Filtres à manches : conception, matériaux, calcul de la taille du filtre

Les filtres à manches sont la technologie de filtration la plus ancienne et la plus courante utilisée pour capturer la poussière dans un flux de gaz, généralement de l'air. Bien qu'il s'agisse d'une technologie ancienne, un dépoussiéreur bien dimensionné avec un média de filtration moderne peut atteindre de hautes performances de dépoussiérage. Cette page vous aide à comprendre comment sont fabriqués les filtres à manches et comment dimensionner un dépoussiéreur à manches.

1. Filtres à manches : conception

Qu'est-ce qu'un filtre à manches ?

Les filtres à manches sont constitués d'un média de filtration souple monté sur une cage (généralement en métal tel que l'acier inoxydable) qui leur confère une résistance mécanique. Les manches filtrantes sont soit cylindriques soit rectangulaires et sont assemblées dans une tremie qui permet de les positionner facilement à la distance requise les unes des autres pour une bonne filtration.

Quelle est la différence entre un filtre à manches et un filtre à cartouche ?

Les filtres à manches présentent les avantages et les inconvénients suivants par rapport aux filtres à cartouche.

Avantages des filtres à manches par rapport aux filtres à cartouche

• Coût unitaire inférieur
• Pas de risque d'obstruction entre les plis comme c'est le cas pour les cartouches.
• Peuvent gérer des vitesses de filtration plus élevées

Inconvénients des filtres à manches par rapport aux filtres à cartouche

• Surface de filtration inférieure dans le même volume
• Plus difficile à assembler, prend plus de temps à entretenir
• Pour la plupart des matériaux courants, efficacité de filtration inférieure

Il est essentiel de fixer correctement la manche à sa cage de support, ainsi que la cage à la plaque de support. Cela garantit qu'aucune manche filtrante ne peut glisser ou tomber, ce qui aurait pour conséquence de créer une fuite de poudre et éventuellement la présence de corps étrangers sur le produit. Le contact entre la manche filtrante et la plaque de support est également essentiel pour assurer la continuité électrique et ainsi gérer les risques d'explosion de poussière qui pourraient être déclenchés par une manche chargée générant soudainement des étincelles lorsque la tension est suffisamment élevée.

2. Matériaux de construction des filtres à manches

Combien de types de filtres à manches existe-t-il ?

Il existe 2 grandes technologies pour la fabrication de filtres à manches :

• Filtres à média tissé
• Filtres à média feutré

Les filtres à média tissé sont la conception la plus ancienne et sont maintenant moins répandus. Ils sont principalement utilisés dans les dépoussiéreurs utilisant un flux d'air inverse ou le secouage des filtres comme mécanismes de nettoyage. Les matériaux utilisés dans les filtres tissés sont généralement en fibre de verre ou en polyester. Les médias tissés ont généralement des efficacités plus faibles que les médias feutrés en raison de leur structure tissée très bien agencée.

Les filtres à média feutré sont non tissés et sont fabriqués à partir de fibres courtes disposees de manière à former un réseau complexe de fibres. Les médias feutrés sont parfois soutenus par une couche tissée appelée toile. Cet type de filtres est généralement fabriqué dans l'un des matériaux suivants : feutre en polyester (le plus courant), feutre en aramide (résistance plus élevée aux températures par rapport au polyester), feutre en PTFE (offre une résistance supérieure aux produits chimiques et aux températures). Les filtres feutrés sont le type de média le plus efficace pour une utilisation dans les dépoussiéreurs à decolmatage automatique par un jet d'air comprime.

Un certain nombre d'améliorations du média filtrant peuvent être apportées grâce à des traitements spécifiques ou en utilisant un mélange de fibres. Les améliorations les plus courantes apportées aux manches filtrantes sont énumérées ci-dessous. Cela concerne principalement les médias feutrés :

• Sans traitement : les filtres feutres sont sensibles à la pénétration de la poussière dans le média de filtration. La poussière fine pénètre d'abord à l'intérieur du filtre, se coince entre les fibres, puis une fois cette première phase terminée, la poussière commence à s'accumuler en couche à la surface du filtre, formant ce que l'on appelle un gâteau de filtration. Le gâteau agit en fait comme un filtre en lui-même et améliore ainsi l'efficacité de la filtration. Cependant, la pénétration de la poussière continue toujours au fil du temps et entraîne une augmentation de la perte de charge du filtre et avec le temps, son colmatage. Ces filtres sont un bon choix si la poussière n'est pas trop fine et si le débit d'air n'est pas trop élevé
• Revêtement : pour traiter un filtre, de l'acrylique ou du PTFE est pulvérisé à la surface du filtre. Le revêtement n'est pas continu et ne prévient donc pas la pénétration profonde de la poussière dans le média de filtration. Cependant, notamment pour les grosses particules, il aide à libérer le gâteau de poussière et offre ainsi une meilleure facilité de nettoyage.
• Membrane : une membrane en PTFE est appliquée à la surface du filtre en polyester. La membrane crée une fine couche continue qui empêche même les petites particules de pénétrer dans la matrice en polyester. Cela permet d'obtenir une meilleure filtration, moins de perte de pression et une meilleure libération du gâteau de poussière, et donc un nettoyage plus efficace.

Les filtres spéciaux offrent des solutions à certains des problèmes couramment rencontrés par les industriels. [Scoble] donne des suggestions sur le choix du filtre pour répondre à des problèmes spécifiques :

Difficulté de décollement du gâteau de poussière (colmatage du filtre dû à une épaisse couche de matériau)	Filtres en feutre glacé Utiliser une membrane en PTFE
Fuite de poussière	Utiliser des filtres en feutre composés de fibres ultra fines (micro-deniers) Utiliser un mélange de fibres spécifique Utiliser une membrane en PTFE
Usure du filtre	Utiliser un filtre enduit d'une solution en silicone
Filtration de poussières fibreuses	Filtres en feutre glacé Utiliser une membrane en PTFE

3. Filtres à manches : calcul de la surface de filtration requise, dimensionnement du filtre

Dimensionnement du filtre à manches : comment dimensionner un système de filtre à manches ?

Lors de la conception d'un dépoussiéreur utilisant des filtres à manches, les critères de dimensionnement suivants doivent être étudiés : rapport air/cloth (vitesse de filtration), vitesse interstitielle et "can velocity".

3.1 Rapport air/media pour les cartouches de filtre

Le rapport air/media est en réalité similaire à la vitesse de filtration de l'air calculée en divisant le débit d'air volumétrique à l'entrée du dépoussiéreur par la surface totale de filtration installée.

Rapport_Air_Cloth = Q_air/S_{filter_effective}

avec :

Q_air = débit d'air total à l'entrée du dépoussiéreur (m3/s)
S_{filter_effective} = surface de filtre réelle disponible (m2)

aux États-Unis, le même calcul est effectué mais avec cfm et ft², ce qui donne un rapport air/cloth en ft/min, il est important de savoir dans quelles unités le rapport est exprimé.

Pour les filtres à manches, les références de la littérature mentionnent des vitesses de filtration allant jusqu'à 0,06-0,07 m/s, mais des valeurs plus précises peuvent être obtenues à partir des données des fabricants.

Exemple : les données suivantes sont fournies par un fabricant de cartouches

Le fabricant donne une perméabilité de 65 l/dm2.min, ce qui signifie une vitesse de filtration ou un rapport air/tissu de 0,108 m/s, ce qui semble légèrement supérieur à la valeur donnée ci-dessus.

Le rapport air/média est le critère de conception le plus couramment discuté pour les filtres. Cependant, pour les systèmes à decolmatage par air compresse où les sacs sont montés verticalement et où l'air poussiéreux entre sous les cartouches, la vitesse de l'air en dessous, et entre les filtres, ne doit pas être négligée. Si elle est trop élevée, elle empêchera la poussière décollée des filtres lors d'une impulsion d'air comprimé de retomber. L'air montant remettra en effet immédiatement en suspension la poudre, ce qui rendra le nettoyage par jet pulsé inefficace.

3.2 "Can velocity"

La vitesse de l'air ascendant dans la tremie est appelee "can velocity" et est définie comme le débit d'air volumétrique divisé par la section transversale de la chambre de filtration.

Can_Velocity = Q_air/S_chamber

Avec :

Q_air = débit d'air total à l'entrée du dépoussiéreur (m³/s)
S_chamber = section transversale de la chambre de filtration (m²)

3.3 Vitesse interstitielle

La vitesse interstitielle est la vitesse entre le filtre, ce qui signifie qu'elle est définie par le débit d'air volumétrique divisé par (la section transversale de la chambre - la somme des sections transversales des filtres)

Vitesse_Interstitielle = Q_air/(S_chamber-S_{section_filters})

Avec :

Q_air = débit d'air total à l'entrée du dépoussiéreur (m³/s)
S_chamber = section transversale de la chambre de filtration (m²)
S_{section_filters} = somme des sections transversales des filtres (m²)

La vitesse interstitielle est probablement le facteur le plus important pour l'efficacité du nettoyage par air comprime. Pour que le dépoussiéreur fonctionne efficacement, la vitesse interstitielle doit être suffisamment basse pour permettre à la poussière de se détacher des filtres lors de l'impulsion d'air comprimé, mais suffisamment élevée pour que la poussière décollée puisse retomber dans la trémie de collecte de poussière. En général, une valeur de 1,5 à 2 m/s est considérée comme un bon compromis.

Remarque : les auteurs suggèrent que la vitesse interstitielle ne doit pas être supérieure à 2,3 à 2,5 m/s pour éviter que la poussière ne soit emportée par le flux d'air montant, mais d'autres sources disent que 3 m/s est acceptable, il semble y avoir un certain débat sur cette valeur.

Exemple : le débit d'air est de 100 000 m³/h, il y a 10 filtres (1,3 m de diamètre), la section de la chambre de filtration est de 2 m par 2 m, la somme des sections transversales des filtres est de 0,166 m².

La vitesse "can velocity" est :

Can_Velocity = 100 000/4 = 25 000 m³/h/m² = 6,94 m/s (notez qu'il s'agit d'une vitesse élevée pour la boîte).

La vitesse interstitielle est :

Vitesse_Interstitielle = 100 000/4-0,166 = 25 000/3,834 = 6,52 m/s.

Il est donc préférable de réduire la section de la tremie ou de placer un déflecteur pour réduire la vitesse interstitielle à environ 2 m/s (environ 7 m/h) en évitant d'augmenter la vitesse ascendante dans la tremie.

Remarque : la vitesse interstitielle peut être réduite en augmentant le nombre de sacs, mais cela signifie également qu'il y aura moins de place entre chaque sac pour la poussière décollée pour retomber.

Lors de l'évaluation de la vitesse interstitielle, il est important de prendre en compte non seulement la surface totale de filtration, mais aussi le diamètre des sacs. Des filtres plus grands peuvent permettre une vitesse interstitielle plus élevée sans perte d'efficacité.

Les calculs ci-dessus montrent que les valeurs de "can velocity", de la vitesse interstitielle et du rapport air/media sont étroitement liées, de sorte que des changements dans l'une de ces valeurs auront un impact sur les autres. Il est donc important de les évaluer ensemble lors de la conception d'un système de dépoussiérage à manches.

3.4 Conception du dépoussiéreur

La conception du dépoussiéreur lui-même est également un facteur important. Les dépoussiéreurs à manches peuvent être conçus avec des chambres simples ou multiples, en fonction des besoins de l'application. Certaines configurations courantes comprennent les dépoussiéreurs à manches à compartiments multiples et les dépoussiéreurs à manches à rangées multiples. La conception doit également tenir compte de la disposition des manches filtrantes, de la manière dont elles sont fixées et de l'accès pour l'entretien.

En outre, il est important de choisir le bon mécanisme de nettoyage des manches. Les mécanismes courants comprennent les systèmes de secouage mécanique, les systèmes de jet pulsé et les systèmes de secouage par air inverse. Le choix dépendra de divers facteurs, notamment le type de poussière, la fréquence d'entretien, les coûts opérationnels et d'autres considérations spécifiques à l'application.

3.5 Considérations opérationnelles

Enfin, il est essentiel de prendre en compte les considérations opérationnelles lors de la conception et de l'utilisation d'un dépoussiéreur à manches. Cela comprend la surveillance de la performance, la maintenance régulière, le remplacement des manches filtrantes usées, et le respect des normes de sécurité et environnementales applicables.

4. Calculateur Excel de la taille du filtre

Pour vous aider à dimensionner un filtre à manches, vous pouvez utiliser un calculateur Excel spécialement conçu à cet effet. Ce calculateur vous permettra de déterminer la surface de filtration requise en fonction de vos besoins spécifiques en matière de débit d'air, de type de poussière et de critères de performance.

Téléchargez le calculateur Excel de la taille du filtre à manches pour commencer à dimensionner votre dépoussiéreur.

Attention : ce calculateur est fourni pour illustrer les concepts mentionnés sur cette page web, il n'est pas destiné à la conception détaillée. Il ne s'agit pas d'un produit commercial, aucune garantie n'est donnée quant aux résultats. Veuillez consulter un concepteur réputé pour toute conception détaillée dont vous pourriez avoir besoin.

Références :

[Scoble] - M.J. Scoble, "Filtration and Cleaning of Industrial Air," Noyes Publications, 1998.