# Application du concept d'impaction virtuelle à la filtration

Sagot Benoit, D Le Dur

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Sagot Benoit, D Le Dur. Application du concept d'impaction virtuelle à la filtration. 32ème Congrès Français sur les Aérosols (CFA), Jan 2019, Paris, France. 10.25576/ASFERA-CFA2019-16694. hal-04503105

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Submitted on 13 Mar 2024

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# APPLICATION DU CONCEPT D'IMPACTION VIRTUELLE A LA FILTRATION

B. Sagot* et D. Le Dur

(a) École Supérieure des Techniques Aéronautiques et de Construction Automobile (ESTACA), 12 Avenue Paul Delouvrier, 78180 Montigny-le-Bretonneux, France

(b) ADDAIR, BP 70207, 189, rue Audemars, 78530 BUC

*Courriel de l'orateur : benoit.sagot@estaca.fr

## ABSTRACT

A concept of separation for particle-laden flows based on the virtual impaction was recently patented. The aim of this experimental study is the design and test of this concept for high flowrates. The final design is composed of 396 nozzles with 1.2 mm diameter. It was tested with a 50 m3.h-1 flowrate, and demonstrated a cutoff diameter of 1.4 µm, with a collection efficiency over 90% for particles with a diameter higher than 2.5 µm. Further investigation will be carried out, to optimize the system, by varying different parameters such as the distance between the nozzle and the collection probe or the ratio between minor and major flow rate.

## RESUME

Le concept d'épuration de gaz chargé en particules via le concept d'impacteur virtuel a été récemment breveté. L'objectif de cette étude expérimentale est la conception et l'intégration de ce concept pour des débits élevés. La conception finale qui a été testée est composée de 396 buses d'accélération d'un diamètre 1.2 mm. Elle a été testée à un débit de 50 m3.h-1, et a montré qu'on obtenait alors un diamètre aérodynamique de coupure de 1.4 µm, avec une efficacité de collecte supérieure à 90% pour des particules de diamètre supérieur à 2.5 µm

**KEYWORDS:** virtual impactor – cutoff diameter – particle separation **MOTS-CLES:** impacteurs virtuel, diamètre de coupure, séparation gaz particule.

## 1. CONTEXTE

Les systèmes de traitement de l'air sont équipés de filtres qui dépolluent les gaz par capture des particules sur des filtres qui se saturent progressivement. L'objectif de cette étude est de concevoir et d'évaluer un dispositif de séparation basé sur l'impaction virtuelle, pour retirer du flux majeur le maximum de masse de particule, en s'assurant d'une perte de charge limitée à 1000 Pa. Les impacteurs virtuels sont considérés comme une classe particulière d'impacteur : dans un impacteur conventionnel, une buse permet d'accélérer et de diriger un flux gazeux vers une plaque d'impaction, où les particules avec une inertie suffisante sont collectées, tandis que dans un impacteur virtuel, la plaque d'impact est remplacée par une sonde de collection.

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1. Principe de l'impacteur virtuel (Marple et al., 2014)</figcaption></figure>
Cette sonde sépare du « flux majeur » les particules qui impacteraient sur la plaque d'impaction d'un impacteur classique : ces particules pénètrent dans la sonde, portées par un débit limité qui est classiquement appelé le « flux mineur ». La fraction la plus importante du flux appelée « flux majeur » passe autour de la sonde de collection, et les particules les plus fines sont emportées par ce flux. On définit l'efficacité de capture d'un impacteur virtuel comme la proportion des particules transitant via les buses d'accélération et qui sont captées dans la sonde de collection, pour une classe granulométrique. Le diamètre de coupure de l'impacteur virtuel est alors défini comme le diamètre aérodynamique des particules ayant une probabilité de collecte de 50% dans la sonde. Une grande partie des applications où des impacteurs virtuels sont utilisés ont pour objectif de concentrer des particules dans le flux mineur (Sioutas, C. et al., 1995), où elles sont souvent collectées sur des filtres pour une analyse ultérieure. Dans ce type d'application, les particules fines pénétrant dans la sonde de collecte sont vues comme un problème. Ce n'est pas le cas dans notre application où on cherche une efficacité maximale pour toute taille de particule. L'avantage principal de l'impacteur virtuel sur les filtres est l'absence de saturation, qui signifie que ce type de dispositif peut fonctionner sans maintenance. De même si on le compare à un impacteur classique, il est important de considérer qu'il peut ne pas y avoir de mécanisme d'encrassement dû à des dépôts, et pas de possibilité de réentrainement. Ce dispositif nommé VFS pour « Virtual Filtration System » est breveté (brevet déposé le 19 mai 2017 sous le numéro 17/00540 avec pour titre « Dispositif de Filtration de l'air ambiant ou d'un mélange gazeux transitant dans une canalisation »)

## 2. CONCEPTION DU DISPOSITIF

Dans beaucoup d'application, la perte de charge n'a que peu d'importance, ce qui n'est pas le cas dans notre application, qui vise à être intégrable dans des systèmes de traitement de l'air haut débit. Le compromis perte de charge dans les buses d'accélération et l'efficacité de collecte est important. Nous nous sommes basés pour le dimensionnement sur l'analyse de Marple et Liu (1990), qui ont établi que pour une configuration à buses multiples, à iso débit, la perte de charge est inversement proportionnelle au nombre de buse à la puissance 2/3. Pour un débit de 50 m3.h-1 et une perte de charge fixée à 1000 Pa, nous avons évalué le nombre de buses d'accélération nécessaires pour différentes valeurs de diamètre de buse. Les résultats correspondants sont présentés en Figure 2 : une réduction du diamètre de buse augmente la performance du dispositif avec une réduction du diamètre de coupure, et une augmentation du nombre de buses. Pour permettre l'usinage des buses et des sondes de réception, nous avons limité le diamètre des buses à 1.2 mm, qui correspond à un nombre de buses de 396. Comme souligné dans plusieurs études (Loo et Cork, 1988), il est important de garantir un bon alignement des buses d'accélération et des sondes de réception, pour limiter les pertes liées à une dissymétrie de l'écoulement. Cette contrainte est aussi un facteur qui nous a inciter à ne pas envisager des valeurs plus faibles du diamètre de buse.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 2. Influence du diamètre de buse sur le nombre de buses et le diamètre de coupure, pour un débit fixe de 50 m3.h-1 et une perte de charge de 1000 Pa</figcaption></figure>

## 3. EXPERIMENTATION

### 3.1. Description des essais

Pour tester les performances de l'impacteur virtuel défini "VFS", nous avons généré sur un banc d'essai un aérosol chargé en brouillard d'huile poly disperse (PLG-2010, PALAS). Puis nous nous sommes intéressés à la capacité du VFS à supprimer du flux majeur les particules les plus grosses. Pour cela nous avons réalisé
des prélèvements en amont VFS, et en aval dans le flux majeur. Ces prélèvements ont été analysés avec un compteur optique (Welas digital 3000, PALAS). On présente sur la Figure 3 une détermination expérimentale de l'efficacité de collecte, pour un flux de 50 m3.h-1, avec un flux mineur de 10% de cette valeur, qui est un ratio typique dans les études d'impacteurs virtuels. Le diamètre de coupure de 1.13 µm est légèrement plus faible que la valeur estimée et attendue à 1.61 µm. L'efficacité de collecte des particules de diamètre supérieur à 2.5 µm est supérieur à 90%.

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Figure 3. Efficacité de collecte pour un debit de 50 m3.h-1.</figcaption></figure>

Enfin, une variation sur une plage de 20 à 80 m3.h-1 a permis de confirmer cette tendance à sur évaluer le diamètre de coupure du modèle, et à sous évaluer la perte de charge.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>Figure 4. Efficacité de collecte pour un debit de 50 m3.h-1.</figcaption></figure>

## 4. SYNTHESE

Au travers de cette étude expérimentale, nous avons pré-dimensionné, conçu et testé une application du concept d'impaction virtuelle. Nous avons pu montrer que le concept de « Virtual Filter System » peut être une solution efficace pour épurer des débits importants de gaz chargés en particules. De futures études devront être conduites pour optimiser le système, étudier l'influence de paramètres tels que le rapport de débit entre flux mineur et flux majeur notamment, ou la distance entre les buses d'accélération et les sondes de collecte.

Marple V. A., Liu B. Y. H., and Burton R. M. (1990) High-volume Impactor for Sampling Fine and Coarse Particles, Journal of the Air & Waste Management Association, 40:5, 762-767

Loo, B. W. and Cork, C. P. (1988) Development of High Efficiency Virtual Impactors, Aerosol Science and Technology, 9:3, 167-176

Sioutas, C., Koutrakis, P., and Burton, R. M. (1995) A Technique to Expose Animals to Concentrated Fine Ambient Aerosols, Environmental Health Perspectives, 172-177