WO2015055672A1 - Système de traitement d'air, notamment à basse température, pour un aéronef - Google Patents

Système de traitement d'air, notamment à basse température, pour un aéronef Download PDF

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Rudina BLETA
David Lavergne
Joel Barrault
Alina MACIUCA
Jean-Michel TATIBOUËT
Claude Rossignol
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Universite de Poitiers
Liebherr Aerospace Toulouse SAS
Universite de Toulouse
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Poitiers
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Liebherr Aerospace Toulouse SAS
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Definitions

  • Air treatment system particularly at low temperature, for an aircraft
  • the present invention relates to an air treatment system on board an aircraft.
  • One such system is intended to eliminate, at least in part, the contaminants that may be present in the air.
  • ozone is a pollutant outside the cabin, especially at very high altitudes, especially during winter and at high latitudes.
  • VOCs are, for example, external pollutants present on the ground and at very low altitudes (in particular gases emitted by the reactors and auxiliary power units), or pollutants internal to the cabin (for example from materials present in the cabin). in the cabin, or being related to the presence of passengers).
  • the air present in said cabin of the aircraft must therefore be treated, and at least partially renewed.
  • the air introduced into a cabin is, on the one hand, a recycling of the air of this cabin, and on the other hand, air taken from a source external to the cabin, in particular from outside the aircraft.
  • the outside air is taken at the high-pressure stages of the compressors of the thermal engines of propulsion of the aircraft.
  • Such a sampling system is called in English "bleed System”.
  • the high temperature of the collected air facilitates the removal of contaminants such as ozone and VOCs.
  • Such an air treatment system does not allow to benefit from a high temperature of the air taken, so that the removal of contaminants such as ozone and the VOCs must be carried out at relatively low temperatures, especially lower than the temperature of an air taken from the propulsion engines of an aircraft.
  • the present invention is intended to solve this problem, by proposing an air treatment system taken directly outside the aircraft for which the removal of ozone in the air taken is effective, without require air taken from the propulsion engines of the aircraft.
  • the invention particularly relates to an air treatment system on board an aircraft comprising a cabin, in particular a passenger cabin, said system being of the "bleedless" type, that is to say it is devoid of means for withdrawing air on propulsion engines of the aircraft, and said system comprising an air conditioning device intended to provide a flow of air conditioning to the cabin, comprising a first circuit for air taken directly outside the aircraft, said first air circuit sampled comprising:
  • a compressor comprising a compressor inlet fluidly connected downstream of the outside air inlet, and a compressor outlet,
  • a cooling heat exchanger comprising at least one exchanger inlet connected fluidically downstream of the compressor outlet, and an exchanger outlet,
  • an expansion turbine comprising a turbine inlet fluidly connected downstream of the exchanger outlet, and a turbine outlet fluidically connected upstream of the conditioned air flow outlet,
  • the heat exchanger comprises a surface, between the compressor and the turbine, coated with a catalytic coating adapted to react with the ozone of the air taken, to promote the elimination of this ozone.
  • An arrangement of the catalytic coating in the heat exchanger makes it possible to effectively treat the withdrawn air without the need for an additional ozone removal device.
  • the catalytic coating is for example chosen to react effectively with the ozone of the air taken at a temperature between 15 and 40 ° C.
  • An air treatment system according to the invention may further comprise one or more of the following features, taken alone or in combination only conceivable.
  • the air treatment system comprises means for regulating the temperature in the heat exchanger, in particular to bring it to an optimum temperature of effectiveness of the catalytic coating.
  • the heat exchanger comprises an external air circulation circuit, extending between an inlet and an outside air outlet, and comprising at least one heat exchange wall fluidly separating the air circulation circuit outside and said first air circuit removed, each wall being heat conducting to ensure a good heat exchange between the air taken and the outside air, the means for regulating the temperature in the heat exchanger preferably comprising a valve, arranged in the external air circulation circuit, for the regulation of the external air flow circulating in this circulation circuit.
  • the catalytic coating is mesoporous, with a specific surface area greater than 300 m 2 / g, preferably greater than 400 m 2 / g.
  • the catalytic coating comprises an Al 2 0 3 or TiO 2 type carrier oxide on which are deposited one or more active elements selected from Mn, Pd, Pt, Au, Cu, Rh, Ag, and mixtures thereof.
  • the air conditioning device comprises a second circuit of recycled air coming from a cabin air evacuation outlet, and a mixing chamber, comprising a first inlet fluidly connected to said outlet of said cabin. an air conditioner, a second input fluidly connected to the second air circuit, and an output fluidly connected to the supply input of the cabin.
  • the second circuit comprises an air filter, arranged between the exhaust outlet of the cabin and the second inlet of the mixing chamber.
  • the second circuit comprises a catalytic treatment device for the removal of volatile organic components, arranged between the exhaust outlet of the cabin and the second inlet of the mixing chamber, preferably comprising an ozonizer.
  • the first withdrawn air circuit comprises a deflection branch, extending in parallel with the heat exchanger, from the upstream of the exchanger inlet to the downstream of the exchanger outlet, so as to bypass the heat exchanger, and a three-way valve, a first channel of which is fluidly connected downstream of the compressor outlet, a second channel is connected from fluidically at the inlet of the exchanger, and a third channel is fluidly connected to said branch deflection.
  • the first air circuit taken off comprises a cooling circuit, comprising the expansion turbine, and extending between the downstream of the heat exchanger outlet and the conditioned air flow outlet, and a short-circuit branch; cooling circuit circuit, extending in parallel of this cooling circuit between the downstream of the exchanger outlet and the conditioned air flow outlet, said short circuit branch including a valve for regulating the passage of air drawn through this branch of short circuit.
  • Said valve is able to open when the altitude of the system exceeds a predetermined value.
  • the catalytic coating covering the surface of the heat exchanger is adapted to react with the ozone of the air taken at a temperature between 10 ° C and 250 ° C, preferably between 10 ° C and 100 ° C, especiallyentre 20 ° C and 60 ° C, and for example between 15 ° C and 40 ° C.
  • FIG. 1 shows schematically an air treatment system according to a first exemplary embodiment of the invention
  • FIG. 2 schematically shows an air treatment system according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows an air handling system 10 on board an aircraft intended to equip an aircraft comprising at least one cabin, notably a passenger cabin 12 and a flight deck 14.
  • the air treatment system 10 comprises an air conditioning device 16 for supplying a flow of conditioned air to the passenger cabin 12 and to the flight deck 14.
  • This air conditioning device 16 is designed to condition the air in terms of temperature, pressure and maximum concentration of ozone and volatile organic compounds, to maintain the safety and comfort of passengers.
  • the air conditioning device 16 comprises a first circuit 18 of air taken directly outside the aircraft.
  • This first withdrawn air circuit extends between, upstream, at least one external air intake inlet 20, coming from outside the aircraft, to, the most downstream, the least one output of a conditioned air flow 22.
  • This conditioned air flow outlet 22 is intended to be fluidly connected to at least one supply inlet 12A of the passenger cabin 12 and advantageously also to a 14A supply air intake of the cockpit 14.
  • the first withdrawn air circuit 18 furthermore comprises an electric motor 28, and a compressor 30 coupled to this electric motor 28.
  • This compressor 30 comprises a compressor inlet 30A, fluidly connected downstream of said inlet intake. outside air 20, and a compressor output 30B.
  • the compressor 30 is driven by the electric motor 28, it draws outside air through the inlet inlet 20, and then propels this air through its compressor outlet 30B.
  • the first withdrawn air circuit 18 then comprises a heat exchanger 32 for cooling, comprising at least one exchanger inlet 32A fluidly connected downstream of the compressor outlet 30B, and an exchanger outlet 32B.
  • a heat exchanger 32 for cooling comprising at least one exchanger inlet 32A fluidly connected downstream of the compressor outlet 30B, and an exchanger outlet 32B.
  • the heat exchanger 32 further comprises an external air circulation circuit 34, extending between an inlet 34A and an outlet 34B of outside air.
  • the heat exchanger 32 further comprises at least one heat exchange wall 36 separating the external air circulation circuit 34 and the first withdrawn air circuit 18.
  • Each heat exchange wall 36 is heat conducting, so that to ensure a good heat exchange between the sample taken circulating between the inlet 32A and the outlet 32B of the exchanger 32, and the outside air circulating in the circulation circuit 34.
  • the outside air is generally relatively cold, in particular at high altitude, the heat exchanger 32 makes it possible to cool the withdrawn air which has been reheated in the compressor 30.
  • the external air circulation circuit 34 comprises at least one valve 38 for regulating the flow of outside air circulating in this circulation circuit 34.
  • the regulation of the external air flow thanks to this regulating valve 38, allows to regulate the quantity and the velocity of fresh air coming into contact with the heat exchange walls 36, in order to bring the temperature of the sampled air circulating in the heat exchanger 32 to an optimum temperature, for example between 10 and 250 ° C, more particularly between 10 0 C and 100 0 C, especially between 20 and 60 0 C, or between 15 and 40 0 C.
  • the heat exchanger 32 comprises at least one surface, in particular the surface of one heat exchange walls 36, covered with a catalytic coating 39 adapted to react with the ozone of the air taken, especially at a temperature between 15 and 40 ° C, to promote the elimination of this ozone.
  • a catalytic coating optimized for temperatures between 15 and 40 ° C effectively eliminates ozone at low temperatures, especially at high altitude, especially cold days.
  • the catalytic coating 39 is mesoporous and has a specific surface area greater than 300 m 2 / g, preferably greater than 400 m 2 / g. This catalytic coating 39 will be described later in more detail, including the selection and realization of the optimal catalytic coating.
  • the first withdrawn air circuit 18 also comprises an expansion turbine 40, comprising a turbine inlet 40A, fluidly connected downstream of the exchanger outlet 32B, and a turbine outlet 40B, fluidly connected to upstream of the kind of conditioned air flow 22, or forming the conditioned air flow outlet 22.
  • an expansion turbine 40 comprising a turbine inlet 40A, fluidly connected downstream of the exchanger outlet 32B, and a turbine outlet 40B, fluidly connected to upstream of the kind of conditioned air flow 22, or forming the conditioned air flow outlet 22.
  • the turbine 40 makes it possible to relax the withdrawn air, thus reducing its temperature, and to bring it to a pressure adapted for the introduction of this air into the cabin.
  • the air conditioning device 16 also comprises a second circuit 42 of recycled air coming from an outlet 12B for evacuating the air from the passenger cabin 12.
  • the mixing chamber 44 comprises a first inlet 44A fluidly connected to the outlet of the 22, a second inlet 44B fluidly connected downstream of the exhaust air outlet 12B, and a first outlet 44C fluidly connected to the supply inlet 12A of the passenger cabin 12.
  • the mixing chamber 44 also comprises a second outlet 44D fluidly connected to the supply inlet 14A of the control cabin 14.
  • the air coming from the first withdrawn air circuit 18 is thus mixed with the air coming from the second recirculated air circuit 42 in this mixing chamber 44, before being reinjected into the booths 12, 14.
  • each of the inlets 44A, 44B and 44C, 44D of the mixing chamber 44 is optionally provided with a regulating valve, allowing on the one hand to regulate the proportion of air coming from the first circuit 18 and the proportion air from the second circuit 42, and secondly to regulate the proportion of air supplied to the passenger cabin 12 and the proportion of air supplied to the cockpit 14.
  • the second circuit 42 comprises an air filter 46, for example of the type HEPA (acronym for "High Efficiency Particulate Air"), of conventional type, for filtering the particles included in the air from the cabin 12.
  • the second circuit 42 also preferably comprises a catalytic treatment device 48 for the treatment of volatile organic compounds and ozone, arranged between the exhaust outlet 12B of the passenger cabin and the second inlet 44B of the mixing chamber. 44.
  • This catalytic treatment device 48 preferably comprises an ozonizer, making it possible to establish an ozone concentration at an optimum level for the removal of the volatile organic components.
  • the catalytic treatment device 48 also advantageously comprises means for catalytic treatment of the contaminants possibly present in the air flow coming from the passenger cabin 12.
  • This catalytic treatment device 48 comprises, for example, a catalyst of the same type than that deposited in the heat exchanger 32, for eliminating VOCs and ozone.
  • the second circuit 42 finally comprises a ventilation device 50, allowing the circulation of recycled air in this second circuit 42.
  • FIG. 2 shows an air treatment system according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • elements similar to those of the previous figure are designated by identical references.
  • the outside air inlet 20 and the outside air inlet 34A are fed by a common air inlet 52, advantageously provided with a filter 54 preventing the admission of debris into the air. the system.
  • the first circuit 18 optionally comprises a second compressor 300, coupled to a second electric motor 280.
  • This second compressor 300 comprises a compressor inlet connected fluidically downstream of the common air inlet 52, and a compressor outlet fluidly connected to an outlet branch 55, to which the output of the first compressor 30 is also connected.
  • This common output branch 55 optionally includes an ozone removal device 56 comprising fins having exchange surfaces coated with a catalytic coating capable of reacting with ozone to promote the elimination of ozone. this ozone.
  • This catalytic coating is for example of the same type as that arranged in the heat exchanger 32.
  • This output branch 55 is then connected fluidically to the heat exchanger 32.
  • the first withdrawn air circuit 18 comprises a deflection branch 58, extending in parallel with the heat exchanger 32, from the upstream side of the exchanger inlet 32A to the downstream end of the outlet. exchanger 32B, so as to short-circuit the heat exchanger 32.
  • a three-way valve 60 is connected to this deflection branch 58, having a first channel fluidly connected downstream of each compressor outlet 30, 300, in particular to the common branch 55, a second channel connected in a fluidic manner. at the exchanger inlet 32A, and a third channel fluidly connected to said deflection branch 58.
  • This three-way valve 60 and this deflection branch 58 make it possible to manage the flow rate of air taken through the exchanger thermal 32, and thus control the temperature of the air taken. Thus, part, all or no air taken circulates through the heat exchanger 32.
  • the first withdrawn air circuit 18 further comprises a cooling circuit 62, comprising the expansion turbine 40, extending between the downstream of the exchanger outlet 32B and the conditioned air flow outlet 22. .
  • This cooling circuit 62 is intended to be mainly used on the ground or at low altitude, to cool the air circulating in the first circuit 18, in particular by relaxing this air with the aid of the expansion turbine 40.
  • This cooling circuit also preferably comprises a condenser 64 and a water extractor 66, for extracting water from the air, and thus injecting dry air at the outlet of the conditioned air flow 22.
  • the first air conditioning circuit 18 finally comprises a short circuit branch 68 of the cooling circuit 62, extending in parallel with this cooling circuit 62 between the downstream of the exchanger outlet 32B and the flow outlet 22.
  • This short-circuit branch 68 comprises a valve 70 intended to regulate the passage of air taken through this branch of short-circuit 68. More particularly, this valve 70 is able to open when the The altitude of the system, ie the altitude of the aircraft, exceeds a predetermined value. Indeed, at high altitude, the outside air being particularly cold, it is not useful to go through the cooling circuit 62 to further cool the air taken.
  • the air treatment system according to the second exemplary embodiment makes it possible to effectively manage the air flows as a function of the altitude of the the aircraft. It also allows effective management of the temperature of the air circulating in the first circuit 18, in particular using the valves 38, 60 and 70.
  • the catalytic coating deposited on the surface of the cooling heat exchanger allows the reduction of ozone at temperatures between 15 ° and 40 ° C.
  • Said coating has a mesoporous structure with a specific surface area greater than 300 m 2 / g, in particular greater than 400 m 2 / g.
  • the coating comprises one or more active element (s) deposited on a support oxide.
  • the carrier oxide generally consists of nanoparticles with a mean diameter of between 10 and 100 nm.
  • Said support oxide is especially chosen from aluminum and titanium oxides.
  • Al 2 O 3 and TiO 2 support oxide, more particularly Al 2 O 3, may be mentioned.
  • the active agents may be chosen in particular from the following elements: Mn, Pd, Pt, Au, Cu, Rh, Ag, and mixtures thereof. Generally, for the active phase, elements selected from Mn, Pd, Cu and mixtures thereof are preferred.
  • the active agents may especially be present in the form of their precursors, or hydrates of these precursors, such as Pd (NO 3 ) 2 .2H 2 O, Mn (NO 3 ) 2 .4H 2 O, Cu (NO 3 ) 2 . 3H 2 0, HAuCI 4 for example.
  • said catalyst has a porosity greater than 60%, especially 80% with mesopores larger than 5 nm, or even greater than 10 nm.
  • ozone conversion rates greater than 70%, especially greater than 80%, more particularly close to 100% are achieved with extremely low residence times that can be less than 10 ⁇ 3 seconds, especially less than 5.10 " 4 seconds.
  • the catalysts according to the invention can be deposited on the surface of the exchanger by impregnation, more particularly by sol-gel route.
  • the sol-gel process consists in preparing a stable colloidal solution (sol) of nanoparticles in an aqueous medium which is then deposited on the metal substrates constituting the heat exchangers by dip-coating.
  • the colloidal solution contains a precursor of the carrier oxide and active elements; generally, the colloidal solution further contains a structuring agent.
  • alumina As a precursor of the support oxide, aluminum tri-sec-butoxide AI [OC (CH 3 ) 3 ] 3 may be mentioned especially for the precursor of alumina.
  • alumina can be obtained by the Yoldas process (Yoldas et al., Journal of Materials Science, 10 (1975) 1856-1860).
  • the structuring agent makes it possible to increase the specific surface area and the porosity of the materials.
  • the presence of a structuring agent is recommended to obtain a structured mesoporous material (Alexandridis et al., Current Opinion in Colloid and Interface Science 1996, 1: 490-501).
  • the structuring agent is a nonionic surfactant, in particular a triblock copolymer, such as a poloxamer, in particular of the formula PEO n -PPO m -PEO n , where PEO represents a block polyethyleneoxide, PPO represents a block polypropylene oxide, and m and n are 2 identical or different integers representing the number of PO and EO units.
  • a nonionic surfactant in particular a triblock copolymer, such as a poloxamer, in particular of the formula PEO n -PPO m -PEO n , where PEO represents a block polyethyleneoxide, PPO represents a block polypropylene oxide, and m and n are 2 identical or different integers representing the number of PO and EO units.
  • the PEO chains constitute the hydrophilic parts and the PPO chain the hydrophobic part.
  • Poloxamer compounds are able to self-organize from a certain concentration, called “critical micellar concentration” (CMC) to form micelles.
  • CMC critical micellar concentration
  • the numerous hydroxyl groups present on the surface of the nanoparticles of the colloidal solution will create hydrogen bonds with the oxygen atoms of the copolymer.
  • the nanoparticles will therefore be structured by the copolymer (Bleta et al., Journal of Colloid and Interface Science, 367 (2012) 120-128).
  • the structuring agent induced by self-organization of the nanoparticles during the transformation into a gel, the creation of a mesoporous network conferring on the coating a very large specific surface.
  • said catalysts can also be integrated in a catalytic treatment device including an ozonizer which makes it possible to eliminate both ozone and organic compounds from the air.
  • the catalytic treatment of VOCs in the catalytic treatment device 48 can be carried out in the presence of an ozone concentration to promote the removal of VOCs.
  • Said treatment process thus makes it possible, by catalytic treatment of the air in the presence of such a concentration of ozone, to eliminate, especially at low temperature, the VOCs, especially at temperatures corresponding to the air temperatures that can be introduced. in the cabin.
  • the catalyst present in the catalytic treatment device 48 may, following the removal of VOCs, reduce the ozone level to a level below the limit tolerated in the cabin.
  • the catalysts according to the invention can be prepared by the following process.
  • said process comprises the preparation of catalytic coatings by the sol-gel process.
  • the method comprises the preparation of a colloidal solution comprising support oxide nanoparticles, the active element (s) and a structuring agent.
  • the colloidal solution of support oxide nanoparticles can be prepared as follows.
  • Boehmite AIO (OH) sols are prepared. These boehmite sols can be prepared by the Yoldas method from tri-sec-aluminum butoxide (ABS) or from the Disperal P2® manufactured by Sasol. Of course, any other type of suitable alumina is possible.
  • the process comprises the step of adding the structuring agent to the boehmite sol thus prepared.
  • the method also comprises the addition of the active elements, by adding precursors of said elements, in particular in the form of nitrates.
  • the deposition of the catalytic coatings according to the invention on the metal substrate constituting the heat exchanger is then carried out by dip-coating (dip-removal) of said substrate in the colloidal solution thus formed.
  • the surface of the substrate is pretreated.
  • Said treatment step includes a cleaning step for removing contaminants (grease, oil, etc.) followed by a stripping step whose objective is to make the surface hydrophilic and possibly increase the roughness.
  • the main mechanism of adhesion is the mechanical attachment of particles suspended in the liquid at the top of the irregularities of the surface of the substrate. It is therefore preferable that the surface is sufficiently rough.
  • the roughness of the substrate can also be increased by applying an oxidation heat treatment.
  • the hydrolysis is followed by a peptization by an acid producing a protonation of the colloidal particles, inducing their dispersion (phenomenon of repulsion due to surface charges) and the formation of a clear and very stable soil.
  • the reaction mixture is stirred at 85 ° C. for 24 hours until a stable transparent sol is formed.
  • a boehmite sol from a commercial dispersible powder in an aqueous medium at room temperature, for example the Disperal P2® manufactured by the company Sasol (http: / /www.sasolgermany.de/49.html).
  • a mass of powder, calculated as a function of the target aluminum concentration, is introduced into acidified water, preferably at a pH of 4 (according to the data sheet distributed by the manufacturer the dispersion is maximum and the minimum viscosity for this pH) and left stirring for 12 h. Then, this dispersion is filtered to remove undispersed particles. This process makes it easy to control the concentration, to synthesize large quantities of soil very quickly.
  • the structuring agent is added directly to the soil, which is then placed under moderate agitation until complete dissolution. In order to reach the adsorption / desorption equilibrium of the structuring agent on the surface of the boehmite particles, the sol is then kept still under slow stirring for 24 hours.
  • the precursors of Mn, Cu and Pd are nitrates, respectively
  • Mn nitrate is first introduced into the soil, which is placed under moderate agitation until completely dissolved.
  • Cu nitrate and / or Pd nitrate are then introduced and stirred again until complete dissolution. 4. Filing process
  • the surface of the substrate is activated beforehand. Activation of the surface was carried out in three stages:
  • the heat treatment was carried out according to the following program: 20-400 ° C at 5 ° C / min followed by a step of 1 hour at 400 ° C.
  • the substrate having undergone the surface activation treatment is immersed in the colloidal suspensions and left immersed for 1 min. Then he went back and submerged again. Then it is removed and the excess soil trapped in the channels by capillarity is removed by blowing with a flow of compressed air. Then it is allowed to dry at room temperature, protected from dust. Finally, a heat treatment (at 500 ° C. for 4 hours) is applied to destroy the copolymer and transform the boehmite into alumina. A gradient of 1 ° C / min is applied for the rise in temperature while the return to the ambient temperature is done naturally.

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Abstract

Système de traitement d'air, notamment à basse température, pour un aéronef Le système (10) de traitement d'air comportant un premier circuit (18) d'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef, comprenant : - en amont, une entrée (20) d'admission d'air extérieur, - en aval, une sortie (22) d'un flux d'air conditionné vers une cabine (12), - un compresseur (30), comprenant une entrée de compresseur (30A) connectée en aval de l'entrée d'admission d'air extérieur (20), et une sortie de compresseur (30B), - un échangeur thermique de refroidissement (32), comprenant une entrée d'échangeur (32A) connectée en aval de la sortie de compresseur (30B), et une sortie d'échangeur (32B), et - une turbine de détente (40), comprenant une entrée de turbine (40A) connectée en aval de la sortie d'échangeur (32B), et une sortie de turbine (40B) connectée en amont de la sortie de flux d'air conditionné (22). L'échangeur thermique (32) comporte une surface recouverte d'un revêtement catalytique (39) propre à réagir avec l'ozone de l'air prélevé, pour favoriser l'élimination de cet ozone.

Description

Système de traitement d'air, notamment à basse température, pour un aéronef
La présente invention concerne un système de traitement d'air à bord d'un aéronef. Un tel système a notamment pour but d'éliminer, au moins en partie, les agents contaminants susceptibles d'être présents dans l'air.
En particulier, dans un aéronef pressurisé, il est non seulement nécessaire de contrôler la température, la pression et l'humidité de l'air présent dans la cabine de passagers, mais également de s'assurer que cet air ne contient pas d'agents contaminants susceptibles de nuire à la sécurité et/ou à la santé des passagers, ou tout du moins que cet air n'en contient que dans des concentrations très faibles, c'est-à-dire inférieures à des seuils de tolérance prédéterminés. Ces agents contaminants sont par exemple l'ozone, ainsi que des composés organiques volatils (COV).
Il est à noter que l'ozone est un polluant extérieur à la cabine, présent notamment à de très hautes altitudes, plus particulièrement durant l'hiver et aux fortes latitudes.
Les COV quant à eux sont par exemple des polluants extérieurs, présents au sol et à très basses altitudes (notamment des gaz émis par les réacteurs et les groupes auxiliaires de puissance), ou des polluants internes à la cabine (par exemple provenant de matériaux présents dans la cabine, ou étant lié à la présence de passagers).
L'air présent dans ladite cabine de l'aéronef doit donc être traité, et au moins en partie renouvelé.
Habituellement, l'air introduit dans une cabine provient, d'une part, d'un recyclage de l'air de cette cabine, et d'autre part, d'un air prélevé provenant d'une source externe à la cabine, notamment de l'extérieur de l'aéronef.
De manière classique, l'air extérieur est prélevé au niveau des étages haute- pression des compresseurs des moteurs thermiques de propulsion de l'aéronef. Un tel système de prélèvement est dénommé en anglais "bleed System". Dans ce cas, la température élevée de l'air prélevé facilite l'élimination des agents contaminants tels que l'ozone et les COV.
Toutefois, dans certains aéronefs, on cherche à remplacer les systèmes de traitement d'air utilisant de l'air prélevé au niveau des moteurs de propulsion par des systèmes de traitement d'air sans prélèvement d'air sur les moteurs de propulsion. Un tel système de traitement d'air, dénommé en anglais "bleedless System" est doté d'un dispositif de conditionnement d'air et d'un moteur électrique dédié, permettant de comprimer de l'air provenant directement de l'extérieur de l'aéronef.
Un tel système de traitement d'air ne permet pas de bénéficier d'une température élevée de l'air prélevé, si bien que l'élimination des agents contaminants tels que l'ozone et les COV doit être réalisée à des températures relativement basses, notamment plus basses que la température d'un air prélevé au niveau des moteurs de propulsion d'un aéronef.
Il est à noter que ces températures relativement basses peuvent varier en fonction des conditions de pression et de température extérieures associées aux différentes phases du vol.
Ainsi, on cherche à disposer d'un système de traitement d'air à bord d'un aéronef, pour lequel on n'effectue pas de prélèvement d'air sur les moteurs de propulsion de l'aéronef, et pour lequel le traitement des agents contaminants présents dans l'air à introduire en cabine est efficace.
La présente invention a notamment pour but de résoudre ce problème, en proposant un système de traitement d'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef pour lequel l'élimination de l'ozone présent dans l'air prélevé est efficace, sans nécessiter d'air prélevé au niveau des moteurs de propulsion de l'aéronef.
A cet effet, l'invention a notamment pour objet un système de traitement d'air à bord d'un aéronef comprenant une cabine, notamment une cabine de passagers, ledit système étant du type « bleedless », c'est-à-dire qu'il est dépourvu de moyens prélèvement d'air sur des moteurs de propulsion de l'aéronef, et ledit système comportant un dispositif de conditionnement d'air destiné à fournir un flux d'air conditionné à la cabine, comportant un premier circuit d'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef, ledit premier circuit d'air prélevé comprenant :
- le plus en amont, au moins une entrée d'admission d'air extérieur, provenant de l'extérieur de l'aéronef,
- le plus en aval, au moins une sortie d'un flux d'air conditionné, connectée de manière fluidique à au moins une entrée d'alimentation en air de la cabine,
- un compresseur, comprenant une entrée de compresseur connectée de manière fluidique en aval de l'entrée d'admission d'air extérieur, et une sortie de compresseur,
- un échangeur thermique de refroidissement, comprenant au moins une entrée d'échangeur connectée de manière fluidique en aval de la sortie de compresseur, et une sortie d'échangeur,
- une turbine de détente, comprenant une entrée de turbine connectée de manière fluidique en aval de la sortie d'échangeur, et une sortie de turbine connectée de manière fluidique en amont de la sortie de flux d'air conditionné,
caractérisé en ce que l'échangeur thermique comporte une surface, comprise entre le compresseur et la turbine, recouverte d'un revêtement catalytique propre à réagir avec l'ozone de l'air prélevé, pour favoriser l'élimination de cet ozone. Un agencement du revêtement catalytique dans l'échangeur thermique permet de traiter efficacement l'air prélevé, sans nécessiter de dispositif d'élimination d'ozone supplémentaire. Le revêtement catalytique est par exemple choisi pour réagir efficacement avec l'ozone de l'air prélevé à une température comprise entre 15 et 40 ° C.
Un système de traitement d'air selon l'invention peut comporter en outre une ou plusieurs caractéristiques suivantes, prises seule ou en combinaison uniquement envisageable.
- Le système de traitement d'air comprend des moyens pour réguler la température dans l'échangeur thermique, notamment pour l'amener à une température optimale d'efficacité du revêtement catalytique.
- L'échangeur thermique comporte un circuit de circulation d'air extérieur, s'étendant entre une entrée et une sortie d'air extérieur, et comprenant au moins une paroi d'échange thermique séparant de manière fluidique le circuit de circulation d'air extérieur et ledit premier circuit d'air prélevé, chaque paroi étant conductrice de chaleur pour assurer un bon échange thermique entre l'air prélevé et l'air extérieur, les moyens pour réguler la température dans l'échangeur thermique comportant de préférence une vanne, agencée dans le circuit de circulation d'air extérieur, pour la régulation du débit d'air extérieur circulant dans ce circuit de circulation.
- Le revêtement catalytique est mésoporeux, de surface spécifique supérieure à 300 m2/g, de préférence supérieure à 400 m2/g.
- Le revêtement catalytique comprend un oxyde support de type Al203 ou Ti02 sur lequel sont déposés un ou plusieurs éléments actifs choisis parmi Mn, Pd, Pt, Au, Cu, Rh, Ag, et leurs mélanges.
- Le dispositif de conditionnement d'air comporte un deuxième circuit d'air recyclé provenant d'une sortie d'évacuation de l'air de la cabine, et une chambre de mélange, comprenant une première entrée connectée de manière fluidique à ladite sortie d'air conditionné, une seconde entrée connectée de manière fluidique au deuxième circuit d'air, et une sortie connectée de manière fluidique à l'entrée d'alimentation de la cabine.
- Le second circuit comporte un filtre à air, agencé entre la sortie d'évacuation de la cabine et la seconde entrée de la chambre de mélange.
- Le second circuit comporte un dispositif de traitement catalytique pour l'élimination de composants organiques volatils, agencé entre la sortie d'évacuation de la cabine et la seconde entrée de la chambre de mélange, comprenant de préférence un ozoneur.
- Le premier circuit d'air prélevé comporte une branche de déviation, s'étendant en parallèle de l'échangeur thermique, depuis l'amont de l'entrée d'échangeur jusqu'à l'aval de la sortie d'échangeur, de manière à court-circuiter l'échangeur thermique, et une vanne à trois voies, dont une première voie est connectée de manière fluidique à l'aval de la sortie de compresseur, une deuxième voie est connectée de manière fluidique à l'entrée de l'échangeur, et une troisième voie est connectée de manière fluidique à ladite branche de déviation.
- Le premier circuit d'air prélevé comporte un circuit de refroidissement, comprenant la turbine de détente, et s'étendant entre l'aval de la sortie d'échangeur et la sortie de flux d'air conditionné, et une branche de court-circuit du circuit de refroidissement, s'étendant en parallèle de ce circuit de refroidissement entre l'aval de la sortie d'échangeur et la sortie de flux d'air conditionné, ladite branche de court-circuit comportant une vanne destinée à réguler le passage d'air prélevé à travers cette branche de court-circuit.
- Ladite vanne est propre à s'ouvrir lorsque l'altitude du système dépasse une valeur prédéterminée.
- Le revêtement catalytique recouvrant la surface de l'échangeur thermique est propre à réagir avec l'ozone de l'air prélevé sous une température comprise entre 10°C et 250 °C, de préférence entre 10°C et 100°C, notammententre 20 °C et 60 °C, et par exemple entre 15°C et 40 °C.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux figures annexées parmi lesquelles :
- la figure 1 représente schématiquement un système de traitement d'air selon un premier exemple de mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente schématiquement un système de traitement d'air selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention.
On a représenté, sur la figure 1 , un système 10 de traitement d'air à bord d'un aéronef, destiné à équiper un aéronef comprenant au moins une cabine, notamment une cabine de passagers 12 et une cabine de pilotage 14.
Le système de traitement d'air 10 comporte un dispositif 16 de conditionnement d'air destiné à fournir un flux d'air conditionné, à la cabine de passagers 12 et à la cabine de pilotage 14. Ce dispositif de conditionnement d'air 16 est destiné à conditionner l'air en termes de température, de pression et de concentration maximale d'ozone et de composants organiques volatils, pour le maintien de la sécurité et du confort des passagers.
Le dispositif de conditionnement d'air 16 comporte un premier circuit 18 d'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef. Ce premier circuit d'air prélevé s'étend entre, le plus en amont, au moins une entrée 20 d'admission d'air extérieur, provenant de l'extérieur de l'aéronef, jusqu'à, le plus en aval, au moins une sortie d'un flux d'air conditionné 22. Cette sortie de flux d'air conditionné 22 est destinée à être connectée de manière fluidique à au moins une entrée 12A d'alimentation de la cabine de passagers 12 et avantageusement également à une entrée 14A d'alimentation en air de la cabine de pilotage 14.
Le premier circuit d'air prélevé 18 comporte par ailleurs un moteur électrique 28, et un compresseur 30 couplé à ce moteur électrique 28. Ce compresseur 30 comprend une entrée 30A de compresseur, connectée de manière fluidique en aval de ladite entrée d'admission d'air extérieur 20, et une sortie de compresseur 30B. Ainsi, lorsque le compresseur 30 est entraîné par le moteur électrique 28, il aspire de l'air extérieur à travers l'entrée d'admission 20, puis propulse cet air à travers sa sortie de compresseur 30B.
Le premier circuit d'air prélevé 18 comporte ensuite un échangeur thermique 32 de refroidissement, comprenant au moins une entrée d'échangeur 32A connectée de manière fluidique en aval de la sortie de compresseur 30B, et une sortie d'échangeur 32B. Ainsi, l'air prélevé qui est propulsé par le compresseur 30 circule dans cet échangeur thermique 32 depuis l'entrée d'échangeur 32A jusqu'à la sortie d'échangeur 32B.
L'échangeur thermique 32 comporte par ailleurs un circuit de circulation d'air extérieur 34, s'étendant entre une entrée 34A et une sortie 34B d'air extérieur. L'échangeur thermique 32 comporte en outre au moins une paroi d'échange thermique 36 séparant le circuit de circulation d'air extérieur 34 et le premier circuit d'air prélevé 18. Chaque paroi d'échange thermique 36 est conductrice de chaleur, afin d'assurer un bon échange thermique entre l'air prélevé circulant entre l'entrée 32A et la sortie 32B de l'échangeur 32, et l'air extérieur circulant dans le circuit de circulation 34. L'air extérieur étant généralement relativement froid, notamment à haute altitude, l'échangeur thermique 32 permet de refroidir l'air prélevé qui a été réchauffé dans le compresseur 30.
Avantageusement, le circuit de circulation d'air extérieur 34 comporte au moins une vanne 38 de régulation du débit d'air extérieur circulant dans ce circuit de circulation 34. La régulation du débit d'air extérieur, grâce à cette vanne de régulation 38, permet de réguler la quantité et la vitesse d'air frais venant en contact des parois d'échange thermique 36, pour amener la température de l'air prélevé circulant dans l'échangeur thermique 32 à une température optimale, par exemple comprise entre 10 et 250 °C, plus particulièrement entre 100 C et 1000 C, notamment ente 20 et 600 C, ou entre 15 et 400 C.
Afin d'éliminer l'ozone de l'air prélevé circulant dans le premier circuit 18, l'échangeur thermique 32 comporte au moins une surface, notamment la surface de l'une des parois d'échange thermique 36, recouverte d'un revêtement catalytique 39 propre à réagir avec l'ozone de l'air prélevé, notamment sous une température comprise entre 15 et 40 °C, pour favoriser l'élimination de cet ozone. Le choix d'un revêtement catalytique optimisé pour des températures comprises entre 15 et 40° C permet d'éliminer de manière efficace l'ozone à basse température, notamment à haute altitude, et plus particulièrement les jours froids.
Le revêtement catalytique 39 est mésoporeux, et présente une surface spécifique supérieure à 300 m2/g, de préférence supérieure à 400 m2/g. Ce revêtement catalytique 39 sera décrit ultérieurement plus en détail, notamment le choix et la réalisation du revêtement catalytique optimal.
Le premier circuit d'air prélevé 18 comporte par ailleurs une turbine de détente 40, comprenant une entrée de turbine 40A, connectée de manière fluidique en aval de la sortie 32B d'échangeur, et une sortie de turbine 40B, connectée de manière fluidique en amont de la sorte de flux d'air conditionné 22, ou formant la sortie de flux d'air conditionné 22.
La turbine 40 permet de détendre l'air prélevé, pour ainsi réduire sa température, et l'amener à une pression adaptée pour l'introduction de cet air en cabine.
Avantageusement, le dispositif de conditionnement d'air 16 comporte par ailleurs un deuxième circuit 42 d'air recyclé provenant d'une sortie 12B d'évacuation de l'air de la cabine de passagers 12.
Ce deuxième circuit d'air recyclé 42, ainsi que la sortie de flux d'air conditionné 22, débouchent sur une chambre de mélange 44. Plus particulièrement, la chambre de mélange 44 comprend une première entrée 44A connectée de manière fluidique à la sortie d'air conditionné 22, une seconde entrée 44B connectée de manière fluidique en aval de la sortie d'évacuation d'air 12B, et une première sortie 44C connectée de manière fluidique à l'entrée d'alimentation 12A de la cabine de passagers 12. Avantageusement, la chambre de mélange 44 comporte également une seconde sortie 44D connectée de manière fluidique à l'entrée d'alimentation 14A de la cabine de pilotage 14.
L'air provenant du premier circuit d'air prélevé 18 est ainsi mélangé à l'air issu du deuxième circuit d'air recyclé 42 dans cette chambre de mélange 44, avant d'être réinjecté dans les cabines 12, 14.
On notera que chacune des entrées 44A, 44B et sorties 44C, 44D de la chambre de mélange 44 est optionnellement pourvue d'une vanne de régulation, permettant d'une part de réguler la proportion d'air provenant du premier circuit 18 et la proportion d'air provenant du second circuit 42, et d'autre part de réguler la proportion d'air fourni à la cabine de passagers 12 et la proportion d'air fourni à la cabine de pilotage 14. Avantageusement, le second circuit 42 comporte un filtre à air 46, par exemple de type HEPA (acronyme anglais pour "High Efficiency Particulate Air"), de type classique, permettant de filtrer les particules comprises dans l'air provenant de la cabine 12.
Le second circuit 42 comporte également de préférence un dispositif de traitement catalytique 48 pour le traitement de composants organiques volatils et de l'ozone, agencé entre la sortie d'évacuation 12B de la cabine de passagers et la seconde entrée 44B de la chambre de mélange 44. Ce dispositif de traitement catalytique 48 comporte de préférence un ozoneur, permettant d'établir une concentration d'ozone à un niveau optimal pour l'élimination des composants organiques volatils.
Par ailleurs, le dispositif de traitement catalytique 48 comporte également avantageusement des moyens de traitement catalytique des agents contaminants éventuellement présents dans le flux d'air provenant de la cabine de passagers 12. Ce dispositif de traitement catalytique 48 comprend par exemple un catalyseur du même type que celui déposé dans l'échangeur thermique 32, destiné à éliminer les COV et l'ozone.
Le second circuit 42 comporte enfin un dispositif de ventilation 50, permettant la circulation de l'air recyclé dans ce second circuit 42.
On a représenté, sur la figure 2, un système de traitement d'air selon un deuxième exemple de mode de réalisation de l'invention. Sur cette figure, les éléments analogues à ceux de la figure précédente sont désignés par des références identiques.
Sur cette figure 2, on n'a représenté que le premier circuit 18, le second circuit 42 étant identique à celui décrit précédemment.
Conformément à ce deuxième mode de réalisation, l'entrée d'air extérieur 20 et l'entrée d'air extérieur 34A sont alimentées par une entrée d'air commune 52, avantageusement munie d'un filtre 54 empêchant l'admission de débris dans le système.
En plus d'un premier compresseur 30, similaire à celui décrit pour le premier mode de réalisation, le premier circuit 18 comporte de manière optionnelle un second compresseur 300, couplé à un second moteur électrique 280. Ce second compresseur 300 comprend une entrée de compresseur connectée de manière fluidique en aval de l'entrée d'air commune 52, et une sortie de compresseur raccordée de manière fluidique à une branche de sortie 55, à laquelle est également reliée la sortie du premier compresseur 30.
Cette branche de sortie commune 55 comporte, de manière optionnelle, un dispositif d'élimination d'ozone 56, comprenant des ailettes présentant des surfaces d'échanges revêtues d'un revêtement catalytique propre à réagir avec l'ozone pour favoriser l'élimination de cet ozone. Ce revêtement catalytique est par exemple du même type que celui disposé dans l'échangeur thermique 32. Cette branche de sortie 55 est ensuite connectée de manière fluidique à l'échangeur thermique 32.
Le premier circuit d'air prélevé 18 comporte une branche de déviation 58, s'étendant en parallèle de l'échangeur thermique 32, depuis l'amont de l'entrée d'échangeur 32A jusqu'à l'aval de la sortie d'échangeur 32B, de manière à court-circuiter l'échangeur thermique 32.
Une vanne à trois voies 60 est connectée à cette branche de déviation 58, présentant une première voie connectée de manière fluidique à l'aval de chaque sortie de compresseur 30, 300, notamment à la branche commune 55, une deuxième voie connectée de manière fluidique à l'entrée d'échangeur 32A, et une troisième voie connectée de manière fluidique à ladite branche de déviation 58. Cette vanne à trois voies 60 et cette branche de déviation 58 permettent de gérer le débit d'air prélevé passant par l'échangeur thermique 32, et ainsi maîtriser la température de l'air prélevé. Ainsi, une partie, la totalité, ou aucun air prélevé circule à travers l'échangeur thermique 32.
Par exemple, lorsque l'aéronef est au sol, là où l'air prélevé ne comporte pas d'ozone, on peut choisir de court-circuiter l'échangeur thermique 32.
Le premier circuit d'air prélevé 18 comporte, par ailleurs, un circuit de refroidissement 62, comprenant la turbine de détente 40, s'étendant entre l'aval de la sortie d'échangeur 32B et la sortie de flux d'air conditionné 22.
Ce circuit de refroidissement 62 est destiné à être principalement utilisé au sol ou à basse altitude, pour refroidir l'air circulant dans le premier circuit 18, notamment en détendant cet air à l'aide de la turbine de détente 40. Ce circuit de refroidissement comporte également de préférence un condenseur 64 et un extracteur d'eau 66, permettant d'extraire l'eau de l'air, et ainsi d'injecter de l'air sec à la sortie du flux d'air conditionné 22.
Le premier circuit d'air conditionné 18 comporte enfin une branche 68 de court- circuit du circuit de refroidissement 62, s'étendant en parallèle de ce circuit de refroidissement 62 entre l'aval de la sortie d'échangeur 32B et la sortie de flux d'air conditionné 22. Cette branche de court-circuit 68 comporte une vanne 70 destinée à réguler le passage d'air prélevé à travers cette branche de court-circuit 68. Plus particulièrement, cette vanne 70 est propre à s'ouvrir lorsque l'altitude du système, c'est- à-dire l'altitude de l'aéronef, dépasse une valeur prédéterminée. En effet, à haute altitude, l'air extérieur étant particulièrement froid, il n'est pas utile de passer par le circuit de refroidissement 62 pour refroidir encore l'air prélevé.
II apparaît que le système de traitement d'air selon le deuxième exemple de mode de réalisation permet de gérer efficacement les flux d'air en fonction de l'altitude de l'aéronef. Il permet également une gestion efficace de la température de l'air circulant dans le premier circuit 18, notamment à l'aide des vannes 38, 60 et 70.
On décrira maintenant ci-dessous le revêtement catalytique disposé notamment dans l'échangeur thermique 32, et de manière optionnelle dans le dispositif de traitement catalytique 48 ou le dispositif de traitement 56.
Le revêtement catalytique déposé à la surface de l'échangeur thermique de refroidissement permet l'abattement de l'ozone à des températures comprises entre 15° et 40 °C.
Ledit revêtement présente une structure mésoporeuse de surface spécifique supérieure à 300 m2/g, notamment supérieure à 400 m2/g.
Le revêtement comprend un ou plusieurs élément(s) actif(s) déposé(s) sur un oxyde support.
L'oxyde support est généralement constitué de nanoparticules de diamètre moyen compris entre 10 et 100 nm.
Ledit oxyde support est notamment choisi parmi les oxydes d'aluminium et de titane. On peut notamment citer à titre d'oxyde support Al203 et Ti02, plus particulièrement Al203.
Les agents actifs peuvent être choisis notamment parmi les éléments suivants : Mn, Pd, Pt, Au, Cu, Rh, Ag, et leurs mélanges. Généralement, pour la phase active, on préfère les éléments choisis parmi Mn, Pd, Cu et leurs mélanges.
Les agents actifs peuvent être notamment présents sous forme de leurs précurseurs, ou hydrates de ces précurseurs, tels que Pd(N03)2.2H20, Mn(N03)2.4H20, Cu(N03)2.3H20, HAuCI4 par exemple.
Généralement, ledit catalyseur présente une porosité supérieure à 60%, notamment 80% avec des mésopores de taille supérieure à 5 nm, voire supérieure à 10 nm.
L'activité catalytique remarquable de ces matériaux résulte de cette très grande surface spécifique d'échange, permettant une bonne dispersion des éléments actifs et un accès aisé aux réactifs polluants, notamment l'ozone.
Ainsi, des taux de conversion de l'ozone supérieurs à 70%, notamment supérieurs à 80%, plus particulièrement proches de 100% sont atteints avec des temps de séjour extrêmement faibles pouvant être inférieurs à 10~3 secondes, notamment inférieurs à 5.10"4 seconde.
A titre illustratif , on peut notamment citer les catalyseurs suivants :
AI2O3 + 10% massique de Mn
Al203 + 5% massique de Mn + 1 % massique de Pd AI2O3 + 5% massique de Mn + 1 % massique de Cu
AI2O3 + 1 % massique de Au
AI2O3 + 5% massique de Mn + 1 % massique de Au
T1O2 + 10% massique de Mn
T1O2 + 2% massique de Mn + 1 % massique de Pd
T1O2 + 2% massique de Mn + 1 % massique de Cu
T1O2 + 5% massique de Mn + 1 % massique de Pd
T1O2 + 5% massique de Mn + 1 % massique de Au
Les catalyseurs selon l'invention peuvent être déposés sur la surface de l'échangeur par imprégnation, plus particulièrement par voie sol-gel.
Le procédé sol-gel consiste à préparer une solution colloïdale (sol) stable de nanoparticules en milieu aqueux qui est ensuite déposée sur les substrats métalliques constituant les échangeurs thermiques par trempage-retrait (dip-coating).
La solution colloïdale contient un précurseur de l'oxyde support et des éléments actifs ; généralement, la solution colloïdale contient en outre un agent structurant.
A titre de précurseur de l'oxyde support, on peut notamment citer pour le précurseur de l'alumine le tri-sec-butoxyde d'aluminium AI[OC(CH3)3]3. L'alumine peut notamment être obtenue par le procédé Yoldas (Yoldas et al., Journal of Materials Science, 10 (1975) 1856-1860).
L'agent structurant permet d'augmenter la surface spécifique et la porosité des matériaux. La présence d'un agent structurant est recommandée pour obtenir un matériau mésoporeux structuré (Alexandridis et al., Current opinion in colloid and interface science 1996, 1 :490-501 ).
Selon un mode de réalisation, l'agent structurant est un tensioactif non ionique, notamment un copolymère tribloc, tel qu'un poloxamer, notamment de formule PEOn- PPOm-PEOn, où PEO représente un bloc polyéthylèneoxyde, PPO représente un bloc polypropylèneoxyde, et m et n sont 2 entiers identiques ou différents représentant le nombre d'unités PO et EO.
Les chaînes PEO constituent les parties hydrophiles et la chaîne PPO la partie hydrophobe. Les composés de type poloxamer sont capables de s'auto-organiser à partir d'une certaine concentration, appelée « concentration micellaire critique » (CMC) pour former des micelles. Les nombreux groupements hydroxyles présents à la surface des nanoparticules de la solution colloïdale vont créer des liaisons hydrogène avec les atomes d'oxygène du copolymère. Lors de la formation du gel (séchage), les nanoparticules vont donc être structurées par le copolymère (Bleta et al., Journal of Colloid and Interface Science, 367 (2012) 120-128). Un traitement thermique approprié permet d'éliminer le copolymère sans détruire la structure des nanoparticules et conduit à l'obtention d'un matériau fortement mésoporeux, dont la surface spécifique, le volume poreux et le diamètre des pores peuvent être contrôlés par le rapport molaire EO/AI.
A titre de poloxamer, on peut notamment citer le Pluronic F127 (aussi dénommé poloxamer 47 tel que n=100 et m=69, Alexandridis et al., Macromolecules, 27 (1994) 2414-2425)) ou encore le Pluronic P123 (n=19 et m=69).
Ces composés sont commercialisés par BASF.
Généralement, l'agent structurant induit par auto-organisation des nanoparticules lors de la transformation en gel, la création d'un réseau mésoporeux conférant au revêtement une très grande surface spécifique.
La capacité des catalyseurs à décomposer l'ozone permet également d'améliorer l'élimination des COV à basse température.
Ainsi, avantageusement, lesdits catalyseurs peuvent également être intégrés dans un dispositif de traitement catalytique incluant un ozoneur qui permet d'éliminer à la fois l'ozone et les composés organiques de l'air.
Ainsi, selon un mode de réalisation, le traitement catalytique des COV dans le dispositif de traitement catalytique 48 peut être réalisé en présence d'une concentration d'ozone pour favoriser l'élimination des COV. Ledit procédé de traitement permet donc par le traitement catalytique de l'air en présence d'une telle concentration d'ozone d'éliminer, notamment à basse température, les COV, notamment à des températures correspondant aux températures de l'air pouvant être introduit dans la cabine. Il est à noter que le catalyseur présent dans le dispositif de traitement catalytique 48 peut permettre, suite à l'élimination des COV, de réduire le taux d'ozone à un niveau inférieur à la limite tolérée en cabine.
Les catalyseurs selon l'invention peuvent être préparés par le procédé suivant.
Généralement, ledit procédé comprend la préparation de revêtements catalytiques par le procédé sol-gel. Ledit procédé comprend la préparation d'une solution colloïdale comprenant des nanoparticules d'oxyde support, le ou les éléments actifs et un agent structurant.
La solution colloïdale de nanoparticules d'oxyde support peut être préparée comme suit.
Pour l'alumine, des sols de boehmite AIO(OH) sont préparés. Ces sols de boehmite peuvent être préparés par la méthode Yoldas à partir de tri-sec-butoxyde d'aluminium (ABS) ou à partir de la Disperal P2® fabriquée par la société Sasol. Bien entendu, tout autre type d'alumine adaptée est envisageable. Le procédé comprend l'étape d'addition de l'agent structurant dans le sol de boehmite ainsi préparé. Le procédé comprend également l'addition des éléments actifs, par ajout de précurseurs desdits éléments, notamment sous la forme de nitrates.
Les ajouts sont effectués sous agitation.
Le dépôt des revêtements catalytiques selon l'invention sur le substrat métallique constituant l'échangeur thermique est ensuite réalisé par dip-coating (trempage-retrait) dudit substrat dans la solution colloïdale ainsi formée.
Pour obtenir un bon accrochage du revêtement, la surface du substrat est préalablement traitée. Ladite étape de traitement comporte notamment une étape de nettoyage pour enlever les contaminants (graisse, huile, etc.) suivie d'une étape de décapage dont l'objectif est de rendre la surface hydrophile et éventuellement d'accroître la rugosité. En effet, le mécanisme principal d'adhésion est l'accrochage mécanique des particules en suspension dans le liquide au sommet des irrégularités de la surface du substrat. Il est donc préférable que la surface soit suffisamment rugueuse. La rugosité du substrat peut aussi être augmentée en appliquant un traitement thermique d'oxydation.
Un exemple illustratif et non limitatif de préparation de revêtements catalytiques selon l'invention est décrit ci-après. Mode opératoire
1. Préparation des sols de boehmite AIO(OH)
1.1 Synthèse par voie sol-gel selon le procédé Yoldas
La synthèse des sols selon le procédé Yoldas [Yoldas et al., Journal of Materials
Science, 1 0 (1 975) 1 856-1 860] consiste à réaliser une hydrolyse totale et très rapide d'un alcoxyde d'aluminium. Pour cela l'hydrolyse est effectuée à chaud (85 °C) et dans un grand excès d'eau :
AI(OR)3 + 3H20→ AI(OH)3 + 3 R-OH
Le pH étant proche de la neutralité, à 85°C, AI(OH^ amorphe cristallise progressivement pour donner AIO(OH) :
AI(OH)3→ AIO(OH) + H20
L'hydrolyse est suivie par une peptisation par un acide réalisant une protonation des particules colloïdales, induisant leur dispersion (phénomène de répulsion dû aux charges de surface) et la formation d'un sol clair et très stable. L'alcoxyde d'aluminium utilisé est le tri-sec-butoxyde d'aluminium AI[OC(CH3)3]3 (MM=246,33 g/mol; d=0,96 g/mL). L'acide nitrique (HN03 68% ; MM=63,01 g/mol d=1 ,4 g/mL) a été choisi pour la peptisation.
Dans un erlenmeyer de 250 mL, 185 mL d'eau chaude à 85°C sont mélangés avec 25,3 g de ASB (0,1 mole) (H2O/AI=100). Le mélange est maintenu sous agitation à 85 °C pendant 15 min.
L'hydroxyde précipité est ensuite peptisé par addition goutte à goutte de 0,474 mL (0,007 mole) d'acide nitrique (HNO3/AI=0,07). Le mélange réactionnel est maintenu sous agitation à 85 °C pendant 24 heures jusqu'à la formation d'un sol transparent stable.
1.2 Préparation d'une dispersion aqueuse de boehmite à partir de la Disperal P2
Alternativement à la méthode Yoldas ci-dessus, il est possible de préparer un sol de boehmite à partir d'une poudre commerciale, dispersable en milieu aqueux, à température ambiante, par exemple la Disperal P2® fabriquée par la société Sasol (http://www.sasolgermany.de/49.html).
Une masse de poudre, calculée en fonction de la concentration en aluminium visée, est introduite dans de l'eau acidifiée de préférence à un pH 4 (selon la fiche technique diffusée par le fabricant la dispersion est maximale et la viscosité minimale pour ce pH) et laissée sous agitation durant 12 h. Ensuite, cette dispersion est filtrée pour éliminer les particules non dispersées. Ce procédé permet de maîtriser aisément la concentration, de synthétiser très rapidement de grosses quantités de sol.
2 Addition de l'agent structurant
L'agent structurant est ajouté directement dans le sol, lequel est ensuite placé sous agitation modérée jusqu'à dissolution totale. Pour atteindre l'équilibre d'adsorption/désorption de l'agent structurant à la surface des particules de boehmite le sol est ensuite maintenu encore sous agitation lente pendant 24h.
3 Addition des éléments actifs (Mn, Cu, Pd)
Les précurseurs du Mn, du Cu et du Pd sont les nitrates, respectivement
Mn(N03)2, 4H20, Cu(N03)2, 3H20 et Pd(N03)2, xH20. On introduit d'abord le nitrate de Mn dans le sol, lequel est placé sous agitation modérée jusqu'à dissolution totale. On introduit ensuite le nitrate de Cu et/ou le nitrate de Pd et on agite de nouveau jusqu'à dissolution complète. 4. Procédé de dépôt
Généralement, la surface du substrat est préalablement activée. L'activation de la surface a été effectuée en trois étapes :
- dégraissage à l'acétone
- décapage de la couche d'oxyde superficiel
- traitement thermique d'oxydation sous air pour faire croître une nouvelle couche d'oxyde
Le traitement thermique a été effectué selon le programme suivant: 20-400 °C à 5°C/min suivi d'un palier de 1 h à 400°C.
Le substrat ayant subi le traitement d'activation de la surface est plongé dans les suspensions colloïdales et laissé immergé pendant 1 min. Puis il est retourné et immergé de nouveau. Ensuite il est retiré puis l'excès de sol restant piégé dans les canaux par capillarité est éliminé en soufflant avec un flux d'air comprimé. Puis il est laissé sécher à température ambiante, à l'abri de la poussière. Finalement on applique un traitement thermique (à 500 °C pendant 4h) pour détruire le copolymère et transformer la boehmite en alumine. Un gradient de 1 °C/min est appliqué pour la montée en température tandis que le retour à la température ambiante se fait naturellement.
On notera que la présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation précédemment décrits, mais pourrait présenter diverses variantes sans sortir du cadre des revendications.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système (10) de traitement d'air à bord d'un aéronef comprenant une cabine, notamment une cabine de passagers (12), ledit système (10) étant dépourvu de moyens prélèvement d'air sur des moteurs de propulsion de l'aéronef, et ledit système (10) comportant un dispositif de conditionnement d'air (16) destiné à fournir un flux d'air conditionné à la cabine (12), comportant un premier circuit (18) d'air prélevé directement à l'extérieur de l'aéronef, ledit premier circuit d'air prélevé (18) comprenant :
- le plus en amont, au moins une entrée (20) d'admission d'air extérieur, provenant de l'extérieur de l'aéronef,
- le plus en aval, au moins une sortie (22) d'un flux d'air conditionné, connectée de manière fluidique à au moins une entrée (12A) d'alimentation en air de la cabine (12),
- un compresseur (30), comprenant une entrée de compresseur (30A) connectée de manière fluidique en aval de l'entrée d'admission d'air extérieur (20), et une sortie de compresseur (30B),
- un échangeur thermique de refroidissement (32), comprenant au moins une entrée d'échangeur (32A) connectée de manière fluidique en aval de la sortie de compresseur (30B), et une sortie d'échangeur (32B),
- une turbine de détente (40), comprenant une entrée de turbine (40A) connectée de manière fluidique en aval de la sortie d'échangeur (32B), et une sortie de turbine (40B) connectée de manière fluidique en amont de la sortie de flux d'air conditionné (22), caractérisé en ce que l'échangeur thermique (32) comporte une surface, comprise entre le compresseur et la turbine, recouverte d'un revêtement catalytique (39) propre à réagir avec l'ozone de l'air prélevé, pour favoriser l'élimination de cet ozone.
2. Système de traitement d'air (10) selon la revendication 1 , comprenant des moyens pour réguler la température dans l'échangeur thermique (32), notamment pour l'amener à une température optimale d'efficacité du revêtement catalytique.
3. Système de traitement d'air (10) selon la revendication 2, dans lequel l'échangeur thermique (32) comporte un circuit de circulation d'air extérieur (34), s'étendant entre une entrée (34A) et une sortie (34B) d'air extérieur, et comprenant au moins une paroi d'échange thermique (36) séparant de manière fluidique le circuit de circulation d'air extérieur (34) et ledit premier circuit d'air prélevé (18), chaque paroi (36) étant conductrice de chaleur pour assurer un bon échange thermique entre l'air prélevé et l'air extérieur, les moyens pour réguler la température dans l'échangeur thermique (32) comportant de préférence une vanne (38), agencée dans le circuit de circulation d'air extérieur (34), pour la régulation du débit d'air extérieur circulant dans ce circuit de circulation (34).
4. Système de traitement d'air (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement catalytique (39) est mésoporeux, de surface spécifique supérieure à 300 m2/g, de préférence supérieure à 400 m2/g.
5. Système de traitement d'air (10) selon la revendication 4, dans lequel le revêtement catalytique (39) comprend un oxyde support de type Al203 ou Ti02 sur lequel sont déposés un ou plusieurs éléments actifs choisis parmi Mn, Pd, Pt, Au, Cu, Rh, Ag, et leurs mélanges.
6. Système de traitement d'air (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif de conditionnement d'air (16) comporte un deuxième circuit (42) d'air recyclé provenant d'une sortie (12B) d'évacuation de l'air de la cabine (12), et une chambre de mélange (44), comprenant une première entrée (44A) connectée de manière fluidique à ladite sortie d'air conditionné (22), une seconde entrée (44B) connectée de manière fluidique au deuxième circuit d'air (42), et une sortie (44C) connectée de manière fluidique à l'entrée d'alimentation (12A) de la cabine (12).
7. Système de traitement d'air (10) selon la revendication 6, dans lequel le second circuit (42) comporte un filtre à air (46), agencé entre la sortie d'évacuation (12B) de la cabine (12) et la seconde entrée (44B) de la chambre de mélange (44).
8. Système de traitement d'air (10) selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le second circuit (42) comporte un dispositif de traitement catalytique (48) pour l'élimination de composants organiques volatils et d'ozone, agencé entre la sortie d'évacuation (12B) de la cabine (12) et la seconde entrée (44B) de la chambre de mélange (44), comprenant de préférence un ozoneur.
9. Système de traitement d'air (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier circuit d'air prélevé (18) comporte une branche de déviation (58), s'étendant en parallèle de l'échangeur thermique (32), depuis l'amont de l'entrée d'échangeur (32A) jusqu'à l'aval de la sortie d'échangeur (32B), de manière à court-circuiter l'échangeur thermique (32), et une vanne à trois voies (60), dont une première voie est connectée de manière fluidique à l'aval de la sortie de compresseur (30B), une deuxième voie est connectée de manière fluidique à l'entrée de l'échangeur (32A), et une troisième voie est connectée de manière fluidique à ladite branche de déviation (58).
10. Système de traitement d'air (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le premier circuit d'air prélevé (18) comporte un circuit de refroidissement (62), comprenant la turbine de détente (40), et s'étendant entre l'aval de la sortie d'échangeur (32B) et la sortie de flux d'air conditionné (22), et une branche (68) de court-circuit du circuit de refroidissement (62), s'étendant en parallèle de ce circuit de refroidissement (62) entre l'aval de la sortie d'échangeur (32B) et la sortie de flux d'air conditionné (22), ladite branche de court-circuit (68) comportant une vanne (70) destinée à réguler le passage d'air prélevé à travers cette branche de court-circuit (68).
1 1 . Système de traitement d'air (10) selon la revendication 10, dans lequel ladite vanne (70) est propre à s'ouvrir lorsque l'altitude du système dépasse une valeur prédéterminée.
12. Système de traitement d'air (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le revêtement catalytique (39) recouvrant la surface de l'échangeur thermique (32) est propre à réagir avec l'ozone de l'air prélevé sous une température comprise entre 10°C et 250 °C, de préféence entre 10°C et 100°C, notamment entre 20 °C et 60 °C, et par exemple entre15°C et 40 °C.
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