FR3066406A1 - Dispositif de filtration de l'air ambiant ou d'un melange gazeux transitant dans une canalisation. le dispositif se nomme vfs pour "virtual fil filtration system" - Google Patents

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    • B01D46/02—Particle separators, e.g. dust precipitators, having hollow filters made of flexible material
    • B01D46/04—Cleaning filters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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Abstract

Dispositif de filtration de l'air ambiant ou d'un mélange gazeux transitant dans une canalisation. L'invention est appelée "Virtual Filter System" ou VFS. Le dispositif sujet de cette demande de brevet permet de filtrer les poussières, particules ou tous types d'aérosols contenu dans l'air ambiant ou dans une émission canalisée de mélange gazeux. Il est constitué d'une conduite d'entrée d'air ou flux gazeux se terminant par un ou plusieurs orifices d'accélérations puis de trois conduites d'extractions que l'on peut décomposer : • en deux conduites d'extractions majeurs dans lesquelles transites environ 90% du débit total passé par la conduite d'entrée et faisant l'une et l'autre un angle de 90° avec la conduite d'entrée du flux. • Une conduite d'extraction mineure dans laquelle transite environ 10% du débit total passé dans la conduite d'entrée. Cette conduite d'extraction mineure se situe dans la continuité de la conduite d'entrée de flux et se termine par un orifice calibré permettant de réguler le débit dans cette conduite. Le dispositif suivant l'invention permet de filtrer les particules, poussières, aérosols contenu dans un flux gazeux type cheminée ou associé à un ventilateur de générer un air propre dans un volume restreint tel qu'un habitacle automobile ou une maison.

Description

PROCEDE DE FILTRATION D’UN MELANGE GAZEUX TRANSITANT DANS
UNE CANALISATION OU DE L’AIR AMBIANT ET DISPOSITIF
CORRESPONDANT
DESCRIPTION DE L'INVENTION
La présente invention concerne tout aussi bien le domaine des émissions canalisées de mélange gazeux, c'est-à-dire un flux de mélange gazeux dans une canalisation que le domaine de la qualité de l’air intérieur.
En effet le dispositif sujet de cette demande de brevet permet de filtrer les poussières, particules ou tous types d’aérosols contenu dans l’air ambiant ou dans une émission canalisée de mélange gazeux.
Il est connu et reconnu que l’air ambiant contient des particules ou poussières encore appelées aérosols à différents niveaux de concentration et que l’assainissement de cet air ambiant est un objectif dans de nombreuses applications.
De plus bon nombre de procédés industriels aux premiers rangs desquels les procédés de combustions, raffinage ou encore traitement des déchets sont émetteurs d’une pollution de particules/poussières dans un écoulement gazeux canalisé.
Il existe sur le marché de nombreux dispositifs de filtration de l’air, chacun de ces dispositifs ayant ses avantages et ses inconvénients.
Le but de cette invention est de proposer un dispositif de filtration novateur se positionnant comme une alternative aux procédés de filtration actuels et remédiant à certains inconvénients bien connu des dispositifs de filtration existants tels que :
- La filtration à haute température
- La perte de charge des filtres de très haute efficacité et notamment l’augmentation de cette perte de charge quand le filtre se charge de poussières et colmate. __
- Le vieillissement, l’encrassement et le colmatage des filtres imposant leur remplacement régulier.
- La maintenance régulière des installations de filtration
La présente invention vise donc à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, la présente invention vise à proposer un nouveau dispositif de filtration basée sur un principe physique innovant pour ia filtration.
En effet ce nouvel élément filtrant a les avantages suivants :
- Utilisation potentielle sur une large plage de température, typiquement de -50°C à +1000°C
- Filtration de l’air ambiant tout aussi bien que de mélange gazeux hautement concentré jusqu’à plusieurs g/m3
- Une perte de charge modérée (100 à 1000 Pa suivant les applications) et surtout constante dans le temps
- Le non remplacement de ce type d’éléments filtrant, celui-ci ne se colmatant jamais et ne s’encrassant que très faiblement.
- Une très longue durée d’utilisation sans maintenance spécifique
A ce jour, les trois dispositifs de filtrations les plus utilisé à travers le monde sont :
- Les filtres à fibres et filtres papier dont l’efficacité peut être absolue mais ceux sont des consommables qu’il faut remplacer régulièrement Ce type de filtre est un média poreux à travers lequel l’air passe, le média piégeant les particules, poussières et autres aérosols.
2- Les électro-filtres dont le principe repose sur un procédé de charge de particules qui une fois chargées peuvent être collectées par mobilité électrique.
3- Les cyclones dont le principe repose sur une collection inertielle des poussières dans un réservoir.
L'invention a pour objet de proposer un nouveau dispositif de filtration ayant en autres comme particularité de ne pas collecter les particules, poussières ou aérosols contrairement aux trois types de filtration détaillés ci-dessus.
Nous appellerons ce dispositif le VFS pour « Virtual Filter System ».
Ce dispositif est basé sur le principe de l’impaction virtuel couplé à une buse d’extraction calibrée (voir schéma de principe figure 1 et 3).
Ce nouvel élément filtrant doit être associé à un flux d’air ou flux gazeux produit par un procédé industriel, un ventilateur, une turbine ou tous autres types de dispositif permettant de créer un flux d’air ou flux gazeux non pas en extraction mais en soufflage.
Le flux d’air ou flux gazeux à traiter est canalisé vers l’entrée du dispositif. La distance entre l’origine du soufflage et ce nouvel élément filtrant pouvant suivant les applications être de quelques centimètres à plusieurs dizaines de mètres.
Le dispositif sujet de cette invention sera conçu et dimensionné en accord avec les conditions aéraulique proposées et les performances ciblées pour les différentes applications rencontrées.
En effet ce dispositif peut très bien traiter de faibles débits de l’ordre de quelques litres par minute aussi bien que des débits d’air de plusieurs milliers de m3/h.
Le flux d’air ou mélange gazeux à filtrer et ce quelque soit sa température, son débit et son niveau de concentration en aérosols arrive à l’entrée du dispositif VFS et suit les étapes suivantes :
- Le flux est canalisé dans une conduite de section fixe
- Le flux est accéléré à travers une ou des buses d’accélérations ou encore orifices d’accélérations
- Le flux gazeux accéléré est séparé en trois directions suivant des angles et ratios de débit bien définis : 2 flux majeurs et un flux mineur
- Le ratio entre les flux majeurs et le flux mineur est constant et ajusté grâce à une buse équipée d’un orifice calibré positionnée à l’extrémité de la conduite d’extraction du flux mineur.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit pour la compréhension de laquelle on se reportera aux dessins annexés dans lesquels :
• La figure 1 illustre un mode de réalisation du dispositif selon l’invention • La figure 2 illustre de façon détaillée la géométrie d’un orifice d’accélération de la figure 1.
• La figure 3 illustre une géométrie alternative du mode de réalisation du dispositif selon l’invention.
• La figure 4 représente le dispositif schématique selon l’invention associé en amont du dispositif au flux d’air en soufflage et en aval de celui à une maison pour une ventilation d’air propre.
• La figure 5 représente le dispositif selon l’invention dans sa forme assemblée (vue extérieur du dispositif)
En référence aux figures 1, 2 et 3, le dispositif conforme à l'invention comprend :
- Un tube ou conduite d’entrée du flux (1) de diamètre ou section et longueur spécifique fonction du débit Q1 (Q1 = débit d’air ou flux gazeux à filtrer). Une géométrie non cylindrique de cette partie est également possible. Cette conduite d’entrée d’air pouvant être réalisé en tous types de matière (inox, métal, aluminium, plastique ou autres matériaux). Les sens des écoulements d’air (6) ou écoulement gazeux sont indiqués sur les figures.
- Un étage d’accélération (2) positionné en sortie du tube d’entrée du flux. Cet étage est typiquement sur notre exemple un disque plein percé d’un nombre de n trous cylindrique (avec classiquement 1< n < 100) considérant que le diamètre de l’orifice ou des orifices D1 = H qui est l’épaisseur verticale de l’orifice.
- A 90° de part et d’autre des orifices d’accélérations deux conduites d’extraction de I’air (3) dite extraction du flux majeur. Les débits additionnés circulant dans ces deux conduites d’extraction étant de l’ordre de 90% du flux d’air entrant principale à filtrer.
- En sortie des orifices d’accélérations, dans le sens de l’écoulement initial entrant dans la conduite (1), une troisième conduite d’extraction (4) dite extraction du flux mineur se terminant par une buse conique associée à un orifice calibré (5) qui permet le passage d’environ 10% du flux d’air principale entrant. Le diamètre D2 de cette conduite doit être supérieur ou égale au diamètre de ou des orifices d’accélération.
- La distance S (distance entre la sortie d’un orifice d’accélération et l’entrée dans la conduite d’extraction (4) dite extraction du flux mineur doit obéir au critère suivant : 1 < S/D1 < 5
Ainsi réaliser et correctement dimensionné il s’avère que le débit majeur représentant environ 90% du débit entrant dans le dispositif est filtré d’une grande partie des particules, notamment les plus grosses, ces particules continuant leur trajet par inertie dans la conduite d’extraction (4) dite extraction mineur. Bien évidemment l’efficacité de filtration dépend du dimensionnement de l’ensemble du dispositif et dépend de la granulométrie des particules/poussières.
On définit par granulométrie la répartition de ces particules suivant leur diamètre que ce soit le diamètre équivalent en volume, le diamètre géométrique, le diamètre aérodynamique, le diamètre optique ou encore de mobilité électrique. Le paramètre physique à calculer le plus influent sur l’efficacité de filtration du dispositif selon l’invention est ce qu’on appelle le nombre de Stokes et plus particulièrement le Stokes 50 tel que :
Stokes 50 (Stk50) : Stk50 = (T x U) / R avec T= (p x Dae2 x Cc) / 3πμ Avec :
• T : Temps de relaxation de la particule • U : Vitesse d’accélération en sortie de d’orifice de la particule • R : rayon de l’orifice d’accélération • p : Densité de la particule • Dae : Diamètre aérodynamique de la particule • Cc : Coefficient de Cunningham • μ : Viscosité de l’air à la température de fonctionnement
Le dimensionnement du dispositif selon l’invention permet de calculer grâce au Stk50 ce qu’on appelle un diamètre de coupure c'est-à-dire un diamètre pour lequel les particules plus fines ne sont pas ou peu filtrées et les particules plus grosses bien filtrées.
Par conséquent, il est évident que ce dispositif n’a pas pour vocation de filtrer la totalité des particules présentes dans l’air ou dans des mélanges gazeux canalisés mais à pour effet de bien filtrer les particules les plus grosse retirant ainsi jusqu’à plus de 99% de la masse de pollution particulaire initiale.
Dans cette optique, le dispositif selon l’invention apporte les avantages suivants :
- Une réalisation relativement peu coûteuse dans un large choix de matériaux dépendant du type de flux gazeux / air à traiter
- Une utilisation dans des conditions thermodynamique très variées
- Le dispositif n’est pas un consommable. Sa durée de vie ou durée d’utilisation est de nombreuses années
- Une excellente robustesse
- Une maintenance réduite ou quasi nulle
Ce dispositif peut donc être utilisé dans de nombreuses applications telles que :
- L’amélioration de la qualité de l’air intérieur. L’épuration des contaminations particulaires dans l’air intérieur
- La filtration habitacle automobile
- La filtration ou pré-filtration des réseaux d’air propre derrière des CTA (Centrale de traitement d’air)
- La filtration d’émissions canalisées tel que les émissions en cheminées
Le dispositif selon l’invention est en synthèse un couplage entre une géométrie particulière de ce qu’on peut appeler un impacteur virtuel et une buse conique se terminant par un orifice calibré permettant ainsi de maîtrisé le débit d’extraction mineur sans ajouter un quelconque système de pompage.
APPLICATION INDUSTRIELLE
Le dispositif selon l'invention est particulièrement destiné soit à l’assainissement par filtration d’un volume d’air intérieur soit à la filtration d’une émission canalisée.
Dans le cas d’un assainissement d’un volume d’air intérieur, le dispositif selon l’invention permet :
- L’assainissement par filtration des volumes d’habitations, c'est-à-dire l’amélioration de la qualité de l’air dans l’habitat particulier ou professionnel. Le niveau de particules, poussières dans l’habitat serait alors bien meilleure, bien plus faible que dans l’air ambiant extérieur parfois fortement pollué.
- La filtration ou pré-filtration de l’air ambiant dans les hôpitaux, blocs opératoires et autres installation de santé.
- La filtration habitacle véhicule.
Dans le cas de la filtration d’une émission canalisée, le dispositif selon l’invention permet :
- La filtration ou pré-filtration d’air généré par des centrales de traitement d’air (CTA) afin de fournir un air propre à des procédés industriels ou intérieur de locaux.
- La filtration ou conditionnement des émissions canalisées de type cheminées parmi lesquelles on peut citer en autres les incinérateurs, centrales thermiques, raffineries, cimenteries ou encore procédés de sidérurgie.
- La filtration ou pré-filtration de tous types de procédés émetteur de particules aérosols.

Claims (10)

  1. REVENDICATIONS
    1- Procédé de filtration/assainissement d’un écoulement gazeux canalisé ou flux d’air ayant pour objectif de produire un air ou flux gazeux épuré des particules, poussières ou encore aérosols initialement présent dans ce dernier. Le procédé comprenant des étapes consistant à :
    a. Canaliser un écoulement d’air ou écoulement gazeux que l’on souhaite épurer
    b. Accéléré ce flux d’air ou flux gazeux
    c. Séparer le flux d’air ou flux gazeux à épurer en trois flux bien distincts, à savoir deux flux majeurs représentant autour de 90% du flux à épurer et un flux mineur représentant autour de 10% de flux initial
    d. Maîtriser le débit du flux mineur grâce à une buse, généralement conique, se terminant par un orifice calibré.
    e. Maîtriser la perte de charge globale du dispositif afin d’obtenir le bon équilibre entre performance et consommation d’énergie
    f. Canaliser les deux flux majeurs et le flux mineur
  2. 2- Ce dispositif pour l’assainissement ou filtration particulaire de I’air ou autres flux gazeux se caractérise en ce qu’il comprend les ensembles d’éléments suivant :
    a. Une conduite d’accélération ou conduite d’écoulement du flux gazeux à traiter se terminant pas un ou des orifices d’accélération calibrés.
    b. Deux veines d’extractions majeures canalisées positionnées de part et d’autre de la conduite d’accélération faisant un angle de 90° avec cette dernière.
    c. Une conduite d’extraction mineure positionnée dans l’alignement de la conduite d’accélération se terminant en forme de buse conique dont le diamètre de l’orifice d’extraction est calculé en fonction du débit dans la conduite d’accélération afin de faire en sorte que le débit de cette conduite d’extraction mineure soit environ de 10% du débit de la conduite d’accélération du flux gazeux.
  3. 3- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il y ait une étanchéité parfaite du dispositif à un gaz ou à I’air si les quatre conduites d’écoulement (la conduite d’accélération représentant I’air ou flux gazeux à épurer, les deux conduites d’extractions majeures et la conduite d’extraction mineure) sont bouchées.
  4. 4- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que le flux d’air ou flux gazeux à épurer est accéléré à travers une ou de multiples buses d’accélérations.
  5. 5- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le dimensionnement final du dispositif selon l’invention n’a pas de limite en taille et dépend principalement du débit à traiter passant dans la conduite d’accélération.
  6. 6- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les dimensions et notamment le diamètre de chacune de quatre conduites sont liées entre elles ainsi que la distance entre chaque conduite.
  7. 7- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau de fabrication n’est pas déterminé ou figé à condition de garder une bonne rigidité (pas de déformation particulière en dehors d’une tolérance maximale de l’ordre de 1%) dans les conditions thermodynamique et environnementale d’utilisation. Le matériau de construction du dispositif selon l’invention pouvant être en autres le plastique ou tous types de métaux.
  8. 8- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que son fonctionnement implique le passage d’un flux d’air ou flux gazeux initial au niveau de la conduite d’accélération et qu’aucun pompage ou aspiration n’est nécessaire au niveau des deux conduites d’extraction majeures et de la conduite d’extraction mineur.
  9. 9- Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que les deux flux majeurs épurés de particules, poussières ou autres aérosols sont la résultante de la filtration par le procédé en question d’un écoulement d’air ou écoulement gazeux et que ces deux flux majeurs épurés permettent également de purifier un air intérieur ou autres volume d’air confiné, le flux mineur étant dans ce dernier cas rejeté à l’extérieur (environnement extérieur).
  10. 10- Procédé de fabrication du dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu’il comprend une étape de soudage des éléments entre eux ou de moulage de la pièce dans son ensemble.
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