (not shown) for the admission of the gas to be treated, arranged upstream of the collection chamber 3.
  • the intake chamber and the collection chamber are preferably coaxial.
  • the discharge electrode 10 is advantageously formed of an element hollow electrical conductor, for example a metal capillary.
  • An advantage of a hollow discharge electrode lies in the fact that it can be manufactured by a method that is simple to implement. Simply cut an electrically conductive tube to obtain a hollow discharge electrode. To obtain a tip, the end of the tip-shaped discharge electrode should be machined.
  • Another advantage of a hollow discharge electrode lies in the fact that it makes it possible to obtain less intense electric discharges than a tip of comparable dimensions.
  • the discharge electrode 10 is preferably arranged along the z-axis of the collection chamber.
  • the support 13 for example a ring, whose two ends 14, 16 are fixed to the wall 1, transversely crosses the collection chamber.
  • the longitudinal axis of the support 13 is oriented perpendicularly to the longitudinal axis along which extends the tubular wall 1 (z axis).
  • the support 13 is preferably made of an insulating material.
  • the support 13 comprises a through opening, for example cylindrical, the longitudinal axis of which is parallel to the axis z, configured to receive the discharge electrode 10.
  • the longitudinal axis of the discharge electrode 10 is oriented according to the z axis.
  • the discharge electrode 10 is in contact with a polarization means 17, comprising at least one electrically conductive part, which makes it possible to connect it electrically to a voltage generator 19.
  • Collection electrode 20 is disposed in an opening formed in the wall 1 of the collection chamber.
  • the collection electrode 20 and the wall 1 are coaxial.
  • the collection electrode 20 is intended to form the collection surface of the particles.
  • the internal diameter of the collection electrode 20 is substantially equal to the internal diameter of the wall 1 to reduce the diameter discontinuities of the collection chamber in the path of the gas flow.
  • the collection electrode 20 is in contact with a biasing means 21, comprising at least one electrically conductive part, which makes it possible to connect it electrically to the voltage generator 19.
  • the support 13 is for example arranged in the collection chamber so that the discharge electrode 10 is located upstream of the collection electrode 20, as shown in FIG. 1.
  • the end 10 1 of the discharge electrode 10 closest to the collection electrode 20 corresponds to its downstream end.
  • the end 20-1 of the collection electrode 20 closest to the discharge electrode 10 corresponds to its upstream end and the end 20-2 of the collection electrode 20 furthest from the electrode discharge 10 corresponds to its downstream end.
  • the discharge electrode 10 and the collection electrode 20 are offset relative to each other along the axis z of the collection chamber, no portion of the discharge electrode 10 being located at the same level as the collection electrode 20 along the z axis.
  • the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10 and the upstream end 20-1 of the collection electrode 20 are separated by a certain distance (or offset) along the z axis, the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10 being located upstream of the upstream end 20-1 of the collection electrode 20.
  • the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10, the closest to the collection electrode 20, is free.
  • This tip is shaped tip, which allows the formation of corona discharges between the discharge electrode (which has the smallest radius of curvature) and the collection electrode (which has the highest radius of curvature) .
  • the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10 has for example a radius of curvature less than about 1 mm, hence the term "peak shape".
  • the distance between the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10 and the upstream end 20-1 of the collection electrode 20 is greater than or equal to the internal radius of the collection chamber. This reduces the risk of arcing between the discharge electrode and the collection electrode.
  • the distance between the downstream end 10-1 of the discharge electrode and the upstream end 20-1 of the collection electrode is less than three to three. four times the internal radius of the collection chamber. This optimizes the collection yield.
  • the free downstream end 10-1 of the discharge electrode, the location of the discharge is offset from the upstream end 20-1 of the collection electrode 20 by a distance, along the z axis , between the internal radius of the collection electrode and the internal diameter of the collection electrode, for example with a tolerance of 1 mm, the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10 being located upstream the upstream end 20-1 of the collection electrode 20.
  • the offset between the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10 and the upstream end 20-1 of the collection electrode 20 according to FIG. Z axis is for example between about 5 mm (for example to +/- 1 mm) and about 10 mm (for example to +/- 1 mm), for example of the order of 7 mm.
  • the internal diameter of the collection chamber is less than about 30 mm.
  • the discharge electrode 10 has an enlargement upstream of its downstream end 10-1.
  • the discharge electrode 10 widens from a first diameter to a second diameter corresponding for example to about 2 to 6 times the first diameter. This enlargement is abrupt, that is to say that it extends over a distance less than the second diameter.
  • the discharge electrode 10 comprises:
  • a second portion having a second diameter, adjacent to the first portion, the second diameter being greater than or equal to twice the first diameter, the second diameter preferably being between 2 and 6 times the first diameter;
  • the first portion and the second portion of the discharge electrode 10 are disposed along the same axis, preferably the z-axis of the collection chamber.
  • the tip-shaped downstream end 10-1 of the discharge electrode 10, in the extension of the first part, is free.
  • An advantage of such a discharge electrode is related to the fact that it makes it possible to obtain a more axisymmetrical deposition of the particles on the collection electrode, with respect to a discharge electrode of constant diameter over its entire length.
  • Such a discharge electrode makes it possible to avoid inhomogeneous accumulations of particles collected at the level of the collection electrode, such accumulations being able to degrade the operation of the device, in particular by reducing the collection efficiency.
  • the use of such a discharge electrode makes it possible to reduce the amplitude variations of the corona discharges. This results in a reduction of the variations in the collection efficiency of the electrostatic collector as and when it is used.
  • the first diameter may be between 0.5 and 2 mm, preferably between 0.5 and 1 mm.
  • the discharge electrode 10 widens for example at a distance greater than or equal to 1 mm from its downstream end 10-1, for example at a distance of about 5 mm from its downstream end 10-1.
  • the broadening of the discharge electrode 10 may be formed by a conductive ring surrounding the thin portion of the discharge electrode over part of its length.
  • the downstream end of at least the thin portion of the discharge electrode protrudes from the ring.
  • the discharge electrode 10 comprises a cylindrical ring disposed at a distance of the order of 1 to 10 mm from the downstream end 10-1, this ring extending along the same axis as the discharge electrode.
  • the inner diameter of the ring corresponds to the first diameter
  • its outer diameter corresponds to the second diameter.
  • the ring may have an outer diameter of between 1 mm and 5 mm and an internal diameter that allows the passage and the maintenance of the thin portion of the discharge electrode 10.
  • the thin portion of the discharge electrode 10 may protrude from the ring by a distance of between 1 mm and 10 mm downstream of the ring.
  • the portion of the discharge electrode between the enlargement 11 and the downstream end 10-1 corresponds to the thin portion of the electrode. Its diameter is less than about 2 mm, preferably less than about 1 mm.
  • the thin portion of the discharge electrode 10 is for example formed of a hollow electrical conductive element, for example a metal capillary.
  • the metal capillary has for example an outer diameter of the order of 0.5 mm and an internal diameter of about 0.25 mm.
  • the thin portion of the discharge electrode 10 is formed of a solid electrical conductor element.
  • FIG. 2 is a sectional view schematically showing an example of such a discharge electrode that can be used in an electrostatic collector of the type illustrated in FIG. 1.
  • This discharge electrode is formed of a metal capillary 10a surrounded by over part of its length by a metal ring 10b.
  • the capillary 10a and the ring 10b are for example interconnected by a weld.
  • the end 10c of the ring 10b, through which protrudes and passes the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10, intended to be the closest to the collection electrode, is rounded. This avoids any peak effect. This rounding can be formed by a weld.
  • the discharge electrode 10 is formed of a metal capillary 10a of external diameter of the order of 0.5 mm and internal diameter of the order of 0.25 mm, surrounded on a part its length by a metal ring 10b of outer diameter of the order of 2 mm and internal diameter of the order of 0.5 mm.
  • the capillary 10a opens out of the ring 10b for example at about 5 mm from the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10.
  • the discharge electrode 10 may be formed in one piece, machined to have a thin end, i.e., less than about 2 mm in diameter, preferably less than about 1 mm in diameter. , and an enlargement as previously described.
  • the thin portion 10a of the discharge electrode is preferably made of a metallic material, for example steel or stainless steel or copper or silver.
  • the conductive ring 10b is preferably made of a metallic material, for example steel or stainless steel or copper or silver.
  • the collection electrode 20 preferably has no protrusion or no roughness or no sharp angle facing the discharge electrode.
  • the collection electrode 20 has a smooth surface to the touch, that is to say that the surface of the collection electrode has a roughness parameter Ra less than about 0.7 ⁇ , preferably less than about 0, 4 ⁇ .
  • the collection electrode 20 has a perfectly polished surface, that is to say that the surface of the collection electrode has a roughness parameter Ra less than about 0.2 ⁇ .
  • the collection electrode 20 is made of a metallic material, for example aluminum.
  • the collection electrode 20 is made of a conductive material other than a metallic material, for example stainless steel or at least one conductive polymer.
  • Fig. 3A is a sectional view schematically showing an example of a collection electrode for use in an electrostatic collector of the type shown in Fig. 1.
  • Fig. 3B is a photograph corresponding to Fig. 3A.
  • the collection electrode 20 comprises a main portion 20b of cylindrical shape.
  • 20-3 denotes the inner wall of the collection electrode 20, intended to form the collection surface of the particles, and by reference 20-4 the outer wall of the collection electrode 20.
  • the outer wall 20-4 and the inner wall 20-3 of the collection electrode 20 are cylindrical.
  • the upstream end 20-1 of the collection electrode 20, intended to be the closest to the discharge electrode 10, has a rounded internal edge 20a.
  • the collection electrode 20 does not present a sharp angle opposite the discharge electrode 10. This reduces the risk of generating arcs. between the discharge electrode 10 and the collection electrode 20.
  • the downstream end 20-2 of the collection electrode 20, intended to be the furthest away from the discharge electrode 10, comprises an outer flange 20c in the form of a flange.
  • Fig. 4 is a sectional view schematically showing a variant of the collection electrode of Fig. 3A.
  • the elements common with those of Figure 3A are designated by the same references.
  • the internal diameter of the collection electrode is not constant.
  • the inner wall 20-3 of the collection electrode 20 widens from the upstream end 20-1 to the downstream end 20-2, and the outer wall 20-4 is cylindrical.
  • the inner wall 20-3 of the collection electrode 20 corresponds for example to a cone portion.
  • the angle of inclination ⁇ of the inner wall 20-3 with respect to the axis of revolution of the collection electrode 20 is for example between about 1 ° and about 10 °.
  • Fig. 5 is a sectional view schematically showing another embodiment of an electrostatic collector.
  • the elements common with those of Figure 1 are designated by the same references and are not described again below.
  • the collection electrode 20 is removable, able to be inserted into the electrostatic collector and to be removed manually. It can then be inserted in an analysis device and / or in a cleaning device outside the electrostatic collector.
  • An opening 42 formed in the wall 1 of the collection chamber, is configured to receive the collection electrode 20 and a return means 40, for example a spring, positioned in the opening 42 between the collection electrode 20 and the wall 1.
  • the internal diameter of the collection electrode 20 corresponds substantially to the internal diameter of the wall 1.
  • the opening 42 is made such that no part of the return means 40 is closer to the discharge electrode 10 than the collection electrode 20.
  • the downstream end 20-2 of the removable collection electrode 20 comprises a flange 20c forming a bearing surface for the return means 40.
  • a locking piece 44 is intended to be positioned against the flange 20c in order to block it resting against the return means 40.
  • the return means 40 is preferably an electrically conductive material, for example stainless steel. In this case, the return means 40 is intended to be electrically connected to the biasing means 21 in order to bias the collection electrode 20.
  • the locking piece 44 is positioned against the flange 20c of the collection electrode 20.
  • the locking piece 44 blocks the flange 20c resting against the return means 40, which compresses the latter.
  • the return means 40 is supported both on the wall 1 of the collection chamber and on the collection electrode 20.
  • the blocking piece 44 is removed.
  • the biasing means 40 then pushes the collection electrode 20 out of the opening 42, which facilitates removal of the collection electrode from the electrostatic collector.
  • An advantage of an electrostatic collector of the type described in connection with FIG. 5 is related to the fact that it facilitates the removal of the collection electrode from the electrostatic collector, for example with a view to analyzing the particles. collected and / or cleaning the collection electrode.
  • Figure 6 is a sectional view schematically showing an alternative embodiment of the electrostatic collector of Figure 5.
  • the elements common with those of Figure 5 are designated by the same references and are not described again below.
  • the collection chamber 3 has a larger internal diameter upstream of the collection electrode 20 than at the location of the collection electrode. This results in a decrease in the pressure drop of the device.
  • the reduction factor of the diameter of the collection chamber 3 from upstream to downstream is for example of the order of 30 to 50%.
  • the diameter restriction is preferably formed near the downstream end 10-1 of the discharge electrode 10, upstream of the downstream end 10-1, for example at a distance corresponding substantially to the internal diameter of the collection electrode.
  • the wall 1 of the collection chamber has an internal diameter substantially equal to the internal diameter of the collection electrode 20.
  • a discharge electrode of the type illustrated in FIG. 2 may of course be used in an electrostatic collector of the type illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • a collection electrode of the type illustrated in FIG. 4 may be used. in an electrostatic collector of the type illustrated in FIGS. 5 and 6.
  • the voltage generator is able to impose an electrical potential difference between the collection electrode and the discharge electrode between about 1 kV and about 15 kV, preferably between about 6 kV and about 10 kV.
  • the discharge electrode and the collection electrode are polarized so that the electric potential of the discharge electrode is lower than the electrical potential of the collection electrode. It is said that the electric discharge is negative.
  • the discharge electrode 10 is connected to ground and the potential of the collection electrode 20 is positive.
  • the inventors have carried out collection efficiency measurements as a function of particle diameter. These measures enabled them to regardless of the diameter of the particles considered, the collection efficiency is optimized for a negative discharge and for a discharge electrode connected to ground.
  • the inventors passed ambient air containing natural dust into the collection chamber 3.
  • the treated air was taken from a bypass disposed in downstream of the collection electrode 20.
  • a Grimm Dust Monitor vl.109 type optical particle counter was then used to analyze the air sampled. This made it possible to determine the concentration of the particles in the air taken according to their diameter and to deduce the collection efficiency as a function of the particle diameter.
  • the measurements were made with a collection chamber of internal diameter of the order of 10 mm, and for a distance of about 6 mm between the discharge electrode 10 and the collection electrode 20.
  • Fig. 7 shows results of measuring the collection efficiency as a function of the particle diameter, for different polarizations of the discharge electrode and the collection electrode and for an air flow of 5 liters per minute.
  • the curves 61 and 62 correspond to a positive discharge, the potential of the discharge electrode being respectively 9 kV and 9.9 kV, the collection electrode being connected to ground.
  • the curves 63 and 64 correspond to a negative discharge, the potential of the collection electrode being respectively 9 kV and 9.9 kV, the discharge electrode being connected to ground.
  • FIGS. 8A and 8B show results of measuring the collection efficiency as a function of the particle diameter in the case of a negative discharge, respectively when the discharge electrode is connected to ground and when the collection electrode is connected to the mass. Measurements were made for a negative discharge of 9.9 kV.
  • the curves 71 and 81 respectively correspond to the case where the discharge electrode is connected to ground and in the case where the collection electrode is connected to the mass.
  • the curves 73 and 83 respectively correspond to the case where the discharge electrode is connected to the earth and in the case where the collection electrode is connected to the ground (in case the mass is connected to the earth).

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Abstract

Collecteur électrostatique comprenant une chambre de collecte délimitée par une paroi tubulaire orientée selon un premier axe; une électrode de décharge, de forme allongée, s'étendant selon ledit premier axe; une électrode de collecte destinée à être disposée à l'intérieur de la chambre de collecte contre la paroi, caractérisé en ce que l'électrode de décharge (10) comporte une extrémité (10-1), en forme de pointe, ladite extrémité étant disposée en regard de l'électrode de collecte; une première partie, fine, (10a) d'un premier diamètre, débouchant sur ladite extrémité en forme de pointe, une deuxième partie (10b), d'un second diamètre, le second diamètre étant supérieur ou égal à deux fois le premier diamètre, le second diamètre étant de préférence compris entre 2 et 6 fois le premier diamètre; et un élargissement brusque (11), s'étendant entre la première partie (10a) et la deuxième partie (10b).

Description

COLLECTEUR ELECTROSTATIQUE
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
La présente invention concerne un dispositif de collecte électrostatique de particules en suspension dans un milieu gazeux, couramment appelé collecteur électrostatique ou électrofiltre.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE
La détection et l'analyse des particules présentes dans l'air ambiant constituent une préoccupation actuelle majeure, que ce soit pour la surveillance de la qualité de l'air, pour protéger les populations d'agents pathogènes aéroportés (légionnelles, grippe, etc.) ou pour des enjeux de sécurité (détection d'attaques biologiques).
Des collecteurs électrostatiques ou électrofiltres, couramment désignés par l'acronyme d'origine anglo-saxonne ESP (« Electrostatic Precipitator »), permettent de collecter des particules en suspension dans un milieu gazeux, par exemple l'air ambiant. Ils permettent ainsi de purifier le milieu gazeux et éventuellement d'analyser les particules collectées.
Un collecteur électrostatique comprend deux électrodes disposées à proximité l'une de l'autre. Une des deux électrodes est couramment appelée électrode de décharge et l'autre électrode est couramment appelée contre-électrode ou électrode de collecte. Un champ électrique élevé est induit entre les deux électrodes sous l'effet d'une différence de potentiel appliquée entre les deux électrodes. Le champ électrique ionise le volume de gaz situé entre les deux électrodes, créant une gaine ou couronne de gaz ionisé située autour de l'électrode de décharge. Ce phénomène est appelé décharge couronne. Le gaz contenant les particules à séparer que l'on fait transiter entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte traverse alors un flux d'ions et les particules à séparer sont ionisées à leur tour. Sous l'effet des forces électrostatiques, les particules chargées ainsi créées sont attirées par l'électrode de collecte sur laquelle elles sont collectées.
Il se pose le problème d'optimiser la décharge électrique générée entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte afin de maximiser le rendement de collecte.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
La présente invention vise notamment à résoudre ces problèmes.
La présente invention concerne un collecteur électrostatique comprenant une chambre de collecte délimitée par une paroi tubulaire orientée selon un premier axe ; une électrode de décharge, de forme allongée, s'étendant selon ledit premier axe ; et une électrode de collecte destinée à être disposée à l'intérieur de la chambre de collecte contre la paroi.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode de décharge comporte :
- une extrémité, en forme de pointe, ladite extrémité étant disposée en regard de l'électrode de collecte ;
- une première partie, dite partie fine, présentant un premier diamètre et débouchant sur ladite extrémité en forme de pointe ;
- une deuxième partie présentant un second diamètre, le second diamètre étant supérieur ou égal à deux fois le premier diamètre, le second diamètre étant de préférence compris entre 2 et 6 fois le premier diamètre ; et
- un élargissement brusque, s'étendant entre les première et deuxième parties.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, ledit élargissement brusque s'étend sur une distance inférieure au second diamètre.
La première partie peut présenter une longueur inférieure à environ 10 mm, de préférence inférieure à environ 5 mm, par exemple comprise entre environ 1 et 5 mm. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le collecteur électrostatique comprend en outre un premier moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de décharge à un premier potentiel, et un deuxième moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de collecte à un deuxième potentiel, le premier potentiel étant inférieur au deuxième potentiel. De préférence, le premier potentiel est un potentiel de masse.
Le premier diamètre peut être compris entre 0,5 mm et 2 mm.
Le second diamètre peut être compris entre 1 mm et 5 à 6 mm.
Un avantage d'une électrode de décharge présentant un tel élargissement brusque est lié au fait qu'elle permet d'obtenir un dépôt plus axisymétrique des particules sur l'électrode de collecte, par rapport à une électrode de décharge de diamètre constant sur toute sa longueur. Une telle électrode de décharge permet d'éviter des accumulations inhomogènes de particules collectées au niveau de l'électrode de collecte. Il en résulte un rendement de collecte accru du collecteur électrostatique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'élargissement de l'électrode de décharge est formé par un anneau conducteur entourant la première partie fine de l'électrode de décharge sur une partie de sa longueur, ladite extrémité en forme de pointe dépassant de l'anneau.
Avantageusement, l'extrémité de l'anneau la plus proche de l'extrémité en forme de pointe de l'électrode de décharge est arrondie.
Ladite extrémité en forme de pointe peut être située à une distance comprise entre 2 mm et 10 mm de l'anneau.
L'anneau peut présenter un diamètre externe compris entre 1 mm et 5 mm et un diamètre interne qui permette le passage et le maintien de la première partie fine de l'électrode de décharge.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode de décharge est un élément conducteur électrique creux, par exemple un capillaire métallique. Un avantage d'une électrode de décharge creuse réside dans le fait qu'elle peut être fabriquée par un procédé simple à mettre en œuvre. Il suffit de couper un tube conducteur électrique pour obtenir une électrode de décharge creuse. Pour obtenir une pointe, il faudrait usiner l'extrémité de l'électrode de décharge en forme de pointe. Un autre avantage d'une électrode de décharge creuse réside dans le fait qu'elle permet d'obtenir des décharges électriques moins intenses qu'une pointe de dimensions comparables.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'électrode de décharge et l'électrode de collecte sont décalées l'une par rapport à l'autre selon ledit premier axe de la chambre de collecte, aucune portion de l'électrode de décharge ne se trouvant au même niveau que l'électrode de collecte selon ledit premier axe.
La présente invention concerne également un collecteur électrostatique comprenant une chambre de collecte délimitée par une paroi tubulaire orientée selon un premier axe ; une électrode de décharge, dont au moins une extrémité est en forme de pointe, destinée à être disposée à l'intérieur de la chambre de collecte ; une électrode de collecte, de forme tubulaire, destinée à être disposée dans une ouverture formée dans la paroi, l'électrode de collecte présentant une première extrémité et une seconde extrémité, la première extrémité étant destinée à être la plus proche de ladite extrémité en forme de pointe de l'électrode de décharge ; et un moyen de rappel, destiné à être disposé dans ladite ouverture entre l'électrode de collecte et la paroi.
Un avantage d'un tel collecteur électrostatique est lié au fait qu'il permet de faciliter le retrait de l'électrode de collecte du collecteur électrostatique, par exemple en vue de l'analyse des particules collectées et/ou du nettoyage de l'électrode de collecte.
Le moyen de rappel peut être un ressort.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, le collecteur électrostatique comprend en outre une pièce de blocage, destinée à appuyer sur la seconde extrémité de l'électrode de collecte et à comprimer le moyen de rappel. De préférence, la seconde extrémité de l'électrode de collecte comporte une collerette.
Avantageusement, la première extrémité de l'électrode de collecte présente un rebord interne arrondi. Ceci permet de réduire le risque de générer des arcs électriques entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte. Selon un mode de réalisation de la présente invention, la paroi interne de l'électrode de collecte est une portion de cône.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, la chambre de collecte présente un diamètre interne plus élevé en amont de l'électrode de collecte qu'à l'emplacement de l'électrode de collecte.
La présente invention concerne également un procédé d'utilisation d'un collecteur électrostatique selon l'invention, tel que décrit ci-dessus.
La présente invention concerne en outre un procédé d'utilisation d'un collecteur électrostatique comportant :
- une chambre de collecte délimitée par une paroi tubulaire orientée selon un premier axe ;
- une électrode de décharge, de forme allongée, s'étendant selon ledit premier axe ; et une électrode de collecte disposée à l'intérieur de la chambre de collecte, l'électrode de décharge présentant une extrémité en forme de pointe disposée en regard de l'électrode de collecte ; et
- un premier moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de décharge à un premier potentiel, et un deuxième moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de collecte à un deuxième potentiel ;
le procédé étant tel que le premier potentiel est inférieur au deuxième potentiel.
De préférence, le premier potentiel est un potentiel de masse.
La présente invention concerne en outre un collecteur électrostatique comportant :
- une chambre de collecte délimitée par une paroi tubulaire orientée selon un premier axe ;
- une électrode de décharge, de forme allongée, s'étendant selon ledit premier axe ; et une électrode de collecte disposée à l'intérieur de la chambre de collecte, l'électrode de décharge présentant une extrémité en forme de pointe disposée en regard de l'électrode de collecte ; et - un premier moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de décharge à un premier potentiel, et un deuxième moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de collecte à un deuxième potentiel,
le collecteur électrostatique étant caractérisé par le fait que le premier potentiel est inférieur au deuxième potentiel.
De préférence, le premier potentiel est un potentiel de masse.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront plus clairement à la lecture de la description suivante et en référence aux dessins annexés, donnés à titre uniquement illust ratif et nullement limitatifs.
La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple de réalisation d'un collecteur électrostatique.
La figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d'électrode de décharge.
La figure 3A est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d'électrode de collecte. La figure 3B est une photographie correspondant à la figure 3A.
La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de l'électrode de collecte de la figure 3A.
La figure 5 est une vue en coupe représentant de façon schématique un autre exemple de réalisation d'un collecteur électrostatique.
La figure 6 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation du collecteur électrostatique de la figure 5.
La figure 7 représente des résultats de mesure du rendement de collecte en fonction du diamètre des particules, pour différentes polarisations de l'électrode de décharge et de l'électrode de collecte.
Les figures 8A et 8B représentent des résultats de mesure du rendement de collecte en fonction du diamètre des particules dans le cas d'une décharge négative, respectivement lorsque l'électrode de décharge est reliée à la masse et lorsque l'électrode de collecte est reliée à la masse.
Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
La figure 1 est une vue en coupe représentant de façon schématique un mode de réalisation d'un collecteur électrostatique.
Une paroi tubulaire 1, par exemple un cylindre de révolution, délimite une chambre de collecte 3. L'axe longitudinal de la paroi 1 est orienté selon l'axe z. La paroi 1 est de préférence en un matériau isolant électrique.
En fonctionnement, le collecteur électrostatique est destiné à être orienté de sorte que l'axe z corresponde à la direction verticale ou à une direction inclinée par rapport à la verticale. La paroi 1 comprend une extrémité amont et une extrémité aval délimitant respectivement une entrée 5 et une sortie 7 de la chambre de collecte. Les termes « amont », « aval » et « entrée », « sortie » sont considérés par rapport au sens de l'écoulement du gaz à traiter dans le collecteur électrostatique, symbolisé par des flèches 9. Le gaz à traiter s'écoule de l'amont vers l'aval, de l'entrée 5 vers la sortie 7 du collecteur électrostatique.
Le dispositif comporte une chambre d'admission (non représentée), pour l'admission du gaz à traiter, disposée en amont de la chambre de collecte 3. La chambre d'admission et la chambre de collecte sont préférentiellement coaxiales.
Une électrode de décharge 10, de forme allongée, comportant au moins un matériau conducteur électrique, est maintenue dans la chambre de collecte 3 par un support 13. D'une manière générale, l'électrode de décharge 10 est avantageusement formée d'un élément conducteur électrique creux, par exemple un capillaire métallique. Un avantage d'une électrode de décharge creuse réside dans le fait qu'elle peut être fabriquée par un procédé simple à mettre en œuvre. Il suffit de couper un tube conducteur électrique pour obtenir une électrode de décharge creuse. Pour obtenir une pointe, il faudrait usiner l'extrémité de l'électrode de décharge en forme de pointe. Un autre avantage d'une électrode de décharge creuse réside dans le fait qu'elle permet d'obtenir des décharges électriques moins intenses qu'une pointe de dimensions comparables.
L'électrode de décharge 10 est de préférence disposée selon l'axe z de la chambre de collecte.
Le support 13, par exemple un anneau, dont les deux extrémités 14, 16 sont fixées à la paroi 1, traverse transversalement la chambre de collecte. L'axe longitudinal du support 13 est orienté perpendiculairement à l'axe longitudinal selon lequel s'étend la paroi tubulaire 1 (axe z). Le support 13 est de préférence en un matériau isolant. Le support 13 comprend une ouverture traversante, par exemple cylindrique, dont l'axe longitudinal est parallèle à l'axe z, configurée pour recevoir l'électrode de décharge 10. L'axe longitudinal de l'électrode de décharge 10 est orienté selon l'axe z.
L'électrode de décharge 10 est en contact avec un moyen de polarisation 17, comportant au moins une partie électriquement conductrice, qui permet de la relier électriquement à un générateur de tension 19.
Une électrode de collecte 20, de forme tubulaire, par exemple de forme cylindrique, comportant au moins un matériau conducteur électrique, est disposée à l'intérieur de la chambre de collecte 3, en contact avec la surface interne de la paroi 1. L'électrode de collecte 20 est disposée dans une ouverture formée dans la paroi 1 de la chambre de collecte. L'électrode de collecte 20 et la paroi 1 sont coaxiales. L'électrode de collecte 20 est destinée à former la surface de collecte des particules. De manière avantageuse, le diamètre interne de l'électrode de collecte 20 est sensiblement égal au diamètre interne de la paroi 1 pour réduire les discontinuités de diamètre de la chambre de collecte sur le trajet de l'écoulement du gaz. L'électrode de collecte 20 est en contact avec un moyen de polarisation 21, comportant au moins une partie électriquement conductrice, qui permet de la relier électriquement au générateur de tension 19.
Le support 13 est par exemple disposé dans la chambre de collecte de sorte que l'électrode de décharge 10 soit située en amont de l'électrode de collecte 20, comme cela est représenté en figure 1. Dans ce cas, l'extrémité 10-1 de l'électrode de décharge 10 la plus proche de l'électrode de collecte 20 correspond à son extrémité aval. L'extrémité 20-1 de l'électrode de collecte 20 la plus proche de l'électrode de décharge 10 correspond à son extrémité amont et l'extrémité 20-2 de l'électrode de collecte 20 la plus éloignée de l'électrode de décharge 10 correspond à son extrémité aval. De préférence, l'électrode de décharge 10 et l'électrode de collecte 20 sont décalées l'une par rapport à l'autre selon l'axe z de la chambre de collecte, aucune portion de l'électrode de décharge 10 ne se trouvant au même niveau que l'électrode de collecte 20 selon l'axe z. L'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 et l'extrémité amont 20- 1 de l'électrode de collecte 20 sont séparées d'une certaine distance (ou décalage) selon l'axe z, l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 étant située en amont de l'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte 20.
L'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10, la plus proche de l'électrode de collecte 20, est libre. Cette extrémité est en forme de pointe, ce qui permet la formation de décharges couronne entre l'électrode de décharge (qui présente le rayon de courbure le plus faible) et l'électrode de collecte (qui présente le rayon de courbure le plus élevé). L'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 présente par exemple un rayon de courbure inférieur à environ 1 mm, d'où le terme « en forme de pointe ».
De préférence, la distance entre l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 et l'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte 20 est supérieure ou égale au rayon interne de la chambre de collecte. Ceci permet de réduire le risque de formation d'un arc électrique entre l'électrode de décharge et l'électrode de collecte.
Avantageusement, la distance entre l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge et l'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte est inférieure à trois à quatre fois le rayon interne de la chambre de collecte. Ceci permet d'optimiser le rendement de collecte.
De préférence, l'extrémité aval 10-1 libre de l'électrode de décharge, lieu de la décharge, est décalée de l'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte 20 d'une distance, selon l'axe z, comprise entre le rayon interne de l'électrode de collecte et le diamètre interne de l'électrode de collecte, par exemple avec une tolérance de 1 mm, l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 étant située en amont de l'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte 20.
Pour une électrode de collecte de diamètre interne de l'ordre de 10 mm, le décalage entre l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 et l'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte 20 selon l'axe z est par exemple compris entre environ 5 mm (par exemple à +/- 1 mm) et environ 10 mm (par exemple à +/- 1 mm), par exemple de l'ordre de 7 mm.
Avantageusement, le diamètre interne de la chambre de collecte est inférieur à environ 30 mm.
Electrode de décharge
Avantageusement, l'électrode de décharge 10 présente un élargissement en amont de son extrémité aval 10-1.
L'électrode de décharge 10 s'élargit d'un premier diamètre jusqu'à un second diamètre correspondant par exemple à environ 2 à 6 fois le premier diamètre. Cet élargissement est brusque, c'est-à-dire qu'il s'étend sur une distance inférieure au second diamètre.
Ainsi, l'électrode de décharge 10 comprend :
- une extrémité aval 10-1 en forme de pointe, disposée en regard de l'électrode de collecte 20 ;
- une première partie présentant un premier diamètre, dite partie fine, débouchant sur ladite extrémité aval 10-1 ;
- une deuxième partie présentant un second diamètre, adjacente à la première partie, le second diamètre étant supérieur ou égal à deux fois le premier diamètre, le second diamètre étant de préférence compris entre 2 et 6 fois le premier diamètre ; et
- un élargissement 11 s'étendant entre la première partie et la deuxième partie, sur une distance inférieure au second diamètre.
La première partie et la deuxième partie de l'électrode de décharge 10 sont disposées suivant le même axe, de préférence l'axe z de la chambre de collecte. L'extrémité aval 10-1 en forme de pointe de l'électrode de décharge 10, dans le prolongement de la première partie, est libre.
Un avantage d'une telle électrode de décharge est lié au fait qu'elle permet d'obtenir un dépôt plus axisymétrique des particules sur l'électrode de collecte, par rapport à une électrode de décharge de diamètre constant sur toute sa longueur. Une telle électrode de décharge permet d'éviter des accumulations inhomogènes de particules collectées au niveau de l'électrode de collecte, de telles accumulations pouvant dégrader le fonctionnement du dispositif en réduisant notamment le rendement de collecte. Par ailleurs, il a été observé que l'utilisation d'une telle électrode de décharge permet de réduire les variations d'amplitude des décharges couronne. Il en résulte une réduction des variations du rendement de collecte du collecteur électrostatique au fur et à mesure de son utilisation.
A titre d'exemple de dimensions, le premier diamètre peut être compris entre 0,5 et 2 mm, de préférence entre 0,5 et 1 mm. L'électrode de décharge 10 s'élargit par exemple à une distance supérieure ou égale à 1 mm de son extrémité aval 10-1, par exemple à une distance de l'ordre de 5 mm de son extrémité aval 10-1.
L'élargissement de l'électrode de décharge 10 peut être formé par un anneau conducteur entourant la partie fine de l'électrode de décharge sur une partie de sa longueur. L'extrémité aval au moins de la partie fine de l'électrode de décharge dépasse de l'anneau. Ainsi, l'électrode de décharge 10 comporte un anneau cylindrique disposé à une distance de l'ordre de 1 à 10 mm de l'extrémité aval 10-1, cet anneau s'étendant selon le même axe que l'électrode de décharge. De préférence, le diamètre interne de l'anneau correspond au premier diamètre, et son diamètre externe correspond au second diamètre. Ainsi, l'anneau est inséré au contact de la partie fine de l'électrode de décharge. La distance sur laquelle s'étend cet anneau varie entre quelques mm et quelques cm.
A titre d'exemple de dimensions, l'anneau peut présenter un diamètre externe compris entre 1 mm et 5 mm et un diamètre interne qui permette le passage et le maintien de la partie fine de l'électrode de décharge 10. La partie fine de l'électrode de décharge 10 peut dépasser de l'anneau sur une distance comprise entre 1 mm et 10 mm en aval de l'anneau.
La partie de l'électrode de décharge comprise entre l'élargissement 11 et l'extrémité aval 10-1 correspond à la partie fine de l'électrode. Son diamètre est inférieur à environ 2 mm, de préférence inférieur à environ 1 mm. La partie fine de l'électrode de décharge 10 est par exemple formée d'un élément conducteur électrique creux, par exemple un capillaire métallique. Le capillaire métallique présente par exemple un diamètre externe de l'ordre de 0,5 mm et un diamètre interne de l'ordre de 0,25 mm. Selon une alternative, la partie fine de l'électrode de décharge 10 est formée d'un élément conducteur électrique plein.
La figure 2 est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d'une telle électrode de décharge pouvant être utilisée dans un collecteur électrostatique du type de celui illustré en figure 1. Cette électrode de décharge est formée d'un capillaire métallique 10a entouré sur une partie de sa longueur par un anneau métallique 10b. Le capillaire 10a et l'anneau 10b sont par exemple reliés entre eux par une soudure. L'extrémité 10c de l'anneau 10b, par laquelle sort et dépasse l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10, destinée à être la plus proche de l'électrode de collecte, est arrondie. Ceci permet d'éviter tout effet de pointe. Cet arrondi peut être formé par une soudure.
A titre d'exemple, l'électrode de décharge 10 est formée d'un capillaire métallique 10a de diamètre externe de l'ordre de 0,5 mm et de diamètre interne de l'ordre de 0,25 mm, entouré sur une partie de sa longueur par un anneau métallique 10b de diamètre externe de l'ordre de 2 mm et de diamètre interne de l'ordre de 0,5 mm. Le capillaire 10a débouche de l'anneau 10b par exemple à environ 5 mm de l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10. Selon une alternative, l'électrode de décharge 10 peut être formée d'une seule pièce, usinée de façon à présenter une extrémité fine, c'est-à-dire de diamètre inférieur à environ 2 mm, de préférence inférieur à environ 1 mm, et un élargissement tel que précédemment décrit.
A titre d'exemple de matériaux, la partie fine 10a de l'électrode de décharge est de préférence en un matériau métallique, par exemple en acier ou en acier inoxydable ou en cuivre ou en argent. L'anneau conducteur 10b est de préférence en un matériau métallique, par exemple en acier ou en acier inoxydable ou en cuivre ou en argent. Electrode de collecte
L'électrode de collecte 20 ne présente de préférence aucune protubérance ou aucune aspérité ou aucun angle vif en regard de l'électrode de décharge. L'électrode de collecte 20 présente une surface lisse au toucher, c'est-à-dire que la surface de l'électrode de collecte présente un paramètre de rugosité Ra inférieur à environ 0,7 μιη, de préférence inférieur à environ 0,4 μιη. De préférence, l'électrode de collecte 20 présente une surface parfaitement polie, c'est-à-dire que la surface de l'électrode de collecte présente un paramètre de rugosité Ra inférieur à environ 0,2 μιη.
De préférence, l'électrode de collecte 20 est en un matériau métallique, par exemple en aluminium. Selon une alternative, l'électrode de collecte 20 est en un matériau conducteur autre qu'un matériau métallique, par exemple en acier inoxydable ou en au moins un polymère conducteur.
La figure 3A est une vue en coupe représentant de façon schématique un exemple d'électrode de collecte pouvant être utilisée dans un collecteur électrostatique du type de celui illustré en figure 1. La figure 3B est une photographie correspondant à la figure 3A.
L'électrode de collecte 20 comporte une portion principale 20b de forme cylindrique. On désigne par la référence 20-3 la paroi interne de l'électrode de collecte 20, destinée à former la surface de collecte des particules, et par la référence 20- 4 la paroi externe de l'électrode de collecte 20. Dans cet exemple, la paroi externe 20-4 et la paroi interne 20-3 de l'électrode de collecte 20 sont cylindriques. L'extrémité amont 20-1 de l'électrode de collecte 20, destinée à être la plus proche de l'électrode de décharge 10, présente un rebord interne arrondi 20a. Ainsi, lorsqu'elle est positionnée dans la paroi 1 de la chambre de collecte, l'électrode de collecte 20 ne présente pas d'angle vif en regard de l'électrode de décharge 10. Ceci permet de réduire le risque de générer des arcs électriques entre l'électrode de décharge 10 et l'électrode de collecte 20.
L'extrémité aval 20-2 de l'électrode de collecte 20, destinée à être la plus éloignée de l'électrode de décharge 10, comporte un rebord externe 20c en forme de collerette.
La figure 4 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de l'électrode de collecte de la figure 3A. Les éléments communs avec ceux de la figure 3A sont désignés par les mêmes références.
Selon cette variante, le diamètre interne de l'électrode de collecte n'est pas constant. La paroi interne 20-3 de l'électrode de collecte 20 s'élargit de l'extrémité amont 20-1 vers l'extrémité aval 20-2, et la paroi externe 20-4 est cylindrique. La paroi interne 20-3 de l'électrode de collecte 20 correspond par exemple à une portion de cône. L'angle d'inclinaison Θ de la paroi interne 20-3 par rapport à l'axe de révolution de l'électrode de collecte 20 est par exemple compris entre environ 1 ° et environ 10 °.
La figure 5 est une vue en coupe représentant de façon schématique un autre mode de réalisation d'un collecteur électrostatique. Les éléments communs avec ceux de la figure 1 sont désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau ci-après.
Dans ce mode de réalisation, l'électrode de collecte 20 est amovible, apte à être insérée dans le collecteur électrostatique et à en être retirée de façon manuelle. Elle peut ensuite être insérée dans un dispositif d'analyse et/ou dans un dispositif de nettoyage extérieur au collecteur électrostatique.
Une ouverture 42, formée dans la paroi 1 de la chambre de collecte, est configurée pour recevoir l'électrode de collecte 20 et un moyen de rappel 40, par exemple un ressort, positionné dans l'ouverture 42 entre l'électrode de collecte 20 et la paroi 1. Le diamètre interne de l'électrode de collecte 20 correspond sensiblement au diamètre interne de la paroi 1. L'ouverture 42 est réalisée de façon qu'aucune partie du moyen de rappel 40 ne soit plus près de l'électrode de décharge 10 que l'électrode de collecte 20.
L'extrémité aval 20-2 de l'électrode de collecte amovible 20 comporte une collerette 20c formant une surface d'appui pour le moyen de rappel 40. Une pièce de blocage 44 est destinée à être positionnée contre la collerette 20c afin de la bloquer en appui contre le moyen de rappel 40.
Le moyen de rappel 40 est de préférence en un matériau conducteur électrique, par exemple en acier inoxydable. Dans ce cas, le moyen de rappel 40 est destiné à être relié électriquement au moyen de polarisation 21 afin de polariser l'électrode de collecte 20.
Pour insérer et maintenir l'électrode de collecte 20 dans le collecteur électrostatique, la pièce de blocage 44 est positionnée contre la collerette 20c de l'électrode de collecte 20. La pièce de blocage 44 bloque la collerette 20c en appui contre le moyen de rappel 40, ce qui comprime ce dernier. Le moyen de rappel 40 s'appuie à la fois sur la paroi 1 de la chambre de collecte et sur l'électrode de collecte 20.
Pour extraire l'électrode de collecte 20 du collecteur électrostatique, la pièce de blocage 44 est retirée. Le moyen de rappel 40 pousse alors l'électrode de collecte 20 hors de l'ouverture 42, ce qui facilite le retrait de l'électrode de collecte du collecteur électrostatique.
Un avantage d'un collecteur électrostatique du type de celui décrit en relation avec la figure 5 est lié au fait qu'il permet de faciliter le retrait de l'électrode de collecte du collecteur électrostatique, par exemple en vue de l'analyse des particules collectées et/ou du nettoyage de l'électrode de collecte.
La figure 6 est une vue en coupe représentant de façon schématique une variante de réalisation du collecteur électrostatique de la figure 5. Les éléments communs avec ceux de la figure 5 sont désignés par les mêmes références et ne sont pas décrits à nouveau ci-après. Dans cette variante, la chambre de collecte 3 présente un diamètre interne plus élevé en amont de l'électrode de collecte 20 qu'à l'emplacement de l'électrode de collecte. Il en résulte une diminution de la perte de charge du dispositif.
Le facteur de réduction du diamètre de la chambre de collecte 3 de l'amont vers l'aval est par exemple de l'ordre de 30 à 50 %. La restriction de diamètre est de préférence formée à proximité de l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10, en amont de l'extrémité aval 10-1, par exemple à une distance correspondant sensiblement au diamètre interne de l'électrode de collecte.
Entre l'extrémité aval 10-1 de l'électrode de décharge 10 et l'électrode de collecte 20, la paroi 1 de la chambre de collecte présente un diamètre interne sensiblement égal au diamètre interne de l'électrode de collecte 20.
Une électrode de décharge du type de celle illustrée en figure 2 pourra bien entendu être utilisée dans un collecteur électrostatique du type de celui illustré en figures 5 et 6. En outre, une électrode de collecte du type de celle illustrée en figure 4 pourra être utilisée dans un collecteur électrostatique du type de celui illustré en figures 5 et 6.
Dans un collecteur électrostatique du type de celui décrit en relation avec les figures 1, 5 et 6 en fonctionnement, le générateur de tension est apte à imposer une différence de potentiel électrique entre l'électrode de collecte et l'électrode de décharge comprise entre environ 1 kV et environ 15 kV, de préférence entre environ 6 kV et environ 10 kV.
Avantageusement, l'électrode de décharge et l'électrode de collecte sont polarisées de sorte que le potentiel électrique de l'électrode de décharge soit inférieur au potentiel électrique de l'électrode de collecte. On dit alors que la décharge électrique est négative.
Avantageusement, l'électrode de décharge 10 est reliée à la masse et le potentiel de l'électrode de collecte 20 est positif.
Les inventeurs ont réalisé des mesures de rendement de collecte en fonction du diamètre des particules. Ces mesures leur ont permis de constater que, quel que soit le diamètre des particules considérées, le rendement de collecte est optimisé pour une décharge négative et pour une électrode de décharge reliée à la masse.
Pour réaliser ces mesures, les inventeurs ont fait transiter de l'air ambiant contenant des poussières naturelles dans la chambre de collecte 3. A la sortie de la chambre de collecte, l'air traité a été prélevé à partir d'une dérivation disposée en aval de l'électrode de collecte 20. Un compteur optique de particules de type Dust Monitor vl.109 de Grimm a ensuite été utilisé pour analyser l'air prélevé. Ceci qui a permis de déterminer la concentration des particules dans l'air prélevé en fonction de leur diamètre et d'en déduire le rendement de collecte en fonction du diamètre des particules.
Les mesures ont été réalisées avec une chambre de collecte de diamètre interne de l'ordre de 10 mm, et pour une distance d'environ 6 mm entre l'électrode de décharge 10 et l'électrode de collecte 20.
La figure 7 représente des résultats de mesure du rendement de collecte en fonction du diamètre des particules, pour différentes polarisations de l'électrode de décharge et de l'électrode de collecte et pour un débit d'air de 5 litres par minute.
Les courbes 61 et 62 correspondent à une décharge positive, le potentiel de l'électrode de décharge étant respectivement de 9 kV et de 9,9 kV, l'électrode de collecte étant reliée à la masse. Les courbes 63 et 64 correspondent à une décharge négative, le potentiel de l'électrode de collecte étant respectivement de 9 kV et de 9,9 kV, l'électrode de décharge étant reliée à la masse.
Ces résultats montrent que, pour l'ensemble des tailles de particules considérées, le rendement de collecte est optimisé lorsque la décharge est négative.
Les figures 8A et 8B représentent des résultats de mesure du rendement de collecte en fonction du diamètre des particules dans le cas d'une décharge négative, respectivement lorsque l'électrode de décharge est reliée à la masse et lorsque l'électrode de collecte est reliée à la masse. Les mesures ont été réalisées pour une décharge négative de 9,9 kV.
Les courbes 71 et 81 correspondent respectivement au cas où l'électrode de décharge est reliée à la masse et au cas où l'électrode de collecte est reliée à la masse. Les courbes 73 et 83 correspondent respectivement au cas où l'électrode de décharge est reliée à la terre et au cas où l'électrode de collecte est reliée à la terre (cas où la masse est reliée à la terre).
Ces résultats montrent que, pour l'ensemble des tailles de particules considérées, dans le cas d'une décharge négative, le rendement de collecte est optimisé lorsque l'électrode de décharge est reliée à la masse. Les inventeurs ont constaté que ces résultats s'appliquent même si l'électrode de décharge ne comporte pas d'élargissement brusque tel que précédemment décrit, notamment lorsque le diamètre de la chambre de collecte est inférieur à 50 mm, et de préférence inférieur à 30 mm, dès lors que l'électrode de décharge s'étend selon l'axe longitudinal de la chambre de collecte.

Claims

REVENDICATIONS
1. Collecteur électrostatique comprenant :
une chambre de collecte (3) délimitée par une paroi tubulaire (1) en un matériau isolant électrique et orientée selon un premier axe (z) ;
une électrode de décharge (10), de forme allongée, s'étendant selon ledit premier axe (z) ;
une électrode de collecte (20) destinée à être disposée à l'intérieur de la chambre de collecte dans une ouverture (42) formée dans la paroi (1),
caractérisé en ce que l'électrode de décharge (10) comporte :
- une extrémité (10-1), en forme de pointe, ladite extrémité étant disposée en regard de l'électrode de collecte (20) ;
- une première partie, fine, (10a) d'un premier diamètre, débouchant sur ladite extrémité en forme de pointe,
- une deuxième partie (10b), d'un second diamètre, le second diamètre étant supérieur ou égal à deux fois le premier diamètre, le second diamètre étant de préférence compris entre 2 et 6 fois le premier diamètre ; et
- un élargissement brusque (11), s'étendant entre la première partie (10a) et la deuxième partie (10b).
2. Collecteur électrostatique selon la revendication 1, dans lequel l'élargissement brusque (11) s'étend sur une distance inférieure au second diamètre.
3. Collecteur électrostatique selon la revendication 1 ou 2, comprenant en outre :
- un premier moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de décharge (10) à un premier potentiel ; et
- un deuxième moyen de polarisation, apte à porter l'électrode de collecte (20) à un deuxième potentiel, le premier potentiel étant inférieur au deuxième potentiel, le premier potentiel étant préférentiellement un potentiel de masse.
4. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le premier diamètre est compris entre 0,5 mm et 2 mm.
5. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 4, dans lequel l'élargissement de l'électrode de décharge (10) est formé par un anneau conducteur (10b) entourant la première partie fine (10a) de l'électrode de décharge sur une partie de sa longueur, au moins ladite extrémité (10-1) en forme de pointe dépassant de l'anneau.
6. Collecteur électrostatique selon la revendication 5, dans lequel l'extrémité (10c) de l'anneau (10b) la plus proche de ladite extrémité (10-1) en forme de pointe est arrondie.
7. Collecteur électrostatique selon la revendication 5 ou 6, dans lequel ladite extrémité (10-1) en forme de pointe est située à une distance comprise entre 2 mm et 10 mm de l'anneau (10b).
8. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 5 à 7, dans lequel l'anneau (10b) présente un diamètre externe compris entre 1 mm et 5 mm et un diamètre interne qui permette le passage et le maintien de la première partie fine (10a) de l'électrode de décharge (10).
9. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'électrode de décharge (10) est un élément conducteur électrique creux, par exemple un capillaire métallique.
10. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel l'électrode de décharge (10) et l'électrode de collecte (20) sont décalées l'une par rapport à l'autre selon ledit premier axe (z) de la chambre de collecte, aucune portion de l'électrode de décharge (10) ne se trouvant au même niveau que l'électrode de collecte (20) selon ledit premier axe (z).
11. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 1 à 10, comprenant en outre un moyen de rappel (40),
dans lequel l'électrode de collecte (20) est de forme tubulaire et est destinée à être disposée dans une ouverture (42) formée dans la paroi (1), l'électrode de collecte présentant une première extrémité (20-1) et une seconde extrémité (20-2), la première extrémité (20-1) étant destinée à être la plus proche de ladite extrémité (10-1) en forme de pointe de l'électrode de décharge (10) ;
et dans lequel le moyen de rappel (40) est destiné à être disposé dans ladite ouverture entre l'électrode de collecte (20) et la paroi (1).
12. Collecteur électrostatique selon la revendication 11, dans lequel le moyen de rappel (40) est un ressort.
13. Collecteur électrostatique selon la revendication 11 ou 12, comprenant en outre une pièce de blocage (44) destinée à appuyer sur la seconde extrémité (20-2) de l'électrode de collecte (20) et à comprimer le moyen de rappel (40).
14. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 11 à 13, dans lequel la seconde extrémité (20-2) de l'électrode de collecte (20) comporte une collerette (20c).
15. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 11 à 14, dans lequel la première extrémité (20-1) de l'électrode de collecte (20) présente un rebord interne arrondi (20a).
16. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 11 à 15, dans lequel la paroi interne (20-3) de l'électrode de collecte (20) est une portion de cône.
17. Collecteur électrostatique selon l'une des revendications 11 à 16, dans lequel la chambre de collecte (3) présente un diamètre interne plus élevé en amont de l'électrode de collecte (20) qu'à l'emplacement de l'électrode de collecte.
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