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

Les filtres à manches constituent la technologie de filtration la plus ancienne et la plus courante utilisée pour capturer les poussières dans un flux gazeux, généralement de l’air. Bien que cette technologie soit ancienne, un dépoussiéreur à manches bien dimensionné, équipé de médias filtrants modernes, peut atteindre des performances élevées en matière 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 de médias filtrants souples et flexibles, montés sur une cage (généralement métallique, comme l’acier inoxydable), qui leur confère une résistance mécanique. Les manches filtrantes sont soit cylindriques, soit rectangulaires, et assemblées dans un dépoussiéreur à manches, ce qui permet de les positionner facilement avec l’espacement requis entre chaque manche pour une filtration optimale.

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

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

Avantages des filtres à manches par rapport aux filtres à cartouches

• Coût unitaire inférieur
• Aucun risque de colmatage entre les plis, contrairement aux cartouches.
• Peuvent supporter des vitesses de filtration plus élevées

Inconvénients des filtres à manches par rapport aux filtres à cartouches

• Surface de filtration réduite pour un même volume
• Montage plus complexe et maintenance plus longue
• Pour les matériaux les plus courants, efficacité de filtration inférieure

Il est crucial d’assurer un ancrage solide de la manche sur sa cage de support, et de la cage sur la plaque de support. Cela garantit qu’aucune manche ne puisse glisser ou tomber, ce qui entraînerait une fuite de poussières ainsi que des risques de corps étrangers dans le produit. Le contact entre le filtre à manches et la plaque de support est également critique pour assurer la continuité électrique et ainsi gérer les risques d’explosion de poussières qui pourraient être déclenchés par une manche se chargeant électriquement et générant soudainement des étincelles lorsque la tension est suffisamment élevée.

2. Matériaux des filtres à manches

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

Il existe 2 technologies majeures pour la fabrication des filtres à manches :

• Filtres en média tissé
• Filtres en média feutré ("needlefelt")

Les filtres en média tissé représentent la conception la plus ancienne et sont aujourd’hui moins répandus. Ils sont principalement utilisés dans les dépoussiéreurs à manches employant des mécanismes de nettoyage par air inversé ou par secousses. Les matériaux utilisés pour les médias tissés sont généralement la fibre de verre ou le polyester. Les médias tissés offrent généralement une efficacité inférieure à celle des médias feutrés en raison de leur structure tissée et bien organisée.

Les filtres en média feutré ne sont pas tissés et sont fabriqués à partir de fibres courtes aiguilletées ensemble pour former un réseau complexe de fibres. Les médias feutrés sont parfois renforcés par une couche tissée appelée "toile de support" (scrim). Les filtres à manches en feutre aiguilleté sont généralement constitués de l’un des matériaux suivants : feutre de polyester (le plus courant), feutre d’aramide (meilleure résistance à la température que le polyester), feutre de PTFE (offre une résistance supérieure aux produits chimiques et à la température). Les filtres feutrés sont les médias les plus efficaces pour une utilisation dans les dépoussiéreurs à nettoyage par impulsions d’air ("pulse jet").

Un certain nombre d’améliorations des médias filtrants peuvent être réalisées grâce à des traitements spécifiques ou en utilisant un mélange de fibres. Les améliorations les plus courantes pour les médias filtrants à manches sont énumérées ci-dessous. Elles concernent principalement les médias feutrés :

• Sans traitement : les filtres en feutre aiguilleté sont sensibles à la pénétration des poussières dans le média filtrant. Les fines poussières pénètrent d’abord à l’intérieur du filtre, se coincent entre les fibres, puis, une fois cette première phase terminée, les poussières commencent à s’accumuler en surface sous forme de couche, formant ce qu’on appelle un "gâteau de poussière". Ce gâteau agit en réalité comme un filtre supplémentaire et améliore ainsi l’efficacité de la filtration. Cependant, la pénétration des poussières se poursuit avec le temps, entraînant une augmentation de la perte de charge du filtre et, à terme, son colmatage. Ces filtres sont de bons choix si la poussière n’est pas trop fine et si le débit d’air n’est pas trop élevé.
• Revêtement ("coating") : pour revêtir un filtre, un produit acrylique ou du PTFE est pulvérisé sur la surface du filtre. Le revêtement n’est pas continu et n’empêche donc pas la pénétration profonde des poussières dans le média filtrant. Cependant, surtout pour les grosses particules, il facilite le relâchement du gâteau de poussière et offre ainsi une meilleure nettoyabilité.
• Membrane : une membrane en PTFE est appliquée sur la surface d’un média feutré en polyester. La membrane crée une couche très fine et continue qui empêche même les petites particules de pénétrer dans la matrice polyester. Cela permet d’obtenir une meilleure filtration, une perte de charge réduite et un meilleur relâchement du gâteau de poussière, et donc un nettoyage plus efficace lors des impulsions du filtre.

Les médias filtrants spéciaux offrent des solutions à certains des problèmes courants rencontrés par les industriels. [Scoble] propose des suggestions sur le choix du filtre pour répondre à des problèmes spécifiques :

Mauvais relâchement du gâteau de poussière (colmatage du filtre dû à une couche épaisse de matériau)	Filtres feutrés glaçés ("glazed felt") Utiliser une membrane en PTFE
Fuite de poussières	Utiliser des filtres feutrés en fibres ultra-fines (micro-denier) Avoir un mélange spécifique de fibres Utiliser une membrane en PTFE
Usure du filtre	Utiliser un filtre revêtu d’une solution silicone
Filtration des poussières fibreuses	Filtres feutrés glaçés ("glazed felt") Utiliser une membrane en PTFE

3. Filtres à manches : calcul de la surface de filtration requise, dimensionnement des filtres

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

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

3.1 Rapport air/toile pour les cartouches filtrantes

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

Rapport_Air_Toile = Q_air/S_{filtre_effective}

avec :

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

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

Pour les filtres à manches, les références bibliographiques 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 indique une perméabilité de 65 l/dm².min, ce qui correspond à une vitesse de filtration ou un rapport air/toile de 0,108 m/s, valeur légèrement supérieure à celle mentionnée 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 manches sont montées verticalement et l'entrée d'air chargé de poussière se situe sous les cartouches, la vitesse d'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 ascendant réentraînera en effet immédiatement la poudre, rendant le nettoyage par jet pulsé inefficace.

3.2 Vitesse dans la chambre de filtration ("Can Velocity")

La vitesse dans la chambre de filtration est définie comme le débit volumétrique d'air divisé par la section transversale de la chambre de filtration.

Vitesse_Chambre = Q_air/S_chambre

Avec :

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

3.3 Vitesse interstitielle

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

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

Avec :

Q_air = débit total d'air à l'entrée du filtre à manches (m³/s)
S_chambre = section transversale de la chambre de filtration (m²)
Ssection_filtres = somme des sections transversales des filtres

4. Outil Excel de calcul de dimensionnement des filtres

Différentes caractéristiques liées au dimensionnement des filtres peuvent être estimées grâce à cet outil Excel gratuit : Outil de Calcul - Dimensionnement des filtres (cliquez ici)

Avertissement : cet outil est fourni à titre illustratif pour les concepts mentionnés sur cette page. Il n'est pas destiné à un dimensionnement détaillé et n'est pas un produit commercial. Aucune garantie n'est donnée sur les résultats. Veuillez consulter un bureau d'études reconnu pour tout besoin de conception détaillée.

Source

[Scoble] Médias filtrants spécialisés pour une meilleure performance dans les applications exigeantes, Scoble, PBE