Filtres à cartouches pour poussières : conception, matériaux, calcul de la taille des filtres

Lorsqu’il s’agit de dépoussiérer un flux gazeux, les filtres à cartouches peuvent présenter des avantages significatifs par rapport aux filtres à manches conventionnels, notamment en termes de surface de filtration dans un volume réduit. Cette page vous aide à comprendre comment sont fabriqués les filtres à cartouches et comment dimensionner un système de filtration avec des cartouches.

1. Filtres à cartouches : conception

Qu’est-ce qu’un filtre à cartouches ?

Contrairement aux filtres à manches, qui ont l’aspect d’un tissu souple et sont montés sur une cage pour leur donner leur forme, les filtres à cartouches se présentent sous la forme de cartouches rigides plissées. Le média filtrant est disposé en plis, ce qui permet d’atteindre une surface de filtration plus élevée que celle des filtres à manches dans un même volume.

Quelle est la différence entre les filtres à cartouches et les filtres à manches ?

Les filtres à cartouches présentent les avantages et inconvénients suivants par rapport aux filtres à manches :

Avantages des filtres à cartouches par rapport aux filtres à manches

• Surface de filtration plus élevée dans un même volume, permettant ainsi un dépoussiéreur plus compact
• Montage et démontage facilité des cartouches, gain de temps en maintenance
• Meilleure efficacité de filtration
• Durée de vie plus longue si utilisés correctement

Inconvénients des filtres à cartouches par rapport aux filtres à manches

• Coût unitaire plus élevé
• Risques de colmatage entre les plis avec des matériaux collants

Les cartouches sont creuses, ce qui permet à l’air de traverser le média filtrant tout en facilitant le nettoyage de la cartouche par l’envoi d’air pulsé à l’intérieur du corps du filtre. Cependant, le bouchon d’extrémité de la cartouche n’est pas constitué de matériau filtrant et représente donc une surface "perdue", tant pour la filtration que pour l’efficacité de nettoyage, car l’air de nettoyage ne peut pas la traverser.

De nouvelles conceptions ont cependant été introduites récemment, où le bouchon d’extrémité du filtre est remplacé par un cône interne, offrant le double avantage d’étendre la surface de filtration tout en améliorant l’efficacité du nettoyage par impulsions d’air.

2. Matériaux des filtres à cartouches

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

Les matériaux suivants sont couramment utilisés pour les filtres à cartouches :

• Mélanges de cellulose
• Polyester non tissé (spunbond)

Les mélanges de cellulose (cellulose + polyester) sont les matériaux les plus simples et les moins coûteux, mais ils offrent des performances relativement faibles par rapport au polyester, qui tend à être plus performant et constitue le matériau de base pour ces cartouches. Le polyester non tissé (spunbond) offre une meilleure filtration, une perte de charge réduite, un nettoyage plus efficace avec un système à jet pulsé et une durabilité accrue.

Ces deux médias assurent la filtration en permettant à la poussière de pénétrer dans le matériau, ce qui génère une perte de charge élevée.

La matrice de base en polyester peut être améliorée en appliquant une couche de matériau spécial qui permet de retenir la poussière en surface et ainsi éviter une pénétration profonde dans le matériau :

• Nanofibres : une couche très fine (< 1 micron) de nanofibres (< 0,3 micron) est appliquée sur le matériau support. Cela permet d’empêcher les particules fines de pénétrer profondément dans la cartouche et de la colmater. Par conséquent, cela facilite également le nettoyage du filtre.

• Stratifié par fusion-soufflage (meltblown) : un thermoplastique est fondu et soufflé sur le matériau support. Cela améliore l’efficacité de filtration, mais certaines poussières peuvent pénétrer profondément dans le stratifié, ce qui peut rendre le nettoyage difficile.

• ePTFE : une membrane en PTFE peut être facilement appliquée sur la surface des cartouches. La membrane permet une meilleure efficacité de filtration tout en réduisant l’adhérence des particules, favorisant ainsi un nettoyage efficace. Les performances sont similaires à celles des nanofibres, mais permettent d’atteindre une efficacité plus élevée ; en conséquence, le coût est également plus élevé que les traitements aux nanofibres.

La densité des plis doit également être prise en compte lors de la sélection d’un filtre à cartouches. Il est en effet tentant d’augmenter le nombre de plis pour accroître la surface de filtration. Cependant, cela peut entraîner des problèmes, car la poussière s’accumulera plus facilement entre les plis, réduisant ainsi significativement la surface de filtration effective. Un équilibre doit donc être trouvé, ce qui dépend fortement du matériau traité.

De plus, si la densité des plis est élevée, il est intéressant d’envisager des conceptions de cartouches avec des entretoises qui empêchent les plis de se toucher et de fermer l’espace entre eux. Les entretoises peuvent être externes ou internes à la cartouche.

D’autres options sont disponibles, telles que des médias filtrants ignifuges.

3. Filtres à cartouches : calcul de la surface de filtration requise et dimensionnement des filtres

Dimensionnement des filtres à cartouches : comment dimensionner un système de filtration à cartouches ?

Lors de la conception d’un dépoussiéreur utilisant des filtres à cartouches, les critères de dimensionnement suivants doivent être étudiés : rapport air-média (vitesse de filtration), vitesse interstitielle et vitesse dans l’enceinte ("can velocity").

3.1 Rapport air-média pour les filtres à cartouches

Le rapport air-média est en réalité similaire à la vitesse de filtration, calculée en divisant le débit volumétrique d’air à l’entrée du dépoussiéreur par la surface totale de filtration installée.

Rapport_Air_Média = Q_{_air}/S_{_filtre_effective}

avec :

Q_{_air} = débit total d’air à l’entrée du dépoussiéreur (m³/s)
S_{_filtre_effective} = surface réelle du filtre disponible (m²)

Aux États-Unis, le même calcul est effectué mais avec des unités en cfm et ft²,² ce qui donne un rapport air-média en ft/min. Il est important de connaître les unités dans lesquelles le rapport est exprimé, car les valeurs diffèrent.

Pour les filtres à manches, les références bibliographiques mentionnent des vitesses de filtration allant jusqu’à 0,06-0,07 m/s, mais les vitesses de filtration dans les filtres à cartouches sont généralement plus faibles, de l’ordre de 0,025 m/s, parfois 3 fois inférieures à celles des filtres à manches. Une valeur de 0,025 m/s est une bonne approximation initiale, 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 indique une perméabilité de 150 m^³/m^²/h, ce qui correspond à une vitesse de filtration ou un rapport air-média de 150 m/h = 0,0416 m/s, valeur légèrement supérieure à celle indiquée précédemment.

Le rapport air-média est le critère de conception le plus couramment discuté pour les filtres. Cependant, pour les systèmes à jet pulsé où les cartouches sont montées verticalement et l’entrée d’air chargé de poussière se situe 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 tomber. L’air montant réentraînera en effet immédiatement la poudre, rendant le nettoyage par jet pulsé inefficace.

3.2 Vitesse dans l’enceinte ("can velocity")

La vitesse dans l’enceinte ("can velocity") est définie comme le débit volumétrique d’air divisé par la section transversale de la chambre de filtration.

Vitesse_boîte = Q_air/S_chambre

Avec :

Q_air = débit total d’air à l’entrée du dépoussiéreur à manches (m^³/s)
S_chambre = surface transversale de la chambre de filtration (m^²)

3.3 Vitesse interstitielle

La vitesse interstitielle est la vitesse entre les filtres, ce qui signifie qu’elle est définie par le débit volumétrique d’air divisé par (la surface transversale de la chambre moins la somme des surfaces transversales des filtres)

Vitesse_interstitielle = Q_air/(S_chambre-S_{section_filtres})

Avec :

Q_air = débit total d’air à l’entrée du dépoussiéreur à manches (m^³/s)
S_chambre = surface transversale de la chambre de filtration (m^²)
Ssection_filtres = somme des surfaces transversales des filtres

3.4 Un critère supplémentaire

[Kenchin], dans un article, propose un critère supplémentaire pour les filtres à cartouches : la vitesse périphérique d’écoulement d’air. En effet, la vitesse de filtration (ratio air/toile) est calculée sur la surface totale de filtration des cartouches, incluant tous les plis. Cependant, l’"enveloppe" du filtre présente une surface bien inférieure à celle des plis, ce qui signifie que la vitesse de l’air, lorsqu’il s’approche des cartouches, sera bien plus élevée. Pour certaines poussières, cette vitesse périphérique peut être trop élevée pour permettre leur dépôt hors du filtre, empêchant ainsi un nettoyage efficace.

Vitesse_périphérique = Q_air/[n_cartouche*(S_périphérie)]

Avec :

Q_air = débit total d’air à l’entrée du dépoussiéreur à manches (m^³/s)
n_cartouche = nombre de cartouches dans la chambre de filtration
Spériphérie = surface de l’enveloppe de la cartouche filtrante (m^²)

Source

[Kenchin] Conception d’un dépoussiéreur à cartouches pour un meilleur
nettoyage des filtres et une performance fiable, Kenchin, PBE