Brevet FR2617741A1 — publié le 19890113

La separataon fuide-solide a fait l'objet d'un ouvrage publié en :9B4 aux Editions Masson "Les dépoussiéreurs industriels" par Messieurs R. DUMON et R. JOFFRE. Dans le domaine du dépoussiérage sont utilisées essentiellement quatre techniques : les chambres de décantation gravitaire pour les particules de diamètre supérieur à l00 microns, les cyclones dans la gamme 3 microns à 1000 microns, les laveurs entre 0,1 et 100 microns, les filtres divers entre 0,01 et 10 microns. En ce qui concerne les cyclones traditionnels ils sont considérés par ces auteurs, qui font référence, comme étant à haute efficacité lorsque leur rendement est de 79% pour des particules de diamètre égal a 5 microns Le diamètre de coupure absolue Dc des Meilleurs cyclones, toujours selon ces auteurs, serait de 100 microns environ, ceci pour des particules solides classiques dans de l'air. On appelle diamètre de coupure absolue Dc le diamètre des particules initialement contenues dans le mélange qui sort toutes extraites du fluide après que celui-ci soit pas dar,s l'appareil. Ces cyclones ont pour défaut majeur, du fait des frottements importants qui se produisent entre le fluide et leur paroi, d'etre le siège de très fortes turbulences. Les particules qui ont tendance à migrer vers la paroi extérieure du cyclone sous l'effet de la force centrifuge, sont reroélangées de maniére erratique a mesure que le fluide se déplace dans l'appareil. Ceci conduit, au travers de processus complexes. å dirninuer de manière extrêmement iMportante les performances de ces ppareils. Par ailleurs les cyclones existants sont lal adaptes å la séparation de solides plus légers que le fluide porteur. La preerte invention permet d'éviter ces deux inconvénients Majeurs des appareils existants. Dans le système objet de l'invention, le lange est introduit dans l'espace annulaire Ménagé entre deux cylindres coaxiaux tournants. La vitesse de rotation des cylindres est soit identique, soit légèrement différente. Dans ce dernier cas, la vitesse de rotation -exprimée, par exemple en tours par seconde- du cylindre intérieur, limite interne du Jeu annulaire, est supérieure å celle du cylindre extérieur, proportionnellement au rapport des diamètres extérieur et intérieur.On drée dans ces conditions dans le dit espace annulaire, a la condition que le Mélange soit introduit axialement dans le repère tournant, un écoulement dit a vortex libre superposé à un écoulement axial à vitesse quasi constante. Du fait de la rotation des cylindres et de l'introduction quasi axiale du @élange dans le repère tournant, les frottements sur les parois solides sont presque "ég 1 i geables. L'entrée dans l'espace annulaire, sur une longueur de s a 10 fois la différence des rayons des deux cylindres est munie d'ailettes axiales ou toW au moins se teruinant quasi axialement, destinées a introduire dans le jeu annulaire le mélange selon une direction axiale dans le repaire tournant.On crée de cette maniàre un écoulement présentant une certaine vitesse tangentielle fonction de la vitesse de rotation de l'un ou l'autre des cylindres dans le repaire absolu. 11 s'en suit que les particules solides sont soumises a une force centrifuge qui tend a les faire migrer vers le cylindre extérieur si elles sont plus denses que le fluide ou vers le cylindre intérieur si elles sont oins denses que le fluide.La longueur de l'espace annulaire est calculée de telle sorte que le particules que l'on veut séparer aient le temps d'atteindre l'une ou l'autre des parois lisitant l'espace annulaire de telle sorte qu'elles puissent être séparées. On Ménage a cet effet, dans l'une ou l'autre des parois, des orifices de formes particuliêres qui perMettent d'évacuer les particules. Parmi les formes particulières de ces orifices on peut considérer des orifices circulaires percés réguliêrement dans l'une ou l'autre des conduites, ou des orifices sous forme de fentes percées également régulièrement dans l'une ou l'autre des conduites selon que l'or veut séparer des éléments plus denses ou moins denses que le fluide porteur Dans le cas de dépoussieurs, des particules a séparer ont toujours une densité supérieure a celle de l'air, et de ce fait les orifices seront percés sur la paroi extérieure du jeu annulaire a la sortie dudit jeu dans le sens de progression du mélange. Après que la séparation ait été effectuée on aura en général intérêt à faire converger la paroi extérieure vers l'axe de rotation des cylindres pour éviter que se produisent des courants de retour intempestif qui nuiraient à la bonne qualité du mélange. Dans certaines réalisations, il sera intéressant de disposer les ailettes d'entrée du jeu annulaire de telle sorte qu'elles ne touchent pas la paroi du cylindre faisant face. Ces ailettes présenteront par ailleurs a leur entrée une pente douce. La raison de ces dispositions est que l'on évite ainsi que les particules fibreuses éventuellement présentes dans le mélange dont on veut ter les particules solides ne s'accrochent pas aux ailettes risquant d'obstruer le passage du Mélange dans l'écoulement annulaire. Avant d'entrer dans ledit espace annulaire a l'aMont desdites ailettes, il pourra éventuellement être intéressant de mettre en oeuvre soit dans le repère fixe, soit dans le repère mobile des ailettes permettant d'orienter la direction du Mélange de telle sorte qu'il pénètre dans l'espace annulaire soit de manière radiale soit de maniere axiale dans le repère tournent On évitera ainsi de frpn significative l'usure des parois par des particules éventuellement abrasives, cette usure $pouvant être limitée à des pièces dites pièces d'usure qui se trouveront par exemple dans le repère fixe. L'entra@nement des cylindres sera fait par un Moteur unique lorscue les deu; cy cylindres auront une vitesse de rotation identique. Il pourrait être fait par deux moteurs lorsque les cylindres auront une vitesse de rotation différente, ces deux moteurs étant éventuellement à vitesse de rotation variable. On pourra également imapiner lorsque le rapport deE vitesses de rotation des deux cylindres sera fixe que l'un et l'autre des cylindres soit lié, soit au Moteur par l'intermédiaire de courroies, soit au moteur et a l'autre cylindre, par l'intermédiaire de jeux d'engrenages de réduction.Les dispositions a prendre sont dans tous ces cas du domaine des techniques connues. Quelques exemples explicités cidessous permettent de donner des solutions possibles. La récupération des particules séparées dans le repère fixe, se fera selon de techniques qui peuvent être différentes selon la nature des particules considérées. Nous ne décrirons dans ce qui suit et a titre d'exemple, que quelques solutions éventuellement adaptées a des problerneE de dépoussiérage.La plupart des solutions envisageables pour coupler la récupération des solides au fonctionnesent du séparateur proprerlent lit nous semblent être du domaine du bon sens et de l'art de l'ingénieur spécialisé dans les dépoussiéreurs ou les séparateurs liquide-sclide En CE qui concerne les dimensions des appareils, on peut considérer que le rapport des diamètres des deux cylindres, rapport du diamètre du cylindre extérieur à celui du cylindre intérieur, sera toujours inférieur à 2, c'est-à-dire que la dimension du jeu annulaire sera toujours relativement faible par rapport au rayon du cylindre extérieur. Il sera par ailleurs bor. que le diamètre de sortie de la paroi extérieure du jeu annulaire, soit au plus égale après contraction, au diamètre de le paro intérieure du jeu annulaire. Ceci toujours afin d'éviter les recirculations La figure 1 donne a titre d'exemple, une réalisation possible de l' invent ion. Dans cette réalisation les deux cylindres sont à même vitesse de rotation. Le système se compose des éléments suivants s un chlssis 1 supportant l'ensemble des pièces en Mouvement et le moteur d'entraînement et qui isole le milieu 2 chargé de poussière du Milieu 3 dont on veut éviter qu'il ne contienne des poussières.Il s'agît 1E d'une appli=ation au dépoussiérage. Un moteur 4 permet d'entraîner le cylindre extérieur, 5 lié rigidement au cylindre intérieur 6 par l'intermédiaire d'une pièce 7. FI l'entrée de l'espace annulaire régnant entre les deux cylindres on a disposé des ailettes e destinées comme indique ci-dessus à rendre l'écoulement axial dans le repère tournant, le repère tournant étant le jeu annulaire compris entre les deux cylindres. L'air issu de l'atiosphère 2 chargé en particules pénètre d'abord dans le système au travers d'une pluralité de trous 9 percés au travers de la paroi du repère fixe selon les flèches fi, puis pénètre dans l'entrée du jeu annulaire situé entre les parois des deux cylindres, traverse la zone dans laquelle sont situées les ailettes 8 puis se propage dans le jeu annulaire selon F 2. Les particules contenues dans l'air Migrent, sous l'effet de force; centrifuges, soit dans le cylindre extérieur, soit dans le cylindre intéries selon que la densité des particules est supérieure ou inférieure f celle du fluide porteur Bien entendu dans le cas de l'air, lesdites particul > - auront une densité supérieure s celle de l'air et de ce fait la disposition retenue sera celle correspondant a la gauche de la figure, les particules s'évacuant au travers des orifices 10. L'espace annulaire se termine alors par une contraction 11. l'air ou le fluide JE manière plus générale libéré des particules qu'il contient est évacué dans le repère fixe puis dans l'atmosphère 3 selon les flèches F3 Pour un diamètre de coupure absolu de l'ordre de deux à trois Microns dans le cas de particules solides dans l'air, le dimensionnement possible de l'appareil serait le suivant s longueur de l'espace annulaire environ 1 mètre, épaisseur de l'espace annulaire environ 5 Millimètres, diamètre extérieur de l'espace annulaire environ 50 millimètres, diamètre intérieur de l'espace annulaire environ 40 millimètres, vitesse de rotation del'ordre de 8000 à 10 000 tours/Minute. Cri notera que les particules qui s'échappent au travers de l'orifice 10 sont collectées dans le repère fixe en 12 ou elles forment un amat que l'on peut aisément extraire en ouvrant la trappe 13 par des moyens appropries. Une telle disposition où les deux cylindres tournent à la même vitesse de rotation permet de réaliser un montage de l'ensemble de l'installation extrêmement facile en ce qui concerne la position des roulements 14 et 15.Le débit nominal de l'appareil cidessus décrit est de l'ordre de 10 a 20 Litres/seconde. les vitesses d'écoulement axial dans le jeu annulaire sont alors de l'ordre de 5 à 2e mètres/seconde. Bien entendu si l'on vent augmenter le débit on aura le loisir de dispcser des appareils en parallèle ou dans certains cas de disposer d'appareils de diamètre un peu plus grand fonctionnant a des vitesses de rotation plus élevée ou fonctionnant avec des jeux légèrement inférieurs. La figure 2 donne une autre version de l'invention également utilisable en dépoussiérage mais de technologie plus sophistiquée que la précédente, en ce sens que les vitesses de rotation des deux cylindres sont légèrement differentes dans le rapport inverse des diamètres intérieur et extérieur de l'espace annulaire qui existe entre eux ,la vitesse de rotation du cylindre extérieur étant la plus élevée. Le Montage est différent du précédent pour un certain nombre de raisons technologiques. La figure 2 représente deux versions possibles de l'appareil, la vue de gauche étant comme on peut le constater légèrement différente de la vue de droite qui correspond à une solution plus élaborée. On a dans les deux cas considéré que les particules étaient relus denses que le fluide porteur et de ce fait les orifices de sortie sont situés & l'extérieur du cylindre extérieur constituant le jeu annulaire. Si l'o'. considère la partie gauche de la figure l'air est introduit au travers des orifices 9 pratiqués dans le repère fixe comme précédemment. i: pènètre ensuite dans un système d'aubage 16 dessiné selon les règles de l'art et qui permet de faire passer sans choc pour une vitesse de rotation et un débit dans l'appareil prédétermine le fluide chargé de particules du repère fixe dans le repère Mobile. a la sortie de ces aubages, le fluide est dirigé suivant les flèches F 4 , les flàches F 4 étant radiales par rapport à l'écoulement dans le repère Mobile. Le fluide pénètre co:s::se prtcEdenment dans l'enseMble d'ailettes redresseuses, suit les flèches P 2 vers la sortie du jeu annulaire et les particules passent séparées au travers des trous 1D, à partir desquelles elles se retrouvent dans le repère fixe pour former une dune 12. La contraction est assurée dans le cas qui nous intéresse par un simple retour angle droit de la paroi extérieure du cylindre extérieur. te gaz purifié s'évacue alors au travers d'urne pluralité d'orifices 17 pratiqués dans la sortie du cylindre mobile extérieur puis par des orifices 18 pratiqués dans la paroi fixe.I1 s'évacue comme précédemment suivant les flèches F 3 dans l'atmosphère 3 qui est l'atmosphère purifiée. La configuration de droite est légèrement différente et un petit peu plus sophistiquée en ce sens que l'air est introduit d'abord au travers d'un grillage 19 qui permet d'éliminer les grosses particules. Ce grillaga est suivi d'un convergent 20 destiné à assurer un entonneuent correct de l'air dans l'admission du système. On dispose dans la repère fixe d'un ensemble d'ailettes 21 destinées à effectuer tout ou partie de la prérotation avant l'entrés dans le repère mobile. Le système 22 est un système tournant à ai lettes destine à obtenir une alimentation quasI axiale de l'écoulement dans le repère mobile. On évite de ce fait des turbulences trop @importantes et des vitesses relatives trop importantes qui pourraient conduire à la détérioration des parois du système par abrasion. Pour l'essentiel, l'écoulement dans le repère mobile est identique a ce qu'il est dans la partie droite de la figure précédemment décrite. Le fluide pénètre dans le système \d'ailettes oh on achève de le redresser axialement.Le fluide se retrouve & la sortie, qui est v nouveau convergente, tout au Moins en ce qi concerne le cylindre extérieur. Dans la disposition retenus pour la partie droite de la figure, on constate que le fluide qui suit les flèches F2 pénètre dans une roue de pompe centrifuge avant d'etre rejetée a travers des orifices 18 suivant F3 dans le milieu 3.De ce fait, il est possible d'obtenir un fonctionnement de l'appareil sans source de puissance extérieure, l'appareil effectuant lui-même du fait de la présence de la roue de pompe 23 ( ou de compresseur dans le cas d'un gaz), le travail de transvasement du Milieu 2 vers le Milieu 3. L'emtraînement du cylindre Mobile extérieur est assuré par le moteur 24. Celui du cylindre intérieur est assuré par le Moteur 4. Quant aux supportages en rotation des deux cylindres ,ils se font àu Moyen de roulements ou de paliers. Une des solutions de montage possible est donnes sur la figure 2.Ce sont les roulements 25 et 26 qui assurent les liaisons mobiles entre les différents repères, repère fixe et repère mobile du cylindre intérieur. Avec cette disposition, on peut penser que les performances de l'appareil sont pratiquement égales aux performances qui seraient calculées par un modèles théorique dans lequel toute turbulence serait négligée et oc l'écoulement entre les cylindres serait de type vortcx en ce qu: concerne la distribution de vitesse tangentielle. De te: les perforMances ne peuvent bien entendu être obtenues que Moyennant un dessin adapté des orifices de sortie 10 qui permettent d'éviter des recirculations entre le jeu annulaire et la chambre dans laquelle sont rejetées les poussières. II est en particulier nécessaire que le développement radial des orifices 10 soit suffisaiment important On peut par exemple considérer que 1 longueur des orifices qui peuvent être éventuellement des fentes, soit de l'ordre de grandeur du jeu annulaire, ou au moins égal au quart de ce jeu annulaire.Pour un jeu annulaire de 5 na, la longueur des orifices sera par exemple de 3 a 4 mm. Les orifices se seront par ailleurs alimentés à partir de formes aérodynamiques profilées. Il pourront par exemple être orientés perpendiculairement a l'axe des cylindres ou former avec ces cylindres un angle aigu dont le sommet est dirigé vers l'entrée du jeu annulaire. Il est Je toute façon préférable d'éviter que le cylindre extérieur dans le cas 'ur. dépoussiéreur ait une paroi d'épaisseur trop faible dans la zone oW p.1acés ces orifices. LE diamètre de coupure absolue des particules contenues dans le fluide qui qui Mus qui pénètre dans ut tel appareil est donne par la formule suivante : 5 Dc=((1-R1*/R0*)*1/(4*#*V0*)*18* /#9*0/1) 1/* (1) fl titre d'exemple on détermine le diamètre de coupure absolue obtenu dan Des conditions de fon tionreuent suivantes @ diamètre du cylindre extérieur : 10 murs, diamètre du cylindre intérieur : 40 un, vitesse de rotation 7 700 tours/mm, longueur du jeu annulaire S mètre . On trouve un diamètre de coupure absolue théorique de 1,2 Micron. On peut penser qu'étant donné les turbulences qui sont quand même légèrement présentes dans l'appareil, le système permettra dans les conditions de fonctionnement ci-dessus décrites, de réaliser une coupure absolue de 2 microns, toute particule pénétrant dans l'appareil, de diamètre supérieur å 2 microns, rie ressortant pas dans l'atmosphère 3. Il s'agit la d'un gain quantitatif extrêmement important par rapport aux appareils connus.En effet, l'efficacité de séparation d'un cyclone est proportionnelle non pas au diamètre de coupure absolue des particules mais au carré de ce diamètre. l'application de la formule n 1 Montre par ailleurs que le diamètre de coupure est inversement proportionnel à la vitesse de rotation de l'appareil.On peut donc envisager avec ces nouveaux stparateurs rotatifs de réaliser des dépoussiérages a des diamètres de coupure de l'ordre de 0,1 a 0,2 Microns sous réserve que l'on soit er mesure de réaliser des vitesses périphériques du diamètre extérieur du jeu annulaire de l'ordre de 200 m/s. De telles performances seraient obtenues avec te cyclone ci-dessus décrit, pour des vitesses de rotation de l'ordre de 70 à 80 320 tours/mm. Ceci est actuellement technologiquement réalisable et l'on peut donc envisager l'application de cas nouveaux séparateurs dans des classes granulométriques qui sont normalement totalement étrangères au fonctionnement d'un cyclone class. ;ue. CATIONS R 1 Procède de séparation de Matières solides initialement contenues dr. un fluide caractérisé en ce que le Mélange de solides et ,' fluides est introduit dans l'espace annulaire compris entre deux cylindres coaxiaux 5 et 6, tournant autour de leur axe commun à de vitesses de rotation égales ou légèrement différentes, proportionellement à l'inverse du diamètre de chacun des cylindres, que les particules solides Migrent vers le cylindre extérieur ou le cylindre intérieur, sous l'effet de l'accélération centrifuge, selon qu'elles sont plus denses ou moins denses que le fluide, qu'elles traversent la parci de il ur. ou l'autre des cylindres au travers d'une pluralité de perforations 0 et que le fluide, ainsi débarrassé des particules qu'il contient, est évacué selon les fléches F3 à l'extrêmité de l'appareil oppos à celle par laguelle le mélange est iratré. Par extension, le procédé est applicatle a la séparation de gouttelettes contenues dans un gai. R 2 Pr@@édé selon la revendication n 1 caractérisé en ce que l'on dispose, dans le jeu annulaire, sur tout ou partie de sa longueur, dc paris rad ales 8, quasi parallèles a l'axe des cylindres, destinées A faire pénéreer l'écoulement dans la partie annulaire de manière régulière et quasi parallèlement a l'axe des cylindres, lorsRue l'or. SE place dans un repère lié auxdits cylindres. P. Procédé selon les revendication n 1 et 2 caractérisé en ce que le parci ra@iales sont fixées a l'un des cylindres de telle sorte qu'il sabsiete un jeu entre elles et l'autre cylindre l'exceptior. dc quelques parois qui relient les cylindres entre eux lorsque les vitesse de rotation sont identiques-et que la partie amont des dites parc s présente une légère pente de telle sorte que les particules fibreuses rrr puissent pas s'accrocher auxdites ailettes. R 4 Procédé selon l'une des revendications ci-dessus caractérisé en ce que les cylindres sont entraînés par un ou deux Moteurs électriques, à vitesse de rotation éventuellement variable. R K Procédé selon la revendication n X caractérisé en ce que, ç la sortie de l'espace annulaire, la paroi faisant suite au cylindre extérieur se termine selon un rayon inférieur ou égal au rayon du cylindre intérieur. E Procédé selon la revendication no 1 caractérisé en ce que, cortie de l'espace annulaire, la paroi faisant suite au cylindre extérieur se termine selon un rayon inférieur ou égal au rayon du cylindre intérieur. R 7 Procédé selon la revencication n 1 caractérisé en ce que le fl@ide est aspiré par une pompe ou un ventilateur après qu'il ait quitte l'espace annulaire, cet appareil pouvant être éventuellement lié à de ey:încres tournants. R B @ Procédé selon la revendication n 1 caractérisé en ce que la paroi de l'un dos tylinrlre est percée d'une fente continue ou quasi continue, à entrée éventuellement arrondie, dans la zone de sortie du fluide, fente au trav-rs de laque' le s'échappent les particules a séparer. R 9 Procédé selon la revendication n 1 caractérisé en ce que les particule ayant travers' la paroi tournante de l'un ou l'autre des cylindres tournants sont collectées dans une enveloppe fixe pouvant éventuellement être Mise en légère dépression de telle sorte que les particules qui y sont collectées ne puissent pas revenir inopinèwent dans l'un des milieux 2 ou 3. R .0 Procédé selon la revendication n ; caractérise en ce que le mèlange est introduit dans la zone tournante de l'appareil au travers d'une serin d'aubages de telle sorte que le mouvement initial du fluide dans la repère tournant immédiatement à l'amont des ailettes soit, suivant les cas, soit quasiment radial, soit Quasiment selon une direction parallèle à l'axe du séparateur.