Brevet FR2663864A1 — publié le 19920103

ELECTRODE POUR DISPOSITIF DE TRAITEMENT ELECTROSTATIQUE DE FLUIDES ET DISPOSITIF DE TRAITEMENT INCORPORANT LADITE ELECTRODE L'invention concerne une électrode pour dispositifs de traitement électrostatlque des fluides utilisés notamment pour le traitement des eaux et pour le traitement des carburants de moteurs à combustion interne. Une cellule de traitement électrostatique présente un jeu d'électrodes dont au moins une est isolée du liquide à traiter par une couche de matière isolante. Il est connu, notamment du brevet GB-A-l.274.902 d'utiliser des électrodes de traitement constituées d'une âme métallique de forme plane ou cylindrique recouverte d'une couche de matière isolante d'épaiseur constante. La réalisation technique de ce type d'électrodes est délicate et coûteuse. Elle s'effectue le plus souvent en moulant par injection une matière plastique sur l'âme métallique ou par l'utilisation de gaines rétractables de polyté trafluorèthylène. L'invention a pour objet de proposer des électrodes de traitement de fluide améliorées au niveau de la fabrication, du coût et de l'efficacité. Plus particulièrement, l'invention propose une électrode pour dispositif de traitement électrostatique de fluides caractéri- sée en ce qu'elle comporte une structure à paroi mince en ma tière isolante recouverte d'un revêtement électriquement conducteur sur l'une de ses faces, ladite face étant destinée à être isolée du fluide à traiter. Avantageusement, la matière isolante est une matière plasti que, de préférence un polymère choisi dans le groupe des polystyrènes, ABS, polycarbonates, PVC, PTFE et FEP. Le large choix des matières utilisables permet d'obtenir à faible coût des structures à paroi mince de la forme la plus appropriée à l'application envisagée à partir des procédés classiques de plasturgie, des polymères, tels que l'injection, l'extrusion, le soufflage et le thermoformage. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le revêtement électriquement conducteur est constitue par un film de résine naturelle ou synthétique chargée d'une poudre de ma teriau électriquement conducteur, de préférence de métal. Avantageusement, le revêtement conducteur est constitue de résine acrylique chargée d'une poudre de nickel. Le film de résine, qui est liquide dans un premier temps, est appliqué tel une peinture ou un vernis, après avoir ete mélange à un solvant. En choisissant un solvant compatible avec la matière plastique constitutive de la structure à paroi mince, on assure un contact parfait entre cette matière isolante et le film conducteur, ce qui améliore sensiblement le passage des charges électriques dans l'interface métal-polymère et par là-même les propriétés de traitement électrostatique de 1 'électrode. L'invention concerne également un dispositif de traitement électrostatique comportant au moins une électrode selon llin- vention définie ci-dessus, ladite électrode présentant de préférence une géométrie autorisant ou favorisant un écoulement turbulent du fluide à traiter. Selon un premier mode de réalisation d'un dispositif selon l'invention utilisable pour le traitement des eaux sanitaires, au moins une électrode présentant une forme allongée est montee en position centrale dans le corps tubulaire d'un collecteur d'eau, de manière à créer très rapidement le traitement par contact et par t#rbulence du fluide à traiter. Avantageusement, l'électrode se présente sous la forme d'un manchon cylindrique fermé à une extrer.ite et dont l'autre ex trématé est solidaire d'un bouchon monté au bout du corps tu bullaire. Selon un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'in- vention, le dispositif comporte des moyens de balayage de la surface active de l'électrode, cette dernière étant montée de façon coaxiale dans un corps cylindrique. Avantageusement, les moyens de balayage comportent des balais susceptibles d'un mouvement relatif de rotation par rapport à la surface à nettoyer. Ce mode de réalisation est bien adapté pour le traitement des eaux industrielles. Selon encore une autre mode de réalisation de l'invention, le dispositif comporte dans le passage du fluide à traiter des moyens formant déflecteur et mélangeur de fluide pour favoriser un écoulement turbulent dudit fluide au voisinage de l'électrode et d'obtenir rapidement un mélange homogène des couches doubles traitées electriquement avec le reste de fluide. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparai tront à la lecture de la description qui va suivre et qui se réfère aux dessins ci-joints dans lesquels La figure l est une représentation schématique en coupe longi tudinale d'un dispositif de traitement électrostatique selon l'invention, la figure 2 est une représentation schématique, selon deux variantes, d'un autre mode de réalisation d'un dispositif selon l'lnvention, et la figure 3 est une rèprésentation schématique éclatée d'un troIsIème mode de réalisatIon d'un dispositif selon l'inven- tion. Le dispositif de traitement électrostatique de fluides illus- tré à la figure 1 comporte un corps tubulaire cylindrique 12 obturé à chaque extrémité par un jeu de plaques 14 et 16. Le corps présente deux orifices 18 et 20 de raccordement au circuit de fluide à traiter, un circuit fermé d'eaux indus trlelles à titre d'exemple non limitatif. Le corps 12 est de préférence en PVC. Disposée axialement au corps 12, se trouve une électrode 22 dite émissive de charges convenablement reliée à la haute tension HT. Selon l'invention, l'électrode 22se compose d'une structure à paroi mince 24 en matiere isolante reccuserte sur une des faces par un revêtement électriquement conducteur 26 (repré- senté par commodité sur la figure 1 par un trait épais volontairement grossi). Dans l'exemple ici décrit à titre d'exemple non limitatif, la structure 24, constituée d'un élément tubulaire creux fermé, porte le revêtement conducteur 26 sur sa face Interne destinée à être Isolée du fluide à traiter. Ce revêtement et relie à la haute tension HT par un fil conducteur 28 convenablement isolé et dont une extrémité est soudée au revêtement 26. La structure tubulaire 24 est maintenue en position dans le corps 12 par l'intermédiaire d'un axe de mon tase 27. Toujours dans le cadre de l'invention, la matière isolante de la paroi de l'électrode est une matière plastique de preférence de type polymère choisi dans le groupe des polystyrènes, ABS, polycarbonates, polychlorure de vinyl (PVC), polytétra- fluoréthylène (PTFE) et le copolymère tétrafluorêthylène-per- fluoropréne (FEP). Lorsque la structure à paroi mince de l'électrode présente des qualités diélectriques très elevees tel que le PTFE ou le FEP qui ont une rigidité diélectrlque de 34 KV/mm pour une épaisseur de lmm avec une constante dlélectrique à 106 Hz de 2,1, l'épaisseur peut être de l'ordre de 0,5 à lmm sous 10 KV. L'emploi du PVC par exemple, qui a une moins bonne rigidité diélectrique et moins bonne constante diélectrique demande une épaisseur de 3 à 5 mm sous 10 KV. En règle générale, plus les qualités diélectriques du polymère sont bonnes, plus l'épaisseur de la paroi de l'électrode peut diminuer. Avant la fermeture du tube PVC constitutif de la structure 24, un film de revêtement électriquement conducteur a été appliqué sous forme liquide, comme une peinture ou un vernis. le revêtement est composé d'un liant en résine naturelle ou synthétIque chargée d'une poudre de matériau électriquement conducteur, tel un métal ou du carbone. A titre d'exemple non limitatif, le revêtement est composé d'une résine acrylique chargée d'une poudre de nickel. L'application du revêtement est facilitée par mélange d'un solvant également compatible avec le polymère constitutif (ici le PVC) de la structure 24, par exemple un solvant à base de cétones ou d'acétates. Il en résulte un contact parfait à l'interface revêtement-isolant par suite de la dissolution des couches de surface du polymère. La géométrie de l'électrode par rapport au passage 30 laissé au fluide pour s'écouler au travers du corps 12 est aussi importante. Une grande surface d'électrode ne sera pas recherchée. La géométrie de l'électrode conditionnera égale- ment l'efficacité du traitement qui ne sera pas dépendant de la surface mais de la forme qui augmentera la turbulence. L'électrode doit permettre de favoriser une turbulence de l'écoulement tout en créant un phénomène de surface de contact nécessaire au traitement du fluide, que ce fluide soit de conductivité élevée ou diélectrique. Cette électrode peut prendre dans la cellule une forme hélicoïdale, cruciforme, cylindrique ou plane (par exemple sous la forme de plaque creuse), d'un ou plusieurs cylindres positionnés transversalement ou parallèlement à l'écoulement, ou de toutes formes permettant de créer la turbulence sans le décollement de la veine fluide. Dans tous cas de figure, une grande surface se contact entre l'électrode et le fluide ne sera pas recherchée, bien que n'étant pas incompatible avec l'invention. Cette géométrie appropriée permettra de passer très vite de l'écoulement laminaire à l'écoulement turbulent en réduisant la zone dite de transition et en favorisant l'instabilité de la couche limite en la rendant tourbillonaire. La turbulence du fluide sera également engendrée par la géometrie et la rugosité de la paroi de l'électrode. L'état de rugosité provoque une agitation locale de turbulence qui est d'autant plus élevée que la rugosité est plus importante. La mise en oeuvre de la cellule de traitement se fait par l'application d'une différence de potentiel élevée (5 à 10 KV pour des liquides aqueux) entre le revêtement et le liquide à traiter circulant entre les orifices 18 et 20 selon le sens Fi - > F2 ou inversement. Ce liquide sera au même potentiel que la masse du générateur ET (non représenté) elle-même reliée à la masse générale de l'installation. Dans le dispositif présenté (doté d'un corps 12 en PVC), le liquide est mis à la masse de l'installation par une conduite métallique 32 solidaire de l'orifice d'entrée 18, et qui fait office de contre-électrode. Lorsqu'une différence de potentiel est appliquée entre le revêtement électriquement conducteur et la masse de l'installation, il se produit un phénomène de surface entre l'isolant et le fluide à traiter. Avec ou sans tension, le contact entre le fluide à traiter et l'électrode fait apparaître une double couche qui est due aux phénomènes d'absorption préférentielle. Cette double couche est composée d'une couche compacte accolée à la paroi, dont l'épaisseur est toujours extrêmement faible (de l'ordre du rayon ionique) et d'une couche diffuse dont la dimension, liée à la conductivité peut varier d'une fraction de micromètre, dans le cas des solutions aqueuses, à plusieurs centimètres dans le cas d'hydrocarbures très purifiés ou de gaz liquéfiés. Lors de la mise sous tention de l'électrode, le revêtement diélectrique est soumis à un champ électrique insuffisant pour provoquer sa détérioration, mais suffisamment fort for entrai- ner la migration de charges electriques dans les impuretés du réseau cristallin du diélectrique. A ce stade, les qualités du contact film métallique-polymère obtenue par les électrodes selon l'invention est primordiale Cette migration provoque un phénomène de surface en contact entre cette couche isolante et le fluide à traiter. Ce phénomène de surface se traduIt par l'apparition d'une densite de charges à l'interface polymère-f lulde dans la double couche. Cette densité de charges provoque une concentration d'ions dans la couche diffuse, concentration qui a pour effet d'accélérer, dans le cas du traitement de l'eau, les réactions de cristallisation de germes CaC03 (élévation des ions bicarbonate C03H-, hydroxyle OH- et de calcium Ca++ dans la couche en contact avec le polymère). Dans la mesure ou la vItesse de passage du fluide dans la cellule de traitement maintenant un écoulement turbulent le long de l'électrode émissive (avec des mouvements du fluide transversaux par rapport à l'écoulement général du fluide à l'inte- rieur 30 du corps 12), la surface de l'électrode émissive peut être faIble. En effet; de tels mouvements transversaux provoquent une migration plus importante de charges dans le fluide à traiter. Il est à noter que la facilité d'application du revêtement conducteur sous la forme liquide permet d'utiliser des formes d'électrodes les plus diverses et aussi les plus appropriées selon l'invention, sans risque des défauts ponctuels lors de l'application. Cette particularité permet d'utiliser pleinement les capacités d'obtention de formes offertes par la plasturgie des polymères (injection, extrusion, etc...). Selon une caractéristique intéressante du mode de réalisation de l'invention illustré à la figure 1, la cellule de traitement comporte des moyens de balayage de la surface active de l'électrode 22. Ces moyens sont constitués par l'association d'un ou plusieurs balais montés en affleurement par rapport à l'électrode 22 et solidarisés au corps cylindrique 12 le long d'une génératrice, et du montage en rotation de l'ensemble électrode 22/axe 27 par rapport au corps 12. A cet effet, l'axe 27 se projette à l'extérieur du corps 12 et porte un volant d'actionnement manuel 36 susceptible de mouvement de rotation en va-et-vient selon la flèche F3. Cet équipage de nettoyage est particulièrement intéressant pour les grosses installations fonctionnant en circuit fermé telles que des installations industrielles de peinture. En effet, les ions négatifs présents au voisinage de l'élec- trode favorisent la production de germes de carbonates de calcium au voisinage de celle-ci (évitant ainsi la cristallisation du tartre sur les parois des conduits de l'installation) et par là-même le dépôt de boue colloïdale sur la surface active de l'électrode. Un nettoyage régulier permet ainsi de maintenir le tartre en suspension. Sans sortir du cadre de l'invention, d'autres modes de réali- sation utilisent pour actionner l'axe 27 un moteur électrique ou le courant de fluide circulant dans la cellule de traitement. Dans ce dernier cas, le balai de forme hélicoidale est monté libre de rotation autour de l'électrode 22. Il est à noter que ce nettoyage permet la diffusion dans les couches doubles des charges émises par l'électrode. La figure 2 montre deux variantes 100 et 200 d'un autre mode de réalisation de l'invention. Dans ces variantes, l'électrode emlsslve est réalisée directement à partir d'une portion 12, 202 en matière isolante (par exemple PVC) de la conduite du fluide à traiter (la variante 100 est monotube 104 tandis que la variante 200 présente plusieurs tubes 204 de dIamètre ré duit). La face externe des tubes 104 et 204, isolée du fluide à traiter, 106 et 206 sur lequel est soudé un fil de raccordement, est recouverte d'un revêtement électrIquement conducteur 108 et 208 au générateur HT. Le revêtement conducteur est du type présenté auparavant.Le revêtement conducteur est pro tégé et isolé de l'extérieur par une enveloppe externe diélectrique, par exemple un vernis, (non représentée sur la figure 2). Enfin, l'électrode de masse est constituée par une partie métallique 110, 210 de la conduite du fluide convenablement reliée à la masse générale de l'installation. Le dispositif selon l'invention 100 du type monotube représente à la figure 2 comporte des moyens formant déflecteur et mélangeur de fluide. Blus particulièrement, un mélangeur static e 210 composé d'un ou de plusieurs éléments de mélange décalés de 900 les uns par rapport aux autres et fixés longitudinalement dans le corps 104 de la cellule de traitement permet d'obtenir très rapidement un mélange homogène des couches doubles traitées électriquement avec le reste du fluide, et de diminuer considérablement la taille de la cellule. Le mélangeur statique 210 améliore l'effIcacité de traitement par une division de l'écoulement, un balayage et un brassage constant des couches doubles traitées électriquement et pre- sentes à l'interface polymère-fluide et permet de diminuer dans des proportions importantes la taille de la cellule. En effet, dans un tube drolt, non équipé, la turbulence ne suffit pas pour obtenir un mélange homogène parfait entre les couches doubles et le reste de la solution ; il faut une longueur de tube de l'ordre de 100 fois son diamètre pour mélanger par turbulence des constituants ne présentant pas de différence de densité. Le mélangeur statique 210 peut prendre la forme de dIèdres, d'éléments helicoïdaux, ou obliques qui se croisent, ou de canaux d'écoulement ouverts et croisés, engendrant un brassage radial intense avec une dispersion axiale Inverse réduite par homogeneïsation du profil de vitesse. Dans une autre variante non représentée de l'invention, le(s) tube(s) formant électrode, est (sont) pourvu(s) de projections radiales Internes, par exemple des pointes (éventuellement décalées) pour favoriser l'écoulement turbulent du fluide à travers le(s) tube(s). La figure 3 montre une vue éclatée d'un troisième mode de réa libation de ''invention utilisable dans des installations de distribution d'eau sanitaire. La référence 300 se rapporte au corps tubulaire métallIque d'un collecteur dont une extrémité 301 reçoit l'orifice 302 d'arrIvée de l'eau. Des orifices 304 de sortie sont montés en espacement régulier sur le corps 300 du collecteur lui-même relié à la masse de l'installation. L'électrode émissive 306 se compose d'un tube creux en matière isolante 308 fermée à une extrémité et dont l'autre extrémité est solidarisée à un bouchon 310 vissable sur l'extrémité disponible 303 du corps tubulaire 300. La face interne du tube creux 308 est recouverte du revêtement isolant 309 relié au générateur HT par un fil de raccordement 312 traversant le bouchon 310. Après montage de l'électrode 306, celle-ci est dIsposée dans le corps 300 de façon coaxiale sensiblement en vis-à-vls des orifices de sortie 304, la longueur axiale de la surface active de l'électrode (recouverte du revêtement 309) étant dimensionnée en conséquence. Les dimensions de l'électrode 306 et sa disposition par rapport au corps 300 sont choisies pour créer rapidement le traitement par contact et par turbulence du fluide à traiter. Le nettoyage de l'électrode 306 se fait aIsément en démontant le bouchon 310. Sans sortir du cadre de l'invention, l'électrode 306 peut être substituée par une pluralité d'électrodes (non representées) solidaires du bouchon 310. L'invention n'est pas limitée aux traitements électrostatiques des fluides aqueux mais s'applique également à tous les fluides sensibles aux traitements électrostatiques, notamment aux produits pétroliers, en particulier aux carburants pour moteur à combustion interne. En effet, les phénomènes qui entrent en jeu pour améliorer la pulvérisatIon du carburant dans la chambre de combustion ne font pas appel à des champs électromagnétiques ou électriques à travers le fluide, mais partent du phénomène de transport de charges électriques et de polarisation par écoulement et par contact d'un dlélectrique liquide. La différence de potentiel qui est de l'ordre de 5 à 10 kv entre l'électrode de traitement et la masse de l'installation pour les fluides aqueux sera de 30 à 50 kv pour les produits combustibles pétroliers dans le but d'augmenter la concentration d'éléments charges en surface d'électrode, et d'engendrer le transport de charge. Ce transport de charge est du à la convection d'une partie de la double couche électrique apparaissant au contact isolantfluide à l'Intérieur de la cellule de traitement. Dans ce cas, le jet de combustIble traité électriquement per et d'atteindre le rebord de la chambre de combustion dans les moteurs thermiques diesel et d'améliorer la qualité de pulvérIsatIon pour les moteurs essence ou les bruleurs. L'écoulement turbulent du carburant dans la cellule permettra de perturber la distribution de charge donnée par l'isolant au sein de la couche diffuse. Pour amélIorer la turbulence et favoriser le mélange de la couche limite, des variantes de réalisation incorporent des marques formant déflecteur et mélangeur de fluide pr exemple du type présenté en référence au dispositif illustré à la figure 2. L'invention est également applicable- à l'amélioration de l-'-ef flcacité de la pulvérisation de produits phyto-sanltaires lors d'épandages agricoles. En effet, le traitement électrostatique a pour effet de charger électrIquement les gouttelettes pulvérisées et de finement diviser l'épandage. REVENDICATIONS 1/ Electrode pour dispositif de traitement électrostatique de fluides caractérisée en ce qu'elle comporte une structure à paroi mince (24, 104, 204, 308) en matière isolante recouverte d'un revêtement électriquement conducteur (26, 106, 206, 309) sur l'une de ses faces, ladite face étant destinée à être iso lée du fluide à traiter. 2/ Electrode selon la revendication 1 caractérisée en ce que la matière isolante est une matière plastique, de préférence un polymère choisi dans le groupe des polystyrènes, ABS, polycarbonates, PVC, polytétrafluoréthylêne (PTFE) et le copolymère tétrafluoréthylène-perfluoroprène (FEP). 3/ Electrode selon l'une des revendications précédentes carac térisée en ce que le revêtement électriquement conducteur est constitué par un film de résine naturelle et synthétique chargée d'une poudre de matériau électriquement conducteur de préférence en métal. 4/ Electrode selon la revendication 3, caractérisée en ce que le revêtement conducteur est constitué de résine acrylique chargée d'une poudre de nickel. 5/ Electrode selon les revendications 2 et 3, caractérisée en ce que le revêtement conducteur est appliqué sur la paroi en matière plastique sous forme liquide après mélange avec un solvant compatible avec la résine et la matière plastique utIlisées. 60 Electrode selon l'une des revendIcatIons précédentes, ca actérlsée en ce que la structure en matière isolante se présente sous la forme d'une structure creuse à paroi mince (24, 308) dont la face interne est recouverte du revêtement conducteur (26, 309). 7/ Electrode selon l'une des revendications 1 à 5, caracterisée en ce que la structure en matière isolante se présente sous la forme d'un tube (104, 204) dont la paroi externe est recouverte du revêtement conducteur (106, 206) lui-même protégé par une enveloppe externe en matériau diélectrique. 8/ Electrode selon la revendication 7, caractérisée en ce que le tube est pourvu de projections radiales Internes (éventuellement décalées) pour favoriser l'écoulement turbulent du fi de à travers le tube formant électrode. 9/ Dispositif de traitement électrostatique de fluides, carac térisé en ce qu'il comporte au moins une électrode (22, 100, 200, 306) définie selon l'une des revendications précédentes, ladite électrode présentant de préférence une géométrie autorisant un écoulement turbulent du fluide à traiter. 10/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une électrode (306) présentant une forme allongée et est montée en position centrale dans le corps tubulaire (300) d'un collecteur d'eau. il/ Dispositif selon la revendication 10, caractérisé en ce que ladite électrode (306) se présente sous la forme d'un man chon cylindrique (308) fermé à une extrémité et dont l'autre extrémIté est solidaire d'un bouchon (310) monté en bout du corps tubulaire (300) du collecteur. 12/ Dispositif selon la revendication 9 du type dans lequel ladite électrode (22) est montée de façon coaxiale dans un corps cylindrique caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de balayage de la surface active (34, 36) de ladite électrode (22). 13/ Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que lesdits moyens de balayage comportent des balais (34) susceptibles d'un mouvement relatif de rotation par rapport à ladite surface (24) à nettoyer. 14/ Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte dans le passage du fluide à traiter des moyens formant déflecteur et mélangeur de fluide pour favoriser un écoulement turbulent dudit fluide au voisinnage de l'électro- de, et d'obtenir rapidement un mélange homogène des couches doubles traitées électriquement avec le reste du fluide.