Brevet FR2763515A1 — publié le 19981127

La présente invention concerne la séparation des particules solides en suspension dans les flux gazeux ou liquides par filtration; également la séparation des gouttelettes liquides dans les flux gazeux; ainsi que la séparation de phases liquides/liquides. Les flux sont mis en mouvement par convection ou par un moyen mécanique, alternatif ou rotatif, animé par un moteur, par exemple thermique ou électrique. On peut citer les compresseurs considérés soit du coté entrée , ou admission, soit du côté sortie, ou échappement. L'invention pouvant dans ces applications, concerner simultanément les réducteurs de bruit, communément appelés silencieux d'admission ou d'échappement. Elle intéresse les filtres montés sur l'admission des moteurs thermiques à piston, ou du type turbine, l'épuration, des gaz d'échappement de ces mêmes moteurs, et des fumées résultant de combustions dans les chaudières ou incinérateurs. Les réacteurs chimiques industriels sont concernés pour la séparation des catalyseurs poudre en suspension dans les produits de la réaction chimique. Elle s'applique également aux ventilateurs tournants, utilisés pour l'aération, le chauffage ou le refroidissement forcés, deux cas ou l'on ne souhaite pas propulser dans le volume traité les particules en suspension dans le gaz. On peut aussi citer les installations d'abrasion qui doivent comporter de puissants aspirateurs d'air, emportant les particules de l'abrasif, et de l'abrasé, et débouchant dans d'importants capteurs de particules, dont la fonction est de les retenir avant de renvoyer dans l'atmosphère le gaz, de l'air en général mais pas nécessairement, aussi propre que possible. Les machines industrielles ou domestiques, de nettoyage par aspiration, sont particulièrement améliorées par les dispositifs relevant de cette invention. C'est la raison pour laquelle, et afin que soit décrite de manière très concrète l'évolution technique proposée, nous décrivons l'invention dans le cas de ces machines de nettoyage par dépression, couramment appelées aspirateurs industriels ou domestiques, utilisés très fréquemment pour l'enlèvement de particules solides, depuis les fines micrométriques jusques aux gravelles millimétriques, tout particulièrement sur les sols. Les figures 1, 2, 3, 4, des planches 1/7, 2/7, représentent des dispositifs très courants dans ce domaine du nettoyage par aspiration. La description ci dessous s'applique aux quatre figures, à 2 variantes près signalées dans le texte. Chaque machine comporte un groupe aspirant-refoulant g, de conception alternative ( symbole utilisé pour les figures, non limitatif), ou plus souvent rotative, animé par un moteur le plus fréquemment électrique, quand cette forme d'énergie est disponible, sinon d'une autre nature tel que moteur thermique. En amont du flux, se trouve une crépine c, qui dans le cas des machines représentées sur les figures 1, 2, 3, supporte un filtre extérieur f, soumis à la pression du gaz devant traverser ses porosités. Ce filtre f peut être constitué par une surface de papier poreux, ou par une toile poreuse, ou par les deux, le papier étant en amont dans le flux et considéré comme élément à jeter après usage. Dans la machine schématisée en figure 4, le filtre est constitué plus rarement par un seul papier, plus souvent par une toile soutenant fréquemment, mais pas obligatoirement, un sac en papier jetable après usage. Le tout se tenant en forme par 1' effet de pression de l'air. L' ensemble est installé sur un récipient r, qui sert de châssis porteur, et de décanteur pour les plus gros débris d ( cas des figures 1, 2, 3); ils sont éventuellement munis de chicanes k, comme dans la figure 3. Chaque machine présente, du fait de ce récipient r, un volume v très important. Schématiquement et fonctionnellement, ces dispositifs comportent successivement, dans le sens du flux, une admission a, arrivée de 1' air chargé de particules solides un volume de décantation v, éventuellement avec chicane k un filtre f, papier et/ou toile, perméable au gaz une crépine c un groupe g, qui propulse le flux gazeux 5. un échappement e L'air porteur des particules en suspension, admis en a, en transit tourbillonnaire dans v, perd par gravité, par décantation, les particules les plus pesantes en regard de leur portance, qui tombent au fond de r ( fig 1, 2, 3) ou f (fig 4). Les plus fines restent en suspension, et parviennent au filtre f. En fonction de leur taille, des dimensions de la trame de f, ou de la taille des pores subsistant après chargement de f par les poussières antérieurement traitées, elles seront arrêtées ou emportées par le flux d' air et rejetées dans 1' atmosphère. La fonction filtre, caractérisée par la taille des particules passantes, n' est pas constante pendant le service. La figure 14 de la planche 7/7, représente en abscisse T, la durée de fonctionnement, ou la quantité de solide enlevé et arrêté, qui augmentent l'une avec l'autre, en ordonnée la taille tp, des particules solides traversant l'appareil et rejetées dans l'atmosphère. La taille initiale tpi, dépend de la trame du filtre f; elle décroît au fur et à mesure du chargement de f par un lit de fines solides. La courbe ET décrit la caractéristique de filtration d'un appareil dans l'état actuel de la technique. Le matériel expérimental utilisé, représenté sur la figure 1 est constitué par un récipient r, de diamètre 3 dm, et de hauteur 3 dm. Le diamètre de a, l' admission, est 3 cm; le diamètre de 1' échappement est de 8 cm. Le filtre papier diamètre 1.5 dm et hauteur 1.5 dm, a une surface utile de 7 dm2 ( cette crépine c a un fond plein). La puissance électrique nominale du groupe g est 750 watts. Le sujet de 1' expérience est un plancher en bois mal dégrossi, couvert uniformément de fine poudre de ciment, et parsemé de gravillons calcaires, dont la dimension est de 1' ordre de 2 mm. La possibilité de soulever ces gravillons, et de les amener au récipient, est prise comme test d' efficacité limite. Lorsque la dépression n' en est plus capable, le système n'est plus utilisable. Les particules filtrées par le système réputé alors en état de colmatage, sont caractérisées par la taille tpc. L'accessoire capteur des poussières à enlever, dit "suceur", dimensions 2 dm par 2,5 cm, est poussé, en appui arrière, 1' avant relevé à 5 mm du sol. Le travail se fait donc sur une largeur de 2 dm. La vitesse d' avance est de 1' ordre de ldm par 5 secondes. Après 5 mn de travail dans ces conditions, les gravillons ne sont plus soulevés, la surface bien traitée au début de 1' opération, plutôt mal à la fin est de 1/5 x 60 x 5 x 2 = 120 dm2. Le fonctionnement de la machine, sur la figure 14 ( caractéristique de filtration) , est représenté par la courbe ET, entre les ordonnées tpi et tpc. Il est maintenant nécessaire de reconditionner la machine pour la rendre propre à un nouvel usage efficace. Ce qui implique de la transporter dans un endroit ou 1' on ne craigne pas de laisser échapper quelques unes des poussières recueillies, de 1' ouvrir, ( on constate alors que le bidon est quasi vide, quelques débris couvrent à peine la surface du fond, on peut se demander à quoi sert ce grand volume v) de vider cependant le récipient et d' éliminer les poussières adhérentes à la paroi, par essuyage ou lavage, car tous ces matériaux pourraient après remise en route dans des conditions de fonctionnement restaurées, venir immédiatement sur le filtre. Enfin de retirer le filtre f fort chargé et colmaté. Puis de garnir la crépine c par un nouveau filtre ( à moins qu' il ne soit d' une conception permettant son nettoyage-décolmatage partiel par vibrations par exemple), de refermer 1' ensemble et de le rapporter sur le chantier de travail. Dans les conditions de l'essai un quart d' heure est nécessaire pour reconditionner la machine. Ce n' est pas vraiment le coût des filtres à renouveler qui est pénalisant, mais la faible proportion du temps productif D' autant plus faible que les matériaux à retirer sont abondants et susceptibles par leur taille de colmater rapidement le filtre. Or ce type de travail dans le domaine du nettoyage, se chiffre à l' heure ( coût réparti de la machine plus coût horaire de l'homme), rarement modulé par la masse de matériaux à enlever, et jamais en fonction de cette seule masse. Il est ensuite possible de continuer par le travail de traitement d' une nouvelle surface. Il apparait, que les temps improductifs sont trop importants ce qui est désagréable pour le particulier, et très pénalisant en amortissement et coût main d' oeuvre pour une entreprise; que le volume v est mal utilisé en tant que simple parcours de décantation ( la machine représentée sur la figure 3, comporte, au prix d' une augmentation de volume importante, des chicanes qui ne remédient pas à ce défaut; l'intention de cette construction est une meilleure séparation gaz- solide, en vérité très peu efficace pour les fines colmatantes, car seul 1' effet d' adhérence électrostatique aux surfaces du bidon est véritablement amélioré pour ces fines), et ainsi ce volume représente un encombrement et un coût de construction stériles. Il est donc apparu nécessaire de se donner la possibilité d' accroître la durée productive, par rapport à la durée de remise en condition de travail de la machine, c' est à dire de repousser 1' instant ou le test d' efficacité cesse d'être satisfait. On a recherché la possibilité de donner à ce filtre une plus grande capacité de rétention avant colmatage Il était également nécessaire, de concevoir à coté de matériels éventuellement pointus et sophistiqués pour les applications nobles, des possibilités efficaces mais rudimentaires pour, par exemple, le nettoyage vulgaire. Donc de rester simple. Sans compter que dans bien des domaines il était également indispensable de pouvoir utiliser le matériel existant tel quel, ou éventuellement au prix d'une modeste modification par son propriétaire. On observe que le filtre f est à 2 dimensions, c' est une surface; cette caractéristique est à 1' origine du principal défaut constaté, la rapidité de son colmatage. Le volume v est disponible. Il est souhaitable de régulariser qualitativement dans la durée d'opération, la caractéristique de filtration. La durée de travail doit être accrue par rapport à la durée de reconditionnement. Selon l'invention, on confère au filtre une troisième dimension utile, employant ainsi avantageusement le volume de rétention v, et simultanément une quatrième dimension, le temps, en lui donnant la possibilité de mettre successivement en service des sous parties de lui même. Selon l'invention le dispositif de filtration est caractérisé en ce que le volume de rétention précédent l'ultime filtre est occupé par des couches filtrantes, chacunes étant mises en service après que soit colmatée la précédente en amont dans le flux & traiter. Du souhait d'exploiter toute la capacité de filtration, de tout le volume du filtre, avant colmatage, par le truchement d'une mise en service par couches successives, il est résulté le dispositif selon 1' invention, les figures 5 6, 7, de la planche 3/7, représentant une réalisation très proche du principe donc favorable à une explication de ce principe. En a est 1' admission du flux gazeux qui devra transiter par les volumes Vo, Vl, V2, V3, V4, pour atteindre 1' échappement e. Les éléments actifs, placés perpendiculairement au flux, disposition souvent avantageuse mais pas obligatoire, sont désignés par Pl, P2, P3, P4, leur nombre étant de quatre à titre purement exemplaire et pour l' illustration; ils séparent respectivement Vo de Vl, Vi de V2, V2 de V3, V3 de V4; ces volumes étant d' autre part confinés par les parois du récipient r. La figure 6 montre ce qui dans la figure 5, symbolise les parties filtrantes pf, et les parties mobiles, les opercules op, initialement fermés. Le flux de gaz chargé de particules en suspension, en provenance de a, passe de Vo à Vl en traversant les filtres de la paroi Pl; il en est de même successivement de P2, P3 P4. Quand les filtres pf de Pl sont suffisamment colmatés la pression Po dans Vo augmente. La réalisation des opercule op, est réglée en sorte qu' ils s' ouvrent quand Po dépasse un seuil P'o. Le flux traverse alors Pl, non plus à travers les éléments filtrants, mais par les opercules ouverts, sans séparation des solides qui parviennent ainsi dans le volume Vl. P2 est alors franchi & travers ses filtres par un flux chargé, jusqu'à leur colmatage, puis à travers ses opercules, qui s' ouvrent lorsque Pl devient supérieure à P'l, P'l étant réglé inférieure à P'o en raison des pertes de charge à travers les opercules amont de Pl. Et ainsi de suite jusqu' à colmatage des filtres de la paroi P4, ouverture de ses opercules, et arrivée du flux non filtré sur le filtre f supporté par la crépine c ( f et c non représentés sur la figure 5). Il a été de la sorte donné au filtre une troisième dimension dans le volume v, jusques alors presque inutile en particulier dans les machines domestiques, et simultanément une fonction temps, en différant la mise en service de ses étages, jusqu'à l'instant ou l'amont est saturé, ce qui assure une pleine efficacité de chacun, et n'existe pas dans les techniques actuelles, en particulier pour les aspirateurs de nettoyage. En outre, la caractéristique de filtrage, dans l'hypothèse ou tous les étages ont la même initiale, mesurée par tpi, prend l'allure de la courbe NT; sans l'effet de mise en service différé, elle serait du type NN. On a donc, résultant de cette invention, une caractéristique de filtrage régularisée dans le temps et une capacité accrue. Les surfaces Pl, P2, P3, P4, éventuellement intégralement en matériau filtrant, donc y compris les opercules, peuvent être conçues comme sur la figure 7, dans l'hypothèse non limitative d'un récipient cylindrique r. Des lignes d'entaille, sont préparées dans le papier poreux par des lignes d'affaiblissement de la résistance du matériau constituant pf, des prédécoupages pdc, dans des zones par exemple inscrites dans des cercles. Les pressions, provoquant la rupture, P'o, P'l P'2, P'3 devant être de plus en faibles, on procédera par exemple, en multipliant les pdc, dans la zone choisie pour constituer un opercule, de plus en plus nombreux en allant de a vers e ce qui aura pour effet de réduire la résistance à la pression des opercules considérés de a vers e. La réalisation des opercules par des pdc inscrits dans des cercles n'a rien de limitatif: des zones rectangulaires, par exemple en bandes continues d'une paroi à l'autre de r, alternatives avec des bandes filtrantes, pouvant être plus simple à réaliser. Les opercules des plans P, pourront avantageusement se trouver en regard des parties filtrantes du plan suivant dans le sens du flux, comme représenté en figure 5. Les dimensions des partie filtrantes, des parties opercules des intervalles entre les plans P donc l'importance des volumes V, sont dépendantes notamment des cotes du récipient R, des caractéristiques d'écoulement des flux, de la caractéristique de porosité du filtre et de la granulométrie du matériau à arrêter, et peuvent varier à l'infini sans pour autant sortir du domaine de l'invention. Egalement il pourra être avantageux de prévoir des dispositifs barométriques plus élaborés, sans sortir du domaine de l'invention. Cette invention peut faire penser à la filtration dite " en profondeur " jamais utilisé à ce jour dans ce type de machine de nettoyage. Un exemple de la filtration en profondeur, est la filtration à travers des couches de sable siliceux. Le flux, fluide ou gaz, progresse dans les pores de la couche, ses impuretés s'accrochant aux aspérités des grains de silice; ce qui est représenté dans 1' expérience de cette invention par la rétention des particules moyennes d entre les plans de la figure 5, ( ou dans les plis assimilables géométriquement à des dièdres, ainsi quc l'illustre la figure 8, représentant une réalisation expérimentale décrite plus loin). La différence essentielle , dans ie cas de cette invention, par rapport à la simple filtration en profondeur, étant que le plan P ( ou le grain s figure 8 et 9) sont poreux, filtrants, alors que le grain de silice ne l'est pas, et que les étages filtrants dans cette invention sont chargés les uns après les autres, puis bipassés, alors que le filtre couche se colmate par ses couches les plus en amont dans le flux ( planche 7/7 figure 14 caractéristique de type NN). Cette invention fait penser à la filtration en profondeur, qu'elle réalise partiellement simultanément à d'autres propriétés avantageuses, mais elle fait plus, il y a donc une différence importante relevant de la présente invention. Selon l'invention les fonctions filtre pf et opercule op pourront être obtenues de manière désordonnée et aléatoire par des volumes de rubans, bandelettes, éventuellement en anneaux juxtaposés ou entrelacés, pouvant être échancrées perpendiculairement à leur ligne médiane. Sans sortir du domaine de l'invention, dans le cas des solides chimiquement inertes, dont l'hygrométrie est faible le papier poreux froissé en boule est une solution facile et économique ( voire dispositif expérimental décrit ci- dessous). D'autres matériaux, minéraux ( par exemple dans le cas de traitement de fumées), végétaux, métalliques ou polymères organiques, pourront s'avérer nécessaires en fonction de la nature du flux porteur, de la nature de la suspension à séparer, du traitement ultérieur du filtrat. Selon l'invention également les éléments filtrants pourront être chargés par des molécules adhésives, la force due à l'effet colmatage sera accrue de la force de frottement du flux sur les particules fixées sur les porosités en particulier. Dans ce cas on pourra utiliser des éléments végétaux naturellement adhésifs issus des conifères par exemple non limitatif. Toujours dans le champs de l'invention, les matériaux pourront être métalliques en particulier en alliage à mémoire pour faciliter la régénération par développement de l'élément filtrant. Dans le cadre de l'invention, l'ensemble sera avantageusement conçu sous forme d'une cartouche facile & placer dans le récipient r. Filtre final et étages filtrants pouvant former un ensemble unifié plus ou moins assemblé, commercialisé à l'état plié, et développé pour usage dans le volume v. Les cartouches, pourront être des boîtes à très larges mailles, de géométrie adaptée aux récipients devant les recevoir ou constituées de sacs de résille, modérément remplis, et permettant ainsi une conformation à la géométrie du volume v dans le récipient r. L'élément filtrant à base de papier, chargé de poussières, mouillé et comprimé, réduit en volume est facilement éliminé dans les sacs poubelles. Combustible il peut être aisément réduit au volume des solides qu'il retient. La précision requise pour une construction voisine du schéma de principe, ne permettait pas de monter simplement des expériences probatoires. Cela a conduit à une matérialisation beaucoup plus rudimentaire, qui s'est révélée efficace et facile à industrialiser Selon l'invention on utilise des grains s, poreux au flux, et donc eux mêmes filtrant. On conjugue ainsi l'effet filtration en profondeur, avec un effet filtre à travers s. Le calibrage des sections efficaces et des pores des grains, des porosités intergranulaires, est ajusté en fonction des paramètres flux, et de l'effet recherché. Les grains s sont avantageusement constitués par des formes d'allure sphérique cylindriques d'épaisseur plus faible que le diamètre et d'axe parallèle au déplacement du flux, ou de briques parallèlipipèdiques, empilées en croisant leur plus grande dimension, la plus petite étant généralement parallèle à la direction du flux. Dans le dispositif expérimental l'élément actif s est représenté sur la figure 8 de la planche 4/7, avec en regard à gauche ses fonctionnalités. Toujours dans le cas support de cet exposé, d'un flux d'air poussiéreux, cet élément est en papier poreux, non encollé; c'est un papier journal de la plus mauvaise qualité qui a été utilisé Il a été déchiré en morceaux approximativement rectangulaires et de surface de l'ordre de 1 dm2, chacun étant ensuite froissé en boule de manière grossièrement isotrope, et aléatoire, en telle sorte que d'une enveloppe vaguement sphériques, s'échappe par suite du retour élastique, des lambeaux lb. La figure 9 montre comment un empilage de ces éléments s est constitué dans le récipient r, et traversé par le flux d'air de a vers e. La figure 8 illustre aussi cette observation, qu'après passage du flux, le coeur d'un élément, a servi de filtre à couches multiples grâce à chacun de ses plans pf, mais aussi de réservoir aux particules d plus importantes, qui y sont arrêtées et stockées dans les dièdres constitués par les plans pf. Les premières couches coté admission en sont les plus chargées, les suivantes n'en comportent que peu, la dernière pas du tout. En arrêtant l'expérience après un court temps d'opération, on constate que les premières couches sont saturées de fines les plus éloignées restant propres et perméables. En fin d'opération les lambeaux lb, toutes les couches pf sont chargées, ainsi que le filtre f de crépine. On a pu en conclure que, fonctionnellement, les lambeaux lb issus de s, individuellement ou pris deux à deux en vis & vis, se comportaient comme les opercules décrits plus haut, et permettaient ainsi l'étalement dans le temps de la mise en service des couches successives d'éléments s, dans leur effet de filtre pour les fines et d'accrochage des particules d de tailles intermédiaires. On a ainsi obtenu, de manière très élémentaire, un fonctionnement quasi aussi performant que celui imaginable dans le cas d'une réalisation très voisine du principe, soit : - rendre utile le volume v, en donnant au filtre une troisième dimension - multiplier la surface filtrante globale accroître la saturation des couches en différant la mise en service d'une couche jusqu'à saturation de la précédente effets qui relèvent directement de cette invention Et en outre, du fait de la rétention dans les dièdres des premières couches de particules d, on a simultanément un effet connu sous le nom de filtration en profondeur, jamais utilisé à ce jour dans ce type de machine de nettoyage. On a pu noter aussi un effet de rétention des fines par attraction électrostatique sur le papier, le frottement du flux d'air sec sur le papier est à l'origine de l'apparition de charges électriques. Cet effet caractérise également l'invention. La machine expérimentale a été obtenue en modifiant la machine représentée par la figure 1, en la machine représentée par la figure 10 de la planche 5/7. Les éléments s sont comme indiqué ci dessus en papier journal dont les porosités sont visibles à grossissement 2, c'est à dire mesurant environ.02 mm. Le volume v en est au 3/4 rempli, soit jusqu'au 2/3 de la hauteur de la crépine, celle-ci étant garnie du filtre f, ce dernier restant nécessaire comme sécurité et garantie du calibre des fines passant dans la turbine. Une grille gr, en aval du flux gazeux par rapport aux éléments s et les enfermant, évite que ceux-ci pris dans les turbulences puissent changer d'orientation et/ou de position libérant ainsi les solides pulvérulents déjà captés. Les essais ont été pratiqués à la suite de ceux décrits au paragraphe décrivant les inconvénients caractérisants la technique actuelle, afin d'être très comparables bien que peu instrumentés. Au cours des essais pour tester l'invention, il a été constaté, que toutes choses égales par ailleurs, on a pu immédiatement travailler pendant 40 mn, avant que le test d'efficacité ne soit plus satisfait. En réalisant des éléments s plus petits, cette phase de travail a été allongée à 50 mn. Dans les conditions de l'expérience, entre deux reconditionnements, la surface nettoyée est 10 fois plus importante, la masse récupérée est 5 & 8 fois plus importante. La durée de reconditionnement restant la même,on est passé d'un temps d'exploitation de 20 % à sensiblement 75 %. Ces valeurs n'étant indicatives que des conditions de l'expérience, c'est à dire en particulier sur un sol assez encombré. La configuration des volumes, les caractéristiques du groupe g, de l'élément s tant en porosité qu'en élasticité, la composition granulomètrique de la suspension à séparer, conduiront, sans doute guidé par des essais, à des choix de dimensions variés, sans pour autant sortir du domaine de l'invention. Les figures 11 et 12 représentent l'application de cette invention à deux autre types de machine de nettoyage par aspiration, ainsi que la figure 13. REVENDICATIONS: 1- Dispositif de filtration, pour éviter le colmatage rapide des filtres, caractérisé en ce que un volume est occupé par des couches filtrantes, chacunes étant mises en service après que soit colmatée la précédente, en amont dans le flux à traiter. 2- Dispositif selon revendication 1 caractérisé en ce que les mises en service, des couches filtrantes, successives, de l'amont vers l'aval, sont obtenues par l'ouverture d'opercules. 3- Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que couches filtrantes et opercules sont constitués par des volumes de rubans, bandelettes, éventuellement en anneaux juxtaposés ou entrelacés. 4- Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que les couchesfiltrantes et opercules sont constitués par du papier poreux froissé en boule. - Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que couchesfiltrantes et opercules sont chargés par des molécules adhésives. 6- Dispositif selon revendication 2 caractérisé en ce que filtre ultime, étages filtrants, opercules, participent à la constitution d'ensembles unifiés. 7- Dispositif selon revendication 6 caractérisé en ce que ces ensembles sont commercialisés pliés, à développer pour usage 8- Dispositif selon revendication 6 caractérisé en ce que ces ensembles sont contenus dans une boîte à larges mailles. 9- Dispositif selon revendication 6 caractérisé en ce que ces ensembles sont contenus dans un sac de résille.