Brevet FR2501524A1 — publié le 19820917

La présente invention concerne un filtre pour subs- tances polluantes de gaz d'échappement, notamment pour éliminer les substances polluantes des gaz de combustion de dispositifs de chauffage alimentés en combustibles fossiles ainsi que de machines à combustion interne, comprenant une matrice formant filtre, qui est disposée dans un bottier et qui est traversée par les gaz d'échappement. Les gaz d'échappement de dispositifs de chauffage et de moteurs à combustion contiennent un certain nombre de substances polluantes, comme par exemple des oxydes de soufre, de l'oxyde de carbone, des oxydes d'azote et des hydrocarbures,ainsi que des impuretés métalliques,telles que le plomb, le cadmium et autres. Des lois sévères im- posent des exigences de plus en plus grandes à leur élimi- nation. Jusqu'ici, on a prévu des dispositifs très divers pour se débarrasser des substances polluantes suivant leur type. Dans les dispositifs de chauffage, on ajoute souvent un agent de neutralisation pour éliminer les constituants acides qui s'y forment assez souvent. Pour des moteurs à combustion, on a développé des installations de post-com- bustion, des recyclages des gaz d'échappement, des filtres ou des catalyseurs pour éliminer notamment l'oxyde de car- bone, les oxydes d'azote et aussi des métaux polluants. L'invention vise un filtre pour substances polluan- tes,qui se caractérise par la possibilité d'usages multi- ples, par un spectre large d'élimination des substances polluantes, par une construction simple et par une faible perte de charge. Suivant l'invention, la matrice formant filtre est constituée d'éléments de tôle ondulée superposés, les sommets des ondulations d'éléments de tôle ondulée voisins s'éten- dant en formant un angle les uns par rapport aux autres. En raison de cet agencement, les sommets des on- dulations des éléments de tôle ondulée superposés se croi- sent sous un angle déterminé, le gaz s'écoulant entre les éléments étant contraint à des modifications de direction correspondantes. Les particules de substances polluantes contenues dans les gaz d'échappement frappent ainsi les surfaces métalliques, les molécules de substances polluan- tes, comme par exemple CO, N02, S02 et d'hydrocarbures se dissociant, diffusant sous forme d'atomes dans le métal et s'y fixant. Des atomes métalliques, comme par exemple de plomb, peuvent être retenus par diffusion et par fixa- tion dans la matrice formant filtre ainsi que par chimi- sorption et par condensation sur la surface de la matrice. A cet égard, le filtre pour substances polluantes suivant l'invention se caractérise par sa simplicité, par sa fai- ble perte de charge, par son large spectre d'action et par sa construction ramassée. Suivant un perfectionnement de l'invention, il est prévu que les sommets des ondulations s'étendent symé- triquement,donc en formant un même angle, par rapport à la direction d'écoulement. Suivant la constitution des éléments de tôle ondulée suivant l'invention, la matrice formant filtre peut être constituée différemment. C'est ainsi que les éléments de tôle ondulée peuvent être constitués de plaques de tôle ondulée, de préférence rectangulaires,qui sont superposées en un pa- quet de plaques et forment ainsi la matrice faisant offi- ce de filtre. Ce paquet de plaques peut être placé dans un boîtier correspondant de section droite rectangulaire, en sorte que les gaz d'échappement sont contraints de s'écouler entre les plaques. - Les éléments de tôle ondulée peuvent aussi être aboutés les uns aux autres en une bande repliée en méandres, ce qui permet d'obtenir en principe le même comportement à l'écoulement que dans le paquet de plaques. Une autre possibilité consiste à former une bo- bine de tôle ondulée dans laquelle deux bandes de tôle ondulée sont enroulées, par exemple sur un mandrin, en é- tant superposées. Les deux bandes de tôle ondulée ont m- lors des sommets d'ondulation de tracés différents, de sorte que les sommets d'ondulations des bandes de tôle ondulée voisines sur la bobine forment un angle entre elles. Il est recommandé à cet égard d'enrouler en une bobine de tôle deux bandes de tôle ondulée de même type, superposées en sorte que les sommets des ondulations de bandes de tôle voisines se croisent. Les éléments de tôle ondulée peuvent présenter en section droite des ondulations à peu près sinusoïdales, car ces ondulations provoquent de faibles pertes de charge. Mais on peut envisager aussi d'autres formes d'ondulations, par exemple à section droite en forme de triangle ou de trapèze. Le matériau pour les éléments de tôle ondulée peut être adapté à chaque application, notamment à la char- ge en température due aux gaz de combustion ainsi qu'à la nature de la substance polluante. Pour des gaz de combus- tion chauds, les éléments de tôle ondulée doivent être en métaux réfractaires, par exemple en acier réfractaire. Les matériaux réfractaires Incoloy-800 ou Inconel-600 se sont révélés convenir particulièrement bien pour des températures élevées. En revanche, pour des températures plus basses, on peut faire appel, par exemple au cuivre ou à du V2A. Pour le bottier dans lequel la matrice formant filtre est placée, on fait appel à des matériaux corres- pondants. Un matériau céramique convient particulièrement bien dans la gamme des températures élevées. La matrice formant filtre suivant l'invention peut être utilisée de manières les plus diverses dans les dispositifs de chauffage ou dans des moteurs à com- bustion. Une possibilité d'application consiste à inter- poser les éléments de tôle ondulée entre un brûleur ou un fQyer et un échangeur de chaleur s'y raccordant. Ainsi un gaz de combustion débarrassé des substances polluantes arrive à l'échangeur de chaleur, de sorte que l'on évite des encrassages. Bien entendu, on dispose aussi de la possibilité de placer les éléments de tôle ondulée après l'échangeur de chaleur, ce qui ne fait que diminuer la pollution. On peut incorporer l'échangeur de chaleur dé- crit ci-dessus, par exemple dans des installations de pro- duction d'eau chaude ou des équipements semblables. Au dessin annexé, donné uniquement à titre d'e- xemple La figure 1 est une vue en perspective avec ar- rachement partiel de deux éléments de tôle ondulée super- posés; La figure 2 est une vue en perspective d'un pa- quet d'éléments de tôle ondulée; La figure 3 est une vue en perspective d'éléments de tôle ondulée repliés en méandres; La figure 4 est une vue en perspective d'une bo- bine d'éléments de tôle ondulée, et La figure 5 est une vue en perspective,avec arra- chement,d'un échangeur de chaleur dans lequel se trouve un paquet d'éléments de tôle ondulée. A la figure 1 sont représentées en perspective, avec arrachement partiel, deux plaques 1, 2 de tôle ondulée superposées. Les sommets des ondulations de chacune d'en- tre elles s'étendent rectilignement et parallèlement,les plaques 1, 2 de tôle ondulée ayant une section transversale sinusoïdale. Les plaques 1, 2 de tôle ondulée sont superposées de manière à ce que les sommets des ondulations de l'une des plaques 1 s'étendent en faisant un angle par rapport à ceux de l'autre plaque 2. Du gaz d'échappement à filtrer s'écoule alors suivant le sens général de la flèche A en- tre les plaques 1 et 2 de tôle ondulée, de sorte que les sommets des ondulations des deux plaques 1, 2 fassent un même angle c. par rapport au sens de l'écoulement. Le gaz d'échappement est contraint ainsi à des modifications de direction, si bien que les molécules de substances polluantes contenues dans le gaz d'échappement viennent heurter les parois intérieures. Elles peuvent s'y dissocier et se fixer sous forme d'atomes dans le mé- tal des plaques 1, 2 de tôle ondulée. Si la matrice for- mant filtre constituée des plaques 1, 2 de tôle ondulée est conçue d'une manière appropriée, on peut abaisser avec une efficacité de filtration de 90% les teneurs en impu- retés métalliques et de 50 à 90% les teneurs en substances polluantes gazeuses moléculaires, comme S02, CO, N02 et les hydrocarbures, comme il s'en produit par exemple dans des moteurs de combustion. La conception d'un filtre ayant une matrice for- mant filtre constitué de plaques 1, 2 de tôle ondulée peut s'effectuer suivant le procédé de dimensionnement et d'op- timisation décrit aux demandes de brevet publiées en Ré- publique Fédérale d'Allemagne sous les numéros 2 655 296 et 2 655 310. La figure 2 représente une matrice formant fil- tre composée de plaques 3 carrées de tôle ondulée. Les plaques 3 de tôle ondulée ont des ondulations 4 obtenues par empreinte et symbolisées ici par de simples traits, les ondulations 4 des plaques 3 de tôle ondulée voisines étant croisées les unes par rapport aux autres. Le sens général d'écoulement du gaz d'échappement est représenté à nouveau par la flèche A, les ondulations 4 inclinées par rapport à ce sens d'écoulement provoquant des modifi- cations de direction du gaz d'échappement. La matrice formant filtre peut être logée dans un bottier adapté qui est ouvert suivant la direction d'écoulement. La figure 3 représente une matrice formant fil- tre correspondant à celle de la figure 2, si ce n'est que les plaques de tôle ondulée y sont aboutées en une bande de tôle ondulée qui est repliée en-méandres. La bande 5 de tôle ondulée a des surfaces 6 de tôle ondulée obtenues par empreinte de même type. Par le repliage, les surfa- ces 6 de tôle ondulée viennent l'une sur l'autre en sorte que les ondulations 7isymbolisées à nouveau par des traits, des surfaces 6 de tôle ondulée s'étendent en formant un angle les unes par rapport aux autres. La matrice formant filtre est traversée d'une manière générale suivant le sens de la flèche A avec les modifications de direction provoquées par les ondulations 7. A la figure 4 est représentée une matrice formant filtre qui est constituée d'une bobine 8 de tôle enroulée sur un mandrin 9. La bobine 8 de tôle est constituée,dans le mode de réalisation représenté,précisément de deux ban- des 10, 11 de tôle ondulée qui sont tirées simultanément de deux bobines de réserve non représentées. Les bandes 10, 11 de tôle ondulée ont des ondulations 12, 13 incli- nées réparties sur toute leur longueur, ce qui n'est repré- senté que partiellement à la figure. Elles sont enroulées l'une sur l'autre, en sorte que les ondulations 12, 13 des couches voisines de la bobine 8 de tôle s'étendent en fai- sant des angles les unes par rapport aux autres. On ob- tient ainsi essentiellement le même comportement à l'é- coulement que dans la matrice formant filtre suivant les figures 1 à 3 lorsque la bobine 8 de tôle est traversée suivant le sens de la flèche A. La figure 5 représente le montage en série d'une matrice 16 formant filtre,du type illustré à la figure 2, et d'un dispositif 14 de transmission de chaleur fabriqué en céramique et agencé en couches. La matrice 16 métalli- que formant filtre est placée entre des parois 15 en cérami- que,qui font saillie à l'entrée du dispositif 14 de trans- mission de la chaleur sur au moins la longueur de la ma- trice formant filtre. Les gaz de combustion traversent le dispositif 14 de transmission de la chaleur du haut vers le bas suivant le sens de la flèche A, en sorte que des gaz de combustion débarrassés de substances polluantes arrivent dans le dispositif 14 de transmission de la chaleur. REVENDICATIONS 1) Filtre pour substances polluantes de gaz d'é- chappement, notamment pour éliminer les substances pol- luantes des gaz de combustion de dispositifs de chauffage alimentés en combustibles fossiles ainsi que de machines à combustion interne, comprenant une matrice. formant fil- tre, qui est disposée dans un bottier et qui est traversée par les gaz d'échappement, caractérisé en ce que la ma- trice (8, 16) formant filtre est constituée d'éléments (1, 2, 3, 6, 10, 11) de tôle ondulée superposés, les som- mets (4, 7) des ondulations d'éléments (1, 2, 3, 6,.10, 11) de tôle ondulée voisins s'étendant en formant un angle les uns par rapport aux autres. 2) Filtre suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les sommets (4, 7) des ondulations s'étendent symétriquement par rapport au sens d'écoulement (flèche A). 3) Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que les éléments de tôle ondulée sont consti- tués de plaques (1,2,3,6) de tôle ondulée de préférences rectangulaires. 4) Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que les éléments (6) de tôle ondulée sont abou- tés les uns aux autres en une bande (5) repliée en méandres - 5) Filtre suivant la revendication 1 ou 2, caracté- risé en ce que les éléments de tôle ondulée sont constitués d'au moins deux bandes (10, 11) de tôle ondulée qui sont enroulées à l'état superposé en une bobine (8) de tôle ondulée. 6) Filtre suivant la revendication 5, caractérisé en ce que deux bandes (10,11) de tôle ondulée de même type sont enroulées en une bobine (8) de tôle ondulée en étant superposées de manière à ce que les sommets des ondulations des bandes (10, 11) de tôle ondulée voisines se croisent. 7) Filtre suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les éléments (1, 2, 3, 6, 10, 11) de tôle ondulée présentent des ondulations sinusoldales. 8) Filtre suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments (1, 2, 3, 6, 10, 11) de tôle ondulée sont en des métaux réfractaires. 9) Filtre suivant l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les éléments (1, 2, 3, 6, 10, 11) de tôle ondulée sont en Incoloy-800 ou en Incolen-600. ) Filtre suivant l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments (1, 2, 3, 6, 10, 11) de tôle ondulée sont en métaux résistant à la chaleur, par exemple en cuivre ou en V2A. 11) Filtre suivant l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le boîtier (15) est en matériau céramique. 12) Filtre suivant l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les éléments (16) de tôle ondulée sont interposés entre un brleur ou un foyer et un échan- geur (14) de chaleur s'y raccordant. 13) Filtre suivant l'une des revendications I à 12, caractérisé en ce que les éléments de tôle ondulée pré- sentent une surface texturée. 14) Filtre suivant la revendication 13, caractérisé en ce que les éléments de tôle ondulée sont constitués d'au moins une couche de mattes tissées.