Traitement des sciures et copeaux par cyclone

Source : Wikipédia

Cyclone (séparation)


Un cyclone est une unité technologique imposant une rotation rapide à un gaz afin d'en séparer les fines particules solides qui y sont mélangées.


Schéma simplifié d'un cyclone





Ce procédé ne peut s'appliquer aux petites particules (poussières d'un diamètre de l'ordre d'un centième de millimètre) qui ont tendance à suivre la même trajectoire que le flux gazeux, leur vitesse de chute étant inférieure à 0,3 m/s. Les particules plus grosses sont plus aisément séparées à l'aide de simples décanteurs.

Son faible coût de capitalisation et d'entretien, sa relative simplicité de construction, son utilisation en continu sans accumulation de particules, sa faible consommation en énergie, la possibilité de s'adapter aux conditions de température et de pression du procédé, ainsi que son efficacité jusqu'à des concentrations très importantes en particules en font un équipement de prédilection pour la collecte de particules. Son efficacité de séparation décroît rapidement avec la réduction du diamètre de particules. Les cyclones sont donc utilisés de plus en plus comme pré-dépoussiéreurs. Ils conviennent rarement seuls pour résoudre les problèmes actuels de dépoussiérage car ils sont inopérants sur la tranche la plus fine des poussières, et même peu efficaces pour des particules en dessous de 10 microns.

Il existe également des variantes de cyclones, conçues pour la séparation d'un mélange de particules solides dans un flux liquide, appelés hydrocyclones ou hydroclones. Une application directe serait le traitement des eaux usées.

Principe

Cet appareil utilise la force centrifuge pour une séparation mécanique des particules en suspension dans un fluide. D'autres appareils comme la centrifugeuse utilisent le même principe pour la séparation d'un mélange de plusieurs fluides.

Les cyclones sont des appareils de corps essentiellement cylindro-coniques dans lesquels le mouvement giratoire est obtenu en faisant entrer le fluide tangentiellement à la circonférence, au voisinage de la paroi. Sous l'effet de la force centrifuge, les particules solides prises dans le tourbillon se déplacent vers la paroi, y perdent leur vitesse par frottement et tombent dans la partie inférieure de l'appareil, avant de sortir par le sommet du cône. Le fluide suit la paroi jusqu'au voisinage du sommet, et une fois débarrassé des particules, remonte à la partie supérieure pour sortir par l'ouverture axiale.

Pour que la séparation soit effective, il faut donc que le temps mis par une particule pour atteindre la paroi soit inférieur au temps de séjour moyen d'un élément de fluide dans le cyclone. La cinétique de migration d'une particule quelconque peut alors être étudiée à partir de l'équation exprimant son mouvement dans la direction radiale :



De plus, elle permet de mettre en relation le débit entrant avec la viscosité du fluide ainsi que la taille des particules récoltées, ce qui permet de prédire les dimensions de l'appareil en fonction des exigences d'utilisation.

Détails de construction

Dimensionnement

Même si les dimensions du cyclone sont assez standardisées, l'hydrodynamique en réalité complexe du mélange à l'intérieur (interférences de flux, double vortex, zones de réentrainement, gradients de concentration dans le cylindre) peut rendre délicat sa conception et son dimensionnement. De manière générale, pour obtenir une séparation efficace de particules très fines, un cyclone de petites dimensions, à grand débit et longue trajectoire du fluide, est préférable (en faisant attention toutefois aux pertes de charge). À l'échelle industrielle, ce sont plusieurs cyclones qui sont utilisés en parallèle (on parle alors de multicyclone) ; parfois, pour séparer plusieurs éléments d'un flux, on en place plusieurs différents en série.

Mouvement du fluide et phénomènes de by-pass

Le fluide gazeux effectue idéalement un grand nombre de tours dans l'espace intérieur du cyclone. Cependant, une partie de l'écoulement peut en réalité éviter la descente dans le cylindre. Cette veine de fluide peut remonter directement et longer le toit sans que la séparation n'ait lieu, avant de sortir par l'ouverture axiale, ce qui forme un court-circuit parfois appelé phénomène de by-pass.

Plusieurs solutions ont été mises au point dans les détails de construction du cyclone, comme l'ajout d'un tuyau de sortie percé occupant une grande partie de la hauteur du cylindre, et forçant ainsi le fluide à descendre.

Source : Depollunet


Depollunet
IV - LES DÉPOUSSIÈREURS TRADITIONNELS
4.1.2. Les Cyclones
Ils peuvent être de différents types selon que, dans la zone de séparation des poussières (figure 53), les poussières cheminent ou non dans le même sens que le gaz.

Ils peuvent être :

- soit à retournement de flux :
entrée tangentielle extérieure par volute ou hélicoïdale par-dessus ;

sortie des gaz par une cheminée centrale par le dessus ;

sortie des poussières à la base d'une partie conique.

- soit de type axial :

entrée hélicoïdale des gaz à une extrémité ;
sortie des gaz au centre et des poussières en périphérie à l'autre extrémité.


Effet cyclonique

Fig. 53
Cyclone

1 - Sortie ;
2 - Entrée tangentielle ;
3 - Mouvement centrifuge ;
4 - Zone de séparation ;
6 - Extraction poussières ;
5-7-8 - Sorties poussières
A - Cyclone tangentiel à retournement de flux;
B - Entrée hélicoïdale ;
C - Cellule axiale



Quelque soit le principe, la sortie de poussières peut être améliorée par la ponction d'une faible partie du débit gazeux, qui est recyclé ou traité dans un autre dépoussiéreur.

Les cyclones peuvent être utilisés soit individuellement soit par groupe de 2 à 10 par exemple. Leur diamètre unitaire est généralement compris entre 500 mm et 3000 mm (exceptionnellement plus). On utilise aussi des arrangements multitubulaires (figure 56).



L'appareil comporte alors de nombreux tubes cyclonaires - à retournement de flux ou axiaux - fonctionnant en parallèle et de diamètre unitaire compris le plus souvent entre 100 et 400 mm.

Des calculs théoriques qui ne sont pas développés ici, permettent pour chaque type d'appareil de déterminer un diamètre limite de séparation qui dépend de la masse volumétrique des poussières, de la viscosité des gaz, de la forme et de la dimension du tube du cyclone.

Fonctionnement
Le mélange air-déchets arrivant par la bouche d'entrée est mis en rotation immédiatement, du fait de la courbure de la paroi ; le tourbillon créé transmet aux particules solides une énergie cinétique qui tend à plaquer les déchets les plus grossiers contre la paroi du cylindre C2 (figure 54) quant aux filets d'air ils se dirigent vers le tourbillon ascensionnel qui s'est formé à l'intérieur de C1, à cause de la différence de pression existant entre celle du cyclone et celle de l'atmosphère.

Fonctionnement séparation cyclonique

Fig. 54
Schéma de fonctionnement d'un cyclone




Le prolongement conique à la partie basse du cyclone a pour effet de repousser progressivement vers le tourbillon ascendant les filets d'air descendants et de les intégrer à celui-ci, en même temps qu'il canalise les déchets vers l'orifice d'évacuation inférieure.

Une particule débouche en A dans le cyclone et, par l'action de la force centrifuge, tend à se rapprocher de la périphérie ; elle prend contact avec la paroi en B et se trouve, à partir de ce moment, dans le filet d'air tournant contre la paroi et contenant en suspension une forte concentration de particules.

La valeur de l'angle de rotation à l'intérieur du cyclone, nécessaire pour que la particule touche la paroi, est d'autant plus réduite que la particule est plus lourde.

Perte de charge d'un cyclone
La perte de charge d'un appareil cyclonaire est, pour une configuration donnée proportionnelle à l'énergie cinétique d'entrée.

avec K étant généralement compris entre 3 et 8

Pour une même série d'appareil, de formes homothétiques, ce coefficient K sera constant. Alors que la valeur de K ne peut être obtenue que par une approche expérimentale. Par contre, on peut dire :

anibull2 la perte de charge est proportionnelle au carré du débit d'air ;

anibull2 la perte de charge est proportionnelle à la masse volumique du gaz ;

anibull2 le débit est proportionnel au carré des dimensions de l'appareil, dans une même famille.



fig. 55
Cyclone sur sa charpente



Séparateur multi-cyclones

Efficacité d'un cyclone
Si on considère une poussière obéissant à la loi de STOKES, sa vitesse de décantation v vers la paroi sera :

image41036

L'efficacité d'un cyclone est d'autant meilleure, pour une même série d'appareils, que :

anibull2 la masse volumique m des poussières est plus importante ;

anibull2 le diamètre d des particules est grand ;

anibull2 le diamètre du cyclone (proportionnel à R dans une même famille) est plus petit (d'où l'emploi fréquent de plusieurs cyclones ou appareils multicyclones) ;

anibull2 la perte de charge, proportionnelle à V2, est plus importante et de l'ordre par exemple de 150 à 200 daPa (au-delà, la perte de charge devient économiquement prohibitive et on peut craindre des phénomènes d'abrasion) ;

anibull2 la concentration en poussière est importante (au-delà de 10 g/m3) ;

anibull2 la viscosité des gaz est faible.

(Ces deux derniers paramètres montrent bien la difficulté d'une bonne efficacité pour des gaz de combustion de chaudière.)

Dans le cas d'utilisations courantes, on peut dire qu'à différents débits et températu­res, l'efficacité d'un cyclone dépend essentiellement de la perte de charge sous laquelle il travaille.

EFFICACITÉ D'UN CYCLONE

selon Granulométrie et Type de fabrication pour des déchets de densité 0,8 et une vitesse d'entrée de 13 m/s








On trouvera figures 58, les courbes pour une série de cyclones à haute efficacité. A titre indicatif le tableau ci-dessus donne quelques efficacités, des cyclones type GC (entrée tangentielle) type GCS (entrée spiroïdale) et type HC (entrée tangentielle haute efficacité), pour des poussières de bois. Ces données sont établies à partir d'une vitesse d'entrée de 13 m/s (vitesse idéale pour les déchets de bois) afin d'éviter l'usure et de réduire le bruit

Utilisation des cyclones
Les cyclones sont utilisés de plus en plus comme pré-dépoussiéreurs. Ils conviennent rarement seuls pour résoudre les problèmes actuels de dépoussiérage car ils sont inopérants sur la tranche la plus fine des poussières et peu efficace en dessous des particules de 10 µm. L'arrêté du 1er mars 1993 en interdit pratiquement l'utilisation si la quantité de rejets dépasse 1 kg/h.

Courbe d''efficacité cyclone HC

Fig. 57
Exemples de Courbes pour Cyclone Haute efficacité



Courbe de choix cyclone HC

Fig. 58
Exemples de Courbes pour Cyclone Haute efficacité type HC

Source Airex Industries




Dépoussiéreur cyclone
Séries GP & HE
dépoussiéreur cyclone
Le dépoussiéreur cyclone est souvent utilisé comme pré-séparateur pour les systèmes à haute efficacité ou tout simplement en tant que dépoussiéreur indépendant pour filtrer la poussière brute

Les différents modèles de cyclone
Modèle GP
Conçu afin de minimiser les coûts d'installation et est couramment utilisé pour des applications générales.

Modèle HE
Vise une efficacité supérieure pour les applications plus critiques.

Fonctionnement
fonctionnement système de dépoussiérage cyclone
L'air vicié entre dans le dépoussiéreur cyclone entraîné par un mouvement rotatif. Les particules de poussières en suspension dans l'air subissent alors les effets d'une force centrifuge et, étant plus denses que l'air, sont dirigées vers les parois du dépoussiéreur cyclone. Par gravité, elles tombent vers la sortie de poussière. L'air propre est éventuellement dirigé vers le centre du dépoussiéreur cyclone dans un mouvement rotatif de direction opposée et quitte le dépoussiéreur cyclone par la sortie des gaz.

L'efficacité augmente si :
Le diamètre des particules est élevé
La densité spécifique des particules est élevée
La densité du gaz est faible
Le diamètre de sortie des particules est plus petit, une perte de pression plus élevée en résulte

Une simulation avec notre logiciel conçu à l'interne est exigée afin de bien déterminer toutes les caractéristiques appropriées.

Une belle realisation d'amateur

Bonjour
Les vrais Dieux de l'aéraulique moderne sont aujourd'hui chez Dyson !
Je suis surpris que tu écrives qu'il n'y pas séparation des pârticules fines par effet cyclonique.
Sur quelle théorie sont basés et fonctionnent les aspirateurs sans filtre ?
Bonne semaine à tous.
Papeteme

Ce sont les fabricants de cyclones qui le disent.

Les cyclones d'aspirateurs à copeaux fonctionnent souvent par gravité. Il faut s'imaginer assis sur une particule en bas du cone. Dans cette position, on est soumis à la gravité qui a tendance à nous entrainer vers le bas, et a un courant d'air qui a tendance à nous aspirer vers le haut. La gravité ne dépend que de la masse. La force de l'air ne depend que de la surface qu'on offre au courant d'air (Effet de voile ou d'aile.)

Une petite particule a un rapport surface / volume important. Donc implicitement un rapport surface / masse élevé. Elle est donc plus sensible au courant d'air et moins à la gravité. C'est pour ça que les plus fines poussieres ont moins tendance à tomber. Et les plus fines remontent plus vite qu'elles ne tombent.

Je ne connais rien aux aspirateurs menagers. Mais je pense que la vitesse de l'air doit être plus faible ce qui expliquerait que la taille critique  serait plus faible. Les cyclones industriels font vraiment un bruit insupportable. Je l'ai appris à mes dépens. J'en avais installé un dans un atelier. Deux heures plus tard, le directeur de l'usine m'a demandé de l'enlever. Les délégués du personnel sortaient de son bureau.

Et ils avaient bien fait d'aller se plaindre. Ce bazar devait cracher dans les 100 dB à un metre. Qui supporterait un aspirateur menager qui dépasserait 80 dB ?

Voici un truc simple qui correspond en partie à ce que je cherchais : comment faire un cone avec des moyens rudimentaires.



Trouver une solution à base de plastique non electrostatique de recuperation serait mieux.

-Bonjour
- Magnifique réalisation ! Il y a encore des jeunes qui savent utiliser leur "jus de cervelle" pour piloter leurs mains !
- Par contre j'ai de gros doute sur l'équilibrage de la turbine et sa survie à long terme surtout à 3000 trs/mn ?!?

Nous sommes d'accord.

Des turbines, on en trouve sans trop de difficulté dans les demantelements industriels. D'ailleirs j'en ai une de 3 chevaux.

Au depart, je pensais souffler dehors. Mais je veux ajouter un cyclone pour conserver la chaleur l'hiver et la fraicheur l'été.

Pour l'instant, j'observe ce qui se fait. J'ai d'autres priorités.

Une autre solution pour le cone