Brevet FR3032894A1 — publié le 20160826

La présente invention concerne la séparation et l'extraction de particules contenues dans un fluide gazeux comme des fumées de combustion ou de l'air pollué. On connaît de nombreux systèmes de dépoussiérage et parmi eux l'épurateur cyclone ou multi-cyclone. Dans un cyclone classique constitué de deux tubes concentriques, le gaz à traiter est introduit entre un tube interne central et un tube externe périphérique se terminant généralement par une partie conique. Le flux gazeux est mis en rotation autour du tube central par un moyen quelconque tel qu'un déflecteur axial à ailettes ou une admission tangentielle et le trajet hélicoïdal rapide descendant du gaz entre les deux tubes assure la centrifugation des particules qui sont plaquées sur la paroi interne du tube périphérique, dans la partie conique elles ralentissent du fait de leur frottement sur la paroi interne du tube périphérique et échappent au courant gazeux puis sont récupérées à la base du cyclone. Lorsqu'il parvient en partie basse de la partie conique du cyclone le flux gazeux initialement descendant change de direction et remonte tout en conservant son mouvement de rotation et le gaz partiellement épuré sort ensuite du cyclone en passant par l'intérieur du tube central. Ce type d'épurateur présente de nombreux avantages tels que la simplicité, la robustesse, un bas prix de construction et un coût d'exploitation quasi nul mais son principal défaut est un rendement d'autant plus faible que la taille et la masse des particules à éliminer décroît. En effet dans un épurateur de type centrifuge tel que le cyclone la force F qui entraîne les particules vers la paroi du tube périphérique et permet de les extraire du flux gazeux est de la forme F = M (ffl2/R) dans laquelle M est la masse de la particule, w sa vitesse angulaire et R le rayon du tube. On voit donc que l'efficacité augmente lorsque la vitesse angulaire w augmente et que le rayon du tube diminue, c'est la raison pour laquelle à débit égal plusieurs petits cyclones en parallèle qu'on appelle alors multi-cyclones sont plus efficaces qu'un gros cyclone unique. Mais en même temps si la section de passage des gaz est trop faible et la vitesse trop grande les pertes de charges des gaz dans l'appareil deviennent trop élevées. L'efficacité des cyclones est bonne pour les grosses particules mais décroît avec leur taille, ellç devient même très insuffisante lorsqu'elles sont inférieures à 5 microns, en effet compte tenu de la viscosité relative du flux gazeux qui les véhicule, la vitesse de migration des fines particules vers la paroi interne du tube périphérique est trop lente pour qu'elles aient toutes la possibilité de s'en extraire avant d'atteindre la base du cyclone et de remonter vers le tube central. On sait aussi qu'en entrant dans le tube central, du fait de la trajectoire ascendante en vortex des gaz, les petites particules qu'ils contiennent encore sont entraînées 3032894 2 par l'effet centrifuge vers la face interne du dit tube mais, dans un cyclone traditionnel, elles glissent sur cette paroi et poursuivent leur chemin jusqu'à la sortie de l'épurateur. Pour accroître le rendement des cyclones et pallier leur manque d'efficacité vis-à-vis des fines particules divers moyens ont été utilisés; par exemple les équiper d'un rotor interne 5 destiné à accélérer la vitesse de rotation du fluide à épurer pour augmenter la force centrifuge sans trop augmenter les pertes de charges ou utiliser un effet électrostatique "couronne" pour charger électriquement les petites particules et les attirer vers une paroi de charge opposée. On a également tenté de piéger dans une chambre aval de grand volume une partie des petites particules encore présentes après leur sortie du tube central pour les 10 renvoyer dans les gaz sales en amont du cyclone via une tubulure externe et un ventilateur annexe avec l'objectif d'augmenter leur masse par agglomération pour mieux les capturer lors d'un nouveau parcours. On connaît aussi des dispositifs utilisant une cascade de cyclones en série, dans lesquels les gaz à traiter sortant du tube central du premier cyclone entrent en totalité dans un second cyclone en aval, puis éventuellement les gaz sortant de ce 15 second cyclone entrent dans un troisième, etc. Le débit de gaz étant pratiquement constant les dimensions des cyclones en cascade doivent être sensiblement identiques, ce qui conduit à des installations volumineuses donc encombrantes et coûteuses. De plus les pertes de charge engendrées par chaque cyclone s'additionnent et il faut utiliser un ventilateur de soufflage ou d'extraction puissant donc gourmand en énergie. D'autres systèmes, 20 principalement utilisés en électroménager pour de petits débit, prévoient une pluralité de petits cyclones en parallèle retraitant la totalité des gaz sortant d'un premier cyclone. L'efficacité sur les fines particules est améliorée mais les pertes de charges sont importantes du fait que la totalité du débit est traitée. Tous ces procédés ont montré une efficacité plus ou moins grande selon leur principe et 25 leur mode de réalisation mais aucun n'est parvenu à offrir à moindre coût et sous un aspect compact des performances suffisantes au regard des réglementations qui sont de plus en plus sévères concernant le rejet des très fines particules. La présente invention a pour but de réaliser un séparateur performant vis-à-vis des particules les plus fines, entièrement métallique et compact, qui ne nécessite ni d'avoir 30 recours à des moyens complexes, encombrants, onéreux ou fragiles ni de devoir utiliser un ventilateur annexe et qui n'augmente pas pour autant sensiblement les pertes de charges globales du circuit. 3032894 3 Pour y parvenir la présente invention prévoit de sensiblement prolonger vers le haut le tube central d'un cyclone classique de façon à ce que le dit tube ressorte nettement du corps du cyclone, de prélever au moyen d'un dispositif spécifique installé dans cette partie prolongée la fraction du gaz la plus chargée en fines particules remontant le long de la paroi 5 interne du tube central et de l'épurer par un effet centrifuge de forte intensité dans un minicyclone annexe nettement plus petit que le cyclone principal, implanté en parallèle et proche de lui. Par ailleurs lors d'expérimentations il a été fortuitement constaté que lorsque la paroi interne du tube tronconique périphérique n'était pas lisse mais constituée d'une succession de secteurs plans juxtaposés délimitant une section polygonale et non circulaire, 10 le rendement de capture dans le cyclone principal était notablement accru. L'invention sera bien comprise à la lecture du descriptif qui suit et des dessins annexés illustrant à titre d'exemple non limitatif une des formes possibles d'exécution de l'invention faisant référence à un séparateur à axes verticaux, dans lequel les gaz ont une trajectoire initiale descendante entre les deux tubes puis ascendante dans le tube central mais bien 15 entendu l'invention s'applique à toute autre disposition que les axes soient horizontaux ou inclinés d'un angle quelconque. L'épurateur selon l'invention est du type cyclone (1) qui comporte une entrée (2) des gaz à épurer dans un système constitué d'un tube périphérique (3) constitué d'une partie cylindrique (3a) et d'une partie tronconique (3b) et d'un tube central (4), la disposition de 20 cette entrée (2) peut être tangentielle, comme représentée sur le dessin, ou axiale et munie d'ailettes mais elle induit dans tous les cas un mouvement hélicoïdal rapide des gaz circulant dans l'espace annulaire cylindrique (5) formé entre les deux tubes afin de provoquer une centrifugation des particules contenues dans les gaz qui va les entraîner vers la face interne du tube périphérique (3). Ce mouvement hélicoïdal descendant du flux initial des gaz 25 s'inverse lorsqu'il atteint la base de la partie conique (3b) du cyclone (1), il devient ascendant et remonte vers l'entrée (6) du tube central (4) qu'il parcourt en direction d'un collecteur (7). Lorsque les gaz pénètrent dans le tube central (4) ils ont perdu par effet centrifuge la plus grande partie des particules de masse élevée ou moyenne mais contiennent encore des particules de faible masse, en même temps ils conservent leur 30 mouvement hélicoïdal rapide de type vortex qui entraîne ces fines particules résiduelles vers la paroi interne du tube central (4). Le flux gazeux qui remonte au centre dans l'axe du tube (4) est épuré de façon satisfaisante mais plus on s'éloigne de cet axe plus ce flux est chargé 3032894 en fines particules et leur taux atteint un maximum à proximité immédiate de la paroi or dans un cyclone traditionnel la totalité du flux poursuit son chemin jusqu'au collecteur (7) et sort de l'épurateur. L'une des caractéristiques d'un appareil selon l'invention est que le tube central (4) est 5 sensiblement prolongé vers le haut au dessus du tube périphérique (3a) du cyclone (1) pour laisser à un maximum de petites particules le temps de migrer par effet centrifuge jusqu'à la paroi interne du tube (4) et pour pouvoir implanter dans cette zone un dispositif (8) de prélèvement d'une partie du flux gazeux remontant le long de cette paroi avant qu'il parvienne au collecteur (7) des gaz épurés situé au dessus. 10 Ce dispositif de prélèvement (8) peut être réalisé de diverses façons. Dans sa forme la plus courante on introduira dans la partie supérieure du tube central prolongé (4) un troisième tube concentrique et coaxial dénommé tube de sortie (9) pénétrant d'une hauteur suffisante dans le tube central (4). Le haut du tube central (4) est alors relié au corps du tube de sortie (9) par une bride (10) afin de former entre les deux tubes (4) et (9) un conduit annulaire (11) 15 d'une certaine hauteur obturé à son apex par la bride (10). Le tube central (4) se trouve ainsi organisé en deux zones, une zone inférieure dans laquelle les fines particules migrent sous l'effet centrifuge vers la paroi interne du tube (4) et une zone supérieure formant avec le tube de sortie (9) le conduit annulaire (11) constitutif du dispositif de prélèvement (8). On voit bien que parvenu au niveau de ce dispositif (8) le flux gazeux remontant en vortex 20 dans le tube (4) est séparé en deux, un important flux principal (a) dépoussiéré poursuivant son chemin au centre et un mince flux secondaire (b) riche en particules fines remontant dans le conduit annulaire (11). En haut du conduit annulaire (11) obturé à son apex par la bride (10), un piquage (12) ouvre tangentiellement dans le sens de circulation des gaz et ce piquage (12) étant muni d'une tubulure (13) qui relie le dispositif (8) à l'entrée d'un mini- 25 cyclone annexe (14) de petite taille par rapport au cyclone principal, le flux secondaire (b) aboutit dans le mini-cyclone (14). Dans une forme de réalisation similaire ce dispositif (8) est constitué d'un cerclage creux entourant complètement le tube central (4) sur une certaine hauteur pour former avec lui le conduit annulaire (11) autour de la partie prolongée du tube (4). Une ouverture de hauteur 30 inférieure à celle du cerclage étant ménagée sur toute la périphérie du tube (4) à partir du bas du cerclage donc du conduit annulaire (11), un piquage (12) étant toujours prévu en haut du cerclage. 3032894 5 Un dispositif (8) de dérivation simplifié peut aussi être constitué d'un ou plusieurs piquages de sections rectangulaires sensiblement plus hauts que larges ouvrant tangentiellement directement dans le tube central (4) chacun étant reliés par une tubulure (13) à l'entrée d'un mini-cyclone (14). 5 On aura compris que le but de ce dispositif (8), quelle que soit sa forme de réalisation, est de prélever seulement la partie périphérique (b) du flux gazeux la plus proche de la paroi interne du tube central prolongé (4), donc la plus chargée en particules résiduelles, pour l'envoyer dans le mini-cyclone (14) afin d'extraire ces très fines particules non capturées dans le cyclone principal (1). 10 Pour y parvenir le mini-cyclone (14) fonctionne par effet centrifuge comme tout cyclone traditionnel mais ses dimensions sont optimisées pour traiter avec la plus grande efficacité possible le débit réduit (b) de gaz prélevé. Par ailleurs son tube central, également prolongé vers le haut, forme un conduit (15) qui aboutit dans le collecteur (7) des gaz épurés issus du cyclone principal (1) la circulation des gaz dans le cyclone principal (1) comme dans le 15 mini-cyclone (14) est ainsi assurée par un ventilateur commun. Le débit (b) de gaz dérivé dans le mini-cyclone (14) étant très faible par rapport au débit total (a+b) on peut le faire circuler à très grande vitesse (w) autour d'un tube de très petit rayon (R) ce qui permet la séparation et la capture des plus fines particules sans pour autant augmenter sensiblement la perte de charge globale de l'appareil. 20 L'efficacité de capture des fines particules dans le mini-cyclone peut encore être améliorée en prévoyant entre la sortie du conduit annulaire (11) et l'entrée dans le mini-cyclone (14), des moyens (16) destinés à engendrer un champ électrique, magnétique ou acoustique au niveau de la tubulure (13) pour amplifier le mouvement brownien des particules, les collisions et l'attractivité entre elles en vue de les agglomérer et d'augmenter leur masse. 25 Pour optimiser le débit prélevé (b) et ajuster le seuil de coupure il est possible de jouer sur les dimensions du dispositif (8) en particulier sur la hauteur et la section du conduit annulaire (11) et on peut ajouter avec profit à la base du tube de sortie (9) un petit déflecteur annulaire oblique (17) orienté vers l'intérieur du tube (9). Enfin pour permettre la répartition et l'équilibrage des débits entre le cyclone principal (1) et 30 le mini-cyclone (14) on prévoit un jeu de volets ou registres d'obturation positionnés entre les sorties des cyclones et le collecteur (7) des gaz épurés, l'un (18) dans le conduit de sortie (15) du mini-cyclone et l'autre (19) dans le tube de sortie (9) du cyclone principal (1). 3032894 6 Il est ainsi possible de régler facilement, y compris en marche, le débit prélevé et dirigé vers le mini-cyclone (14), donc en pratique de faire varier le diamètre de coupure du système pour sélectionner la granulométrie des particules capturées et d'utiliser un ventilateur unique de puissance modéré pour assurer la circulation des gaz à traiter dans toute l'installation. 5 Une autre caractéristique d'un épurateur selon l'invention est que la section transversale de la partie basse tronconique (3b) du tube central (3) n'est pas parfaitement circulaire et lisse mais polygonale convexe comportant une pluralité de facettes en étant constituée d'une succession de lames ou secteurs plans trapézoïdaux (20) de relativement faibles largeurs, inclinés et juxtaposés avec des angles très ouverts jusqu'à former une figure géométrique de 10 forme globalement tronconique mais de section polygonale. Ce profil particulier a deux conséquences directes constatées : D'une part le ralentissement des particules à ce niveau est nettement plus intense qu'avec une paroi lisse du fait des chocs des particules lors du changement de direction du flux au passage d'une lame à l'autre, ce qui favorise leur récupération par gravité. D'autre part pour certaines particules très 15 légères ces chocs entraînent un léger rebondissement qui les ramène dans le flux encore poussiéreux où elles peuvent s'agglomérer à d'autres particules et acquérir une masse suffisante pour être capturées dans le cyclone principal (1) ou dans le mini-cyclone (14). Les poussières extraites aussi bien par le cyclone principal (1) que par le mini-cyclone (14) sont toutes collectées par gravité en bas de l'appareil, un tube (21) reliant la base du mini- 20 cyclone au cendrier commun (22). On notera toutefois la possibilité de séparer le cendrier en deux parties au moyen d'une cloison (23) ou d'utiliser deux cendriers distincts pour recueillir séparément les poussières capturées dans le cyclone principal (1) de celles capturées dans le mini-cyclone (14) afin de permettre par exemple une classification granulométrique des particules. 25 La description et les dessins annexés qui précèdent, donnés à titre d'exemple non limitatif font référence à un épurateur constitué d'un cyclone principal (1) et d'un seul mini-cyclone (14) mais bien entendu sans sortir du cadre de l'invention il est possible de prévoir une pluralité de mini-cyclones (14) chacun étant connecté au cyclone principal (1) par une tubulure (13), de disposer les piquages sur un seul ou sur plusieurs niveaux et de regrouper 30 plusieurs ensembles cyclone / mini-cyclones en multi-cyclones à prélèvement périphérique et que la totalité du tube périphérique (3) soit de section polygonale. La présente invention trouve principalement ses applications dans le domaine du dépoussiérage et de l'épuration des effluents gazeux de toutes natures, en particulier des 3032894 7 fumées de combustion ou des gaz de pyrolyse, des gaz de procédés industriels, d'air poussiéreux, etc. Ainsi que pour la récupération de matières premières pulvérulentes ou d'ingrédients coûteux dans un fluide gazeux ou encore pour la classification des poudres, par exemple dans les industries pharmaceutiques, chimiques et alimentaires. REVENDICATIONS1 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique, caractérisé par le fait qu'il est constitué d'un cyclone principal (1) dont le tube central (4) est sensiblement prolongé vers le haut au dessus du tube périphérique (3), d'au moins un mini-cyclone annexe (14) de petite taille par rapport au cyclone principal (1) et d'un dispositif (8) de prélèvement d'une partie (b) du flux gazeux remontant dans le tube central (4) du cyclone principal (1), ce dispositif (8) étant relié à l'entrée du mini-cyclone (14). 2 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique selon la première revendication, caractérisé par le fait que le dispositif de prélèvement (8) est composé d'un tube de sortie (9) concentrique et coaxial pénétrant dans la partie supérieure du tube central prolongé (4) pour former entre les deux tubes (4) et (9), un conduit annulaire (11) obturé a son apex par une bride (10), un piquage (12) ouvrant en haut du conduit annulaire (11) tangentiellement dans le sens de circulation des gaz, ce piquage (12) étant muni d'une tubulure (13) reliée à l'entrée du mini-cyclone annexe (14). 3 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique selon la première revendication, caractérisé par le fait que le dispositif de dérivation (8) est constitué d'un ou plusieurs piquages (12) de sections rectangulaires ouvrant tangentiellement directement dans le tube central (4) chacun étant reliés par une tubulure (13) à l'entrée d'un mini-cyclone (14). 4 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique selon la seconde 20 revendication, caractérisé par le fait que le dispositif (8) de dérivation des gaz ménagé dans la partie prolongée du tube central (4) du cyclone principal (1) comporte à la base du tube de sortie (9) un déflecteur annulaire oblique (17) orientés vers l'intérieur du tube (9). 5 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique selon les revendications précédentes, caractérisé par le fait que le tube central (15) du mini-cyclone 25 (14) est également prolongé vers le haut pour déboucher dans le collecteur des gaz (7) issus 3032894 9 du cyclone principal (1) et qu'un jeu de volets ou registres est prévu entre les sorties des cyclones et le collecteur des gaz épurés (7), l'un (18) étant dans le conduit de sortie (15) du mini-cyclone (14) et l'autre (19) dans le tube de sortie (9) du cyclone principal (1). 6 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique selon les 5 revendications précédentes, caractérisé par le fait que des moyens (16) sont prévus entre la sortie du conduit annulaire (11) et l'entrée du mini-cyclone (14) pour engendrer un champ électrique, magnétique ou acoustique au niveau de la tubulure (13). 7 / Séparateur de particules de type cyclone à prélèvement périphérique selon la première revendication caractérisé par le fait que la partie basse (3b) du tube central (3) est constituée 10 d'une succession de secteurs plans trapézoïdaux (20) inclinés et juxtaposés avec des angles très ouverts jusqu'à former une figure géométrique de forme globalement tronconique mais de section polygonale convexe.