Collecte de brouillard : Éléments de base et applications

Les entreprises métallurgiques utilisent les dépoussiéreurs sur leurs outils d’usinage afin de délivrer un air purifié pour réduire les effets négatifs à l’exposition des fluides métallurgiques, se conformer aux normes en matière de qualité de l’air, réduire les coûts de maintenance, réduire les coûts d’entretien et améliorer la qualité des pièces. Bien que les avantages de la récupération du brouillard soient nombreux, les choix en matière d’équipements de récupération du brouillard peuvent être complexes. Cet article examine les différents types de dépoussiéreurs en fonction de leurs principes de base en matière de séparation des gouttelettes depuis un flux d’air. Les sujets sont :

• définitions du brouillard et des fumées ;
• Efficacité visible
• Caractéristiques de performances
• Fonctionnement de base pour les différents types de dépoussiéreurs
• Optimisation des filtres
• Mesurage de l’efficacité du dépoussiéreur

Brouillard et fumées

En général, on peut définir le brouillard comme des gouttelettes de liquide dont le diamètre est égal ou inférieur à 20 microns. Cet article se concentre principalement sur les applications qui utilisent des lubrifiants d’huile et solubles dans l’eau, ainsi que des fluides réfrigérants. Ces lubrifiants et fluides réfrigérants sont employés dans de nombreuses applications, notamment la découpe et la mise en forme des métaux, le meulage, le nettoyage des pièces et autres. Par exemple, les opérations de broyage et de tour utilisant des fluides métallurgiques solubles dans l’eau produisent généralement des gouttelettes de 2 à 20 microns. Les mêmes opérations utilisant des fluides huileux produisent généralement des gouttelettes de 0,5 à 10 microns.

Les fumées sont généralement beaucoup plus petites, de 0,07 à 1 micron de diamètre, et peuvent être des aérosols liquides ou solides qui proviennent d’une combustion ou d’une condensation incomplète d’une vapeur supersaturée¹. On parle parfois de vapeur thermogénérée, ou de fumées huileuses. Des applications communes qui génèrent des fumées sont la frappe à froid, l’usinage de métaux durs avec de l’huile pure, l’utilisation de réservoirs d’huile sur de larges générateurs et le traitement thermique.

Efficacité visible

Certains fabricants pensent que s’ils ne voient pas de brouillard, c’est que celui-ci n’existe pas. Ce point de vue ne tient pas compte des dommages que le brouillard submicronique peut causer à l’environnement de fabrication en termes d’exposition des travailleurs, de maintenance et d’entretien, ou encore de conformité aux normes d’émissions et de qualité de l’air intérieur. De fait, l’œil humain ne peut pas percevoir de gouttelettes individuelles mesurant moins de 40 microns, mais il existe des preuves substantielles que des gouttelettes plus petites sont présentes dans de nombreuses opérations métallurgiques. Vous ne pouvez peut-être pas les voir, mais vous pouvez les sentir. 

Caractéristiques de performances

La principale fonction d’un dépoussiéreur est d’extraire les gouttelettes de brouillard et de fumée du flux d’air filtré. Pour accomplir cette tâche, un dépoussiéreur doit fusionner les petites gouttelettes en de plus grosses, puis doit drainer le fluide réfrigérant récupéré sur les filtres avant leur piégeage.

Les performances d’un dépoussiéreur peuvent être caractérisées par trois propriétés mesurables :

• Perte de charge : la perte de charge fonctionnelle du dépoussiéreur est importante dans le cadre de l’équation du coût de l’énergie. Des pertes de charge plus élevées signifient que davantage d’énergie est requise pour extraire le débit d’air nécessaire à travers le dépoussiéreur.
• Efficacité : l’efficacité du dépoussiéreur dans le retrait des gouttelettes de brouillards et de fumées depuis le flux d’air est important, car il détermine la pureté de l’air qui quitte le dépoussiéreur et est ventilé dans l’environnement intérieur. C’est pourquoi il faut installer un dépoussiéreur : pour purifier l’air. L’efficacité est la principale mesure permettant de connaître la pureté de l’air lorsqu’il quitte le dépoussiéreur.
• Débit : le débit du dépoussiéreur est important, car il détermine dans quelle mesure l’air sera propre. Si le débit est trop faible, moins d’air chargé de brouillard ou de fumées sera extrait du dépoussiéreur et capturé par le système conçu à cet effet. Si le débit est trop élevé, l’énergie sera perdue à mesure que le surplus d’air sera extrait à travers le dépoussiéreur. Un débit d’air constant est également souhaitable afin de maintenir l’efficacité cohérente de la récupération de gouttelettes.
  

En plus de la conception de base du dépoussiéreur, il existe plusieurs propriétés des brouillards qui ont un effet sur les performances du dépoussiéreur :

• La concentration du brouillard : la quantité de brouillard contenue dans un volume d’air varie considérablement d’une application à l’autre. Des concentrations de brouillard mesurées aussi faibles que 3 mg/m³ et aussi élevées que 37 mg/m³ ont été observées lors de tests sur le terrain. Il est possible que les applications réelles fassent apparaître une gamme encore plus grande de concentrations de brouillard. Les limites OSHA pour les fluides métallurgiques aériens varient, de 5 mg/m³ (exposition de 8 heures) pour l’huile minérale, à 15 mg/m³ (exposition de 8 heures) pour les autres réfrigérants. Les limites recommandées par le NIOSH sont plus faibles : 0,4 mg/m³. ² Dans un environnement de bureau général, les concentrations de particules sont généralement comprises entre 0,02 et 0,03 mg/m³, substantiellement inférieures que les concentrations de brouillard à proximité des opérations de métallurgie.
  
• Température du brouillard : la condensation peut se produire lorsque le brouillard à températures élevées refroidit, ce qui peut avoir un impact sur la taille des gouttelettes et les méthodes de récupération. Pour les réfrigérants à base d’eau, l’eau s’évapore à des températures plus élevées et à des taux d’humidité relative plus faibles, créant ainsi des gouttelettes de plus petites tailles. Les limites des températures de fonctionnement du support filtrant doivent également être prises en compte lors de la sélection d’une technologie de récupération des brouillards ou fumées.
• Type de brouillard : différents types de gouttelettes de brouillard ont différentes tensions de surface et propriétés de viscosité, ce qui a un impact sur la capacité d’un dépoussiéreur à fusionner et à drainer le brouillard.
• Distribution de la taille des gouttelettes : en général, il est plus facile de capturer les gouttelettes de grande taille, mais elles peuvent également contribuer considérablement à la masse globale de liquide contenu dans le brouillard qui doit être drainé à partir du collecteur. La Figure 1 illustre la distribution hypothétique des tailles des gouttelettes de brouillard et de fumées.
  
• Inclusions : si le brouillard est propre, il ne contient pas de particules sèches et nous devons seulement fusionner et drainer le liquide. En revanche, un brouillard sale contient également une fraction de particules sèches (copeaux) qui doivent être séparées du flux d’air.

Fonctionnement de base pour les différents types de dépoussiéreurs

Les gouttelettes de brouillard peuvent être capturées de plusieurs manières.

Précipitation électrostatique

Les précipitateurs électrostatiques fonctionnent en extrayant l’air brumeux avec un ioniseur qui confère à chaque gouttelette une charge positive ou négative. Les gouttelettes sont ensuite capturées par des cellules de collecte qui utilisent une tension alternative élevée et des plaques reliées à la afin de pousser ou tirer les gouttelettes chargées. Les gouttelettes fusionnent sur les plaques et sont drainées par le biais du dépoussiéreur. Les précipitateurs électrostatiques présentent de nombreux avantages : aucun filtre à remplacer, consommation d’énergie relativement faible, et efficacité élevée lorsque l’appareil est neuf et entièrement nettoyé. Toutefois, les précipitateurs électrostatiques sont peu utilisés en raison de leurs exigences de maintenance extrêmement difficiles et fréquentes. Les composants d’un précipitateur électrostatique doivent être maintenus soigneusement propres afin d’assurer l’efficacité de la charge et de la récupération des gouttelettes. Même avec une maintenance régulière, il peut y avoir des difficultés supplémentaires. Tout dommage aux plaques chargées dans la cellule de récupération peut provoquer des arcs électriques. De même, les applications présentant des poussières métalliques, des éclats ou des copeaux collectés avec les gouttelettes de brouillard peuvent générer des arcs électriques dans le précipitateur électrostatique. Enfin, les précipitateurs électrostatiques génèrent de l’ozone, connu comme polluant de l’air intérieur et produit irritant.

Séparation inertielle

Les condenseurs qui reposent sur le principe de la séparation inertielle fonctionnent de la manière suivante pour séparer les gouttelettes aéroportées dans un flux d’air. Si le flux d’air est dévié autour d’une surface, les gouttelettes sont en mouvement et poursuivent leur trajectoire. Elles atteignent la surface, fusionnent avec d’autres gouttelettes et finissent par être drainées. Bien qu’il existe plusieurs types et styles différents de séparation inertielle, toutes ces méthodes ont quelques points en commun. Premièrement, les séparateurs inertiels peuvent fonctionner sans mécanisme de filtration de barrière et ne contiennent généralement aucun filtre primaire à changer. Toutefois, ils nécessitent généralement une maintenance assez régulière visant à éliminer toute contamination sur leurs composants. Par ailleurs, la séparation inertielle est plus efficace sur les grosses gouttelettes étant donné que la récupération de celles-ci dépend du fait qu’elles ne suivent pas le flux d’air. Les gouttelettes plus larges ont une masse plus importante, sont plus dynamiques et ont davantage tendance à atteindre surface de collecte. Les séparateurs inertiels sont généralement peu efficaces sur les gouttelettes mesurant moins de 1 à 2 microns de diamètre. Enfin, pour les séparateurs inertiels électriques à rotation, la matière solide peut être récupérée et obstruer les pièces rotatives, ce qui peut provoquer une situation de déséquilibre en transmettant des vibrations à la machine-outil et avoir un impact négatif sur les tolérances des pièces usinées.

Support filtrant

Les dépoussiéreurs qui utilisent des filtres fibreux reposent sur quatre mécanismes de filtration pour retirer les gouttelettes de brouillard et de fumées d’un flux d’air (voir Figure 2 ) :

1. Le tamisage est le mécanisme de filtration le plus utilisé pour collecter des gouttelettes plus grandes, supérieures à 10 microns. Le tamisage se produit lorsque la gouttelette est physiquement trop large pour passer entre deux fibres ou plus. Le tamisage est le procédé qui empêche un insecte voltant de traverser la moustiquaire d’une fenêtre. Lorsque la gouttelette touche une fibre, elle adhère à la surface, fusionne avec d’autres gouttelettes et est drainée depuis le collecteur.
   

2. L’impaction inertielle est le mécanisme de filtration consistant à recueillir principalement les gouttelettes mesurant un micron et au-delà. L’impaction inertielle se produit lorsque le flux d’air est déplacé par la fibre du support alors que la gouttelette continue sa course d’origine en raison de sa masse.
   

3. L’interception est le mécanisme de filtration qui récupère principalement les gouttelettes de 0,1 à 1 micron. L’interception se produit lorsqu’une gouttelette suit un flux d’air, mais se rapproche assez d’une fibre pour y adhérer.
   

4. La diffusion est le mécanisme de filtration qui collecte principalement les gouttelettes très fines de moins de 0,1 micron. Compte tenu de la taille de ces gouttelettes, elles sont influencées par les forces moléculaires présentes dans le flux d’air, qui provoquent le déplacement des gouttelettes dans la même direction que le flux d’air, tout en se déplaçant indépendamment de celui-ci.

Une fois que les gouttelettes adhèrent aux fibres du support filtrant, elles fusionnent avec d’autres gouttelettes sur les fibres. Lorsque la gouttelette fusionnée est suffisamment volumineuse, la force de gravité tire la gouttelette le long de la fibre, ou elle est drainée. L’un des compromis les plus importants en matière de filtration de brouillards consiste à trouver un équilibre entre le besoin de drainer les gouttelettes et la nécessité d’obtenir une efficacité élevée. Des efficacités de filtration plus élevées peuvent être atteintes en utilisant de plus petites fibres. Mais les plus petites fibres ont besoin de résine pour préserver la cohésion du filtre, et cette résine empêche la vidange efficace du liquide fusionné (voir la Figure 3). Le filtre fabriqué à partir de petites fibres tend à se colmater facilement avec le liquide récupéré, similaire à l’utilisation d’un filtre HEPA sans pré-séparation (Figure 4). Lorsque le support filtrant est fabriqué à partir de fibres larges, les caractéristiques de drainage sont largement améliorées, mais la capacité du support à capturer les gouttelettes de brouillard (notamment les plus petites) est considérablement compromise.