Brevet FR2629371A1 — publié le 19891006

L'invention concerne un dispositif de dépoussièrage de gaz industriels par séparateurs mécaniques - pneumatiques. Des dispositifs de cette nature sont connus. En particulier, les appareils mécaniques du type centrifuge sont parmi les dépoussiéreurs souvent utilisés. Le principe de ces appareils est essentiellement basé sur l'effet de la force centrifuge exercée sur les particules entraînées par le courant gazeux, admis à grande vitesse dans un cylindre vertical de rayon 2 r. La force centrifuge m.#/r, tend à rejeter les particules vers la paroi. Elles glissent alors vers la pointe d'un cône qui prolonge vers le bas la partie cylindrique et récupérées dans un sas d'évacuation. La formule montre que la force centrifuge varie comme le carré de la vitesse d'injection tangentielle et inversement proportionnellement au rayon du cylindre du cyclone. Pour un appareil de dimensions données, l'efficacité est donc très sensible à une variation du débit et baisse rapidement lorsque ce dernier diminue. Suivant l'efficacité recherchée, le débit de gaz traité et la place disponible, on utilise soit des cyclones classiques, soit des multicyclones. Dans les processus industriels à cycle discontinus, par exemple : fours ou séchages thermiques par air chaud de matières minérales, organiques, boues etc..., dont le produit sec est de consistance poudreuse ou granuleuse, il faut tenir compte du fait que les débits de gaz à dépoussiérer peut varier dans de larges limites. Généralement, en fin de cycle, il faut sensiblement diminuer le débit pour éviter des entraînements. trop importants de particules solides sèches. D'autre part, dans des installations de dépoussiérages d'ateliers ou de machines de production, les installations peuvent subir des modifications qui amènent des changements des débits d'air ou de gaz traités. Dans ce cas aussi, le rendement des installations de dépoussiérage pourra subir des variations sensibles de rendement. L'efficacité de dépoussiérage est aussi fonction de la composition granulométrique des poussières à capter. Lorsque le flux d'air ou de gaz contient une partie de particules solides ou poussières de faibles dimensions, par exemple : inférieurs à 10 - 20 microns, les cyclones classiques affichent souvent des faibles rendements. On est alors amené, dans les installations classiques, à utiliser des cyclones montés en série. Si les appareils du type cyclone classique sont d'une conception constructive relativement simple, ce qui explique d'ailleurs leur utilisation très répandue, il résulte ce qui précède, un certain nombre d'inconvénients ennumérés ci-après Rendement très sensible aux variations du débit. Le rendement baisse rapidement lorsque le débit diminue. Si le débit d'une installation de captage de poussières doit être variable par nécessité d'exploitation; par exemple : nombre de points de captage variable dans un atelier, ou par suite d'un processus de fabrication; par exemple : évolution du débit de gaz nécessité par un cycle, le rendement pourra être minimum, précisément dans la période où l'efficacité de l'appareil devrait être maximum; par exemple : lors de la phase finale d'un cycle de déshydratation. Un cyclone classique de dimension déterminée ne réalisera donc un rendement de dépoussiérage satisfaisant que pour un débit bien déterminé, c'est-à-dire le débit nominal. Si le débit tombe en dessous de cette valeur nominale; le rendement baissera rapidement. Si le débit croit au dessus du débit nominal, la perte de charge augmentera avec le carré du débit.L'énergie consommée de- vient alors prohibitive. D'autre part, le dépoussiérage d'un flux de gaz contenant des particules de poussière de faibles dimensions, nécessitent la mise en oeuvre de cyclones branchés en série, conduit à des installations encombrantes, donc à des investissements importants et des grandes consommations d'énergie. La présente invention a pour but de concevoir un dispositif de séparation de poussières comprenant un cyclone muni entre la tubulure d'entrée des gaz et de la partie cylindrique, d'un système à section variable composé d'une série d'aubes directrices à inclinaison variable, dont les axes de rotation sont disposés sur une même circonférence. Lorsque la position angulaire des aubes est modifiée simultanément, les écartements entre ces aubes réalisées avec un certain recouvrement, forment des canaux tangentiels de largeur variable, correspondant à des sections d'injection variables. Par cette disposition constructive, le flux de gaz à dépoussiérer, réparti uniformément par un canal circulaire en forme de spirale logarithmique est injecté tangentiellement dans la partie cylindrique haute du cyclone. Ce système, monté à l'entrée du cyclone permet d'atteindre d'une façon rationnelle, du fait de l'inclinaison variable des aubes du dispositif, les résultats avantageux suivants Pour un cyclone d'une taille donnée et un débit donné, de faire varier à volonté la vitesse d'injection tangentielle dans le cyclone et donc rechercher le rendement de dépoussiérage optimum en fonction de la composition granulométrique des poussières contenues dans-le flux de gaz. Lorsque, pour des raisons d'exploitation ou du processus d'un cycle dans une installation, le débit des gaz à dépoussiérer est variable, on pourra, en agissant sur le système à'inclinaison des aubes, soit maintenir une vitesse d'injection constante, soit moduler cette vitesse de façon à obtenir une optimisation entre le rendement de séparation des poussières et l'énergie de ventilation consommée, ceci étant réalisé dans de bonnes conditions d'écoulement aérodynamique du flux gazeux. Contrairement aux réalisations actuelles, où un nombre important de tailles d'appareils est nécessaire pour couvrir toute la gamme des débits gazeux dans l'industrie, un nombre plus réduit de tailles d'appareils permettra de résoudre avantageusement les problèmes posés. Suivant une autre disposition constructive de l'invention, la section variable à l'entrée du cyclone est réalisée à l'aide d'une seule aube incurvée inclinable, cette aube pivotant autour d'un axe placé à la convergence de la tubulure d'arrivée avec la paroi cylindrique du cyclone. Cette exécution constructive simplifiée, introduit une perturbation locale dans l'écoulement, qui se manifeste par une zône tourbillonnaire d'autant plus importante que la section d'injection est réduite. Pour rendre cette solution praticable dans des conditions d'écoulement satisfaisantes, c'est-à-dire avec des pertes de charge limitées, l'aube sera munie de plusieurs fentes suivant les génératrices de l'aube et réparties sur la longueur du profil, dans le sens de l'écoulement.Ainsi l'aspiration des couches limites successives de l'intrados vers ltextrados réduisent la zone perturbée à l'aval du-profil. D'autre part, dans les installations de dépoussiérage classiques, le ventilateur branché sur la sortie du cyclone sert uniquement à assurer le transfert du flux gazeux. Par son principe même de fonctionnement, un ventilateur communique par l'intermédiaire de sa turbine une action centrifuge importante au flux gazeux qui le traverse. Les aubes à la sortie de la roue, animée d'une grande vitesse périphérique projettent le fluide dans la volute avec une grande vitesse giratoire. La valeur de la force centrifuge est généralement un multiple de celle existant dans le cyclone qui le précède. De ce fait, le ventilateur peut être considéré comme un appareil exerçant un effet séparateur très élevé sur les particules de poussières même fines du flux gazeux dont il effectue le transfert. Les particules centrifugées circulent tangentiellement dans les couches limites contre les parois de la bâche spirale. L'écoulement étant circulaire, obéissant àla loi r x V = Cte, il se superpose à ce dernier, par l'action simultanée de la force centrifuge et des effets de frottement des parois latérales, deux tourbillons secondaires tournant en sens contraire. Les particules chemineront donc tangentiellement, essentiellement dans les couches limites se formant au contact de la paroi radiale et des deux parois latérales. Ce sont précisément ces propriétés particulières d'écoulements qui sont exploitées dans la présente invention pour utiliser le ventilateur comme séparateur centrifuge en deuxième étage, c'est-à-dire branché en cascade sur le cyclone amont. Le flux gazeux provenant du cyclone amont a été dépoussiéré des particules les plus grosses, mais contient encore la partie des particules fines. Ce pourcentage est fonction de la granulométrie des poussières, très variable suivant les applications industrielles concernées. Par son pouvoir séparateur élevé, le ventilateur sera particulièrement apte à éliminer avec un haut rendement les particules fines restantes. Suivant une nouvelle disposition constructive de l'invention, le dispositif consiste à prévoir sur le ventilateur une double paroi autour de la bâche spirale, délimitant un canal circulaire; des fentes radiales réparties sur la périphérie de la bâche, de manière à capter les couches limites cheminant tangentiellement et latéralement contre les parois de la bâche spirale et dans lesquelles sont concentrées les particules de poussière. Les fentes réparties sur la circonférence et captant les couches limites, au fur et à mesure de leur formation, agissent comme amortisseurs sur la formation des tourbillons secondaires et favorisent sensiblement la concentration des poussières dans les zônes de récupération et améliorent encore le rendement de captage tangentiel et latéral. Une autre variante conctructive prévoit un dispositif de captage reporté à l'extérieur du ventilateur, sur un conduit de préférence courbe, branché sur la bride de sortie de la bâche spirale du ventilateur. Dans une version, le flux d'extraction tangentiel et latérål,collecté dans le canal de captage, et injecté, comme débit de recyclage, sur le canal d'arrivée du cyclone, d'une façon diamétralement opposée à la tubulure de raccordement du flux principal, par l'intermédiaire d'un convergent, donnant à ce flux de captage une grande vitesse tangentielle, améliorant ainsi par son apport énergétique le rendement du cyclone primaire. Dans une autre version, le flux d'extraction est dirigé sur un dispositif éjecteur aménagé autour de l'orifice de sortie du cône du cyclone. Le flux d'extraction, dont le niveau d'énergie potentielle correspond à la pression de refoulement du ventilateur, est fortement accéléré dans un canal annulaire circulaire précédé d'un convergent et disposé autour de l'orifice de sortie du cône du cyclone.Le dispositif ainsi constitué éjecte en continu les poussières séparées par le cyclone. En plus des poussières, le dispositif éjecteur aspire une partie du tourbillon central se formant à la base du cône du cyclone. Ce tourbillon présente une certaine concentration de poussières. Dans les cyclones classiques, ce tourbillon avec les poussières qu'il contient, est partiellement réaspiré vers le haut, à travers le tube central du cyclone et évacué avec le flux principal, diminuant ainsi le rendement de dépoussiérage. Dans cette dernière version le rendement du cyclone se trouve donc nettement amélioré. Une vanne permet de régler le débit extrait qui est renvoyé dans l'enceinte d'où provient le flux principal; par exemple : l'enceinte d'un deshydrateur. Un dispositif comprenant une fourche avec deux doigts pénétrant dans l'espace annulaire de l'éjecteur et entraîné en rotation par un axe moteur, évite le colmatage de cet espace. Ainsi selon l'invention, le nouveau système de dépoussiérage comprenant le cyclone primaire avec son dispositif injecteur à section variable et le ventilateur centrifuge aménagé en séparateur secondaire disposés en cascade, constitue un ensemble à la fois plus compact, plus performant sur le plan du rendement de dépoussiérage. De plus, l'investissement sera inférieur et la consommation d'énergie plus faible par rapport à un système classique visant un résultat de dépoussiérage équivalent. D'autre part, le -système pourra s'adapter d'une façon souple aux différentes conditions d'exploitation, en particulier à des débits variables. La description qui va suivre, faite en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs, permettra de mieux comprendre l'invention. Dans ces dessins la fig. 1 représente schématiquement, une vue en élévation du dispositif cyclone et ventilateur. la fig. 2 représente schématiquement, une section suivant le plan radial 1 - 1 du dispositif d'injection à l'entrée du cyclone. la fig. 3 représente schématiquement, une coupe transversale à travers la bâche spirale du ventilateur. la fig. 4 représente schématiquement, une coupe à travers une fente par le plan 11 - 1l de la bâche spirale. la fig. 5 représente schématiquement, une vue en élévation du dispositif cyclone et ventilateur. la fig. 6 représente schématiquement, une section suivant plan 111 - 111 du dispositif d'injection à l'entrée du cyclone. la fig. 7 représente schématiquement, une section transversale d'une fente du conduit extérieur suivant 1V - 1V. la fig. 8 représente schématiquement, une section à travers le dispositif éjecteur suivant V - V à la sortie du cane du cyclone. Suivant les fig. 1 et 2, le flux de gaz arrive par la tubulure 1 puis est réparti uniformément par le canal circulaire 2 sur l'ensemble des aubes directrices à inclinaison variable 3 par rotation autour des axes 3a disposés sur une même circonférence. Dans leur zône de recouvrement des extrémités d'aubes ces dernières forment des canaux 4 de largeur variable en fonction de leurs positions angulaires. Ces canaux de largeur variable déterminent des sections variables d'injection du flux du gaz; permettant ainsi : soit de faire varier à volonté la. vitesse d'injection tangentielle dans la partie haute cylindrique 20 du cyclone; soit de maintenir la vitesse d'injection constante lorsque le débit du flux gazeux diminue.L'inclinaison simultanée et symétrique des aubes directrices 3 est obtenue par un dispositif de commande mécanique pouvant lui-même être actionné avantageusement par un servò- moteur. La fig. 6 montre une autre exécution, bien que moins performante, dans laquelle la variation de la section d'injection 4a est obtenue par une aube incurvée unique 5 pivotant autour de son axe 6 et comportant une série de fentes 7 orientées suivant des génératrices et réparties sur la longueur du profil, dans le sens de l'écoulement; ces fentes reliant l'intrados à l'extrados, permettant ainsi de réduire les décollements des veines et par là, de limiter la zône tourbillonnaire 4b à l'aval de l'aube. Les fig. 1 et 5 montrent aussi une coupe à travers le ventilateur centrifuge 8 relié au cyclone 20 par le conduit d'aspiration 24 le ventilateur comprenant un canal de captage périférique 10 délimité par la paroi tangentielle 9 du ventilateur et une double paroi 9a. Des fentes tangentielles 11 aménagées dans la paroi tangentielle 9 et des fentes radiales symétriques 12 aménagées dans les parois latérales; les fentes étant réparties sur la périphérie de la bâche - spirale, permettrant l'extraction et le captage des couches limites de fluide circulant au contact des parois et véhiculant les particules de poussières. La fig. 3 montre les tourbillons secondaires 14 et 14a induits dans la volute et amortis par les fentes d'extraction. Suivant une exécution de la fig. 1, lé flux d'extraction collecté en 15, le débit étant réglé par le clapet 16 est transféré par le conduit 17 à travers le convergent 18, puis injecté dans le canal circulaire 2 du cyclone 20. Les poussières accumulées à base du cône 21 du cyclone,sont dans ce cas, transférées à travers une écluse 22 vers le sas d'évacuation 23. Les fig. 5 et 7 montrent une autre coupe à travers le ventilateur 8, avec en variante, un système de captage des poussières aménagé sur un conduit extérieur 25 de préférence courbe, branché sur -la bride de sortie de la bâchespirale; le système de captage des couches limites comprenant deux séries de fentes tangentielles 26, 26a et de fentes radiales 27, 27a. La fig. 5 montre une autre version, dans laquelle les débits de captage, réglés par les clapets 28 et 29 sont transférés par le conduit 30 à la volute 31 assurant la répartition circulaire du flux de captage et au convergent 32 alimentant un canal annulaire 33 disposé autour de l'orifice de sortie du cône 34 du cyclone. Ce dispositif constitue un éjecteur avec diffuseur 35 qui élimine en continu d'une part . les particules de poussières qui s'accumulent contre les parois de la basfdu cône 21, et d'autre part le tourbillon de gaz au centre du cône, également chargé de poussières. Ces dernières sont évacuées, mélangées au flux d'extraction, par le conduit 36, le débit total étant réglé par la vanne 37 et dirigé vers l'enceinte d'où provient le flux principal. Un dispositif mécanique comportant une fourche avec deux doigts 38 pénétrant dans le canal annulaire 33 et maintenue en rotation par un axe motorisé 39, évite le colmatage du canal. -REVENDICATIONS 1. Un dispositif #de dépoussiérage de l'air ou de gaz comprenant un cyclone et le ventilateur centrifuge de transfert dont l'aspiration est branchée en série sur le conduit de sortie du cyclone, caractérisé en ce que le cyclone comporte entre la tubulure 1 d'arrivée du flux de gaz et la partie r cylindrique haute, intérieure 20 un dispositif à section d'injection variable par aubes inclinables, et en ce que l'ensemble formé par le ventilateur centrifuge et le premier élément du conduit de refoulement branché sur la bride de sortie de la volute du ventilateur 8 comporte un dispositif de captage des couches limites par fentes tangentielles et fentes latérales. 2. Un dispositif de dépoussiérage selon revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à section d'injection variable du cyclone comprend entre la tubulure d'arrivée 1 et la partie cylindrique haute 20 du cyclone une série d'aubes directrices inclinables 3 pivotant autour de leurs axes de rotation 3a disposés sur une même circonférence et dont la rotation simultanée détermine dans les zônes de recouvrement des extrémités de ces aubes, des canaux 4 de sections-d'injection variables. 3. Un dispositif de dépoussiérage selon revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif à section d'injection variable du cyclone comprend entre la tubulure d'arrivée 1 et la partie cylindrique haute 20 du cyclone, un seul profil inclinable 5 pivotant autour de son axe rotation 6, cet axe étant plaeé au point de convergence de la face de la tubulure 1 avec la fin de la volute, le profil comportant une série de fentes 7 suivant des génératrices, réparties sur la longueur du profil et reliant l'intrados avec l'extrados de ce profil. 4. Un dispositif de dépoussiérage selon revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le ventilateur centrifuge 8 comprend un dispositif de captage des couches limites constitué par un canal de captage périphérique 10 délimité par la paroi tangentielle 9 du ventilateur et la double paroi 9a, des fentes tangentielles 11 aménagées dans la paroi tangentielle 9 et des fentes radiales symétriques 12 aménagées dans les deux parois latérales 13, les fentes 11 et 12 étant réparties sur la périphérie de la volute, le débit total de captage étant collecté dans le canal 10, évacué par le conduit 15 et réglé par le clapet 16. 5. Un dispositif de dépoussiérage selon les revendications 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le dispositif de captage des couches limites aménagé dans le premier élément du conduit de refoulement 25, de préférence courbe, branché sur la bride de sortie de la volute, comprend deux fentes tangentielles 26, 26a et deux séries de fentes latérales symétriques 27, 27a, les débits d'extraction étant évacués et réglés par les clapets 28, 29. 6. Un dispositif de dépoussiérage selon les revendications 1, 2, 3, 4 et 5, caractérisé en ce que un conduit 17 et un convergent 18, raccordé au canal circulaire 2 du cyclone en 19, permettent le recyclage des flux de captage dans le cyclone. 7. Un dispositif de dépoussiérage selon les revendications 1, 2, #3, 4 et 5, caractérisé en ce que le conduit 30, raccordé à la volute 31 comprenant un convergent 32, prolongé par un canal annulaire d'éjection 33 disposé autour de l'orifice 34 de sortie du cône 21 du cyclone, ce dispositif éjecteur étant prolongé par un diffuseur 35 et une vanne de réglage 37, permettent de recycler l'ensemble des flux vers l'enceinte d'où provient le flux principal.