Chap6-Filtration de l Air

BTS FEE 1re Anne Cours de Climatisation LGT Galile

Chap6: Filtration de l'air 1

FFIILLTTRRAATTIIOONN DDEE LL''AAIIRR Remarque prliminaire Nous limiterons ici notre tude aux filtres mdia fibreux. Il existe nanmoins d'autres types de filtres tels que les filtres lectrostatiques, les filtres effet photocatalytiques, ou encore les filtres charbon actif. Il existe galement des systmes de filtration par eau.

I. NECESSITE DE LA FILTRATION

q Pour la sant On trouve dans l'air des btiments un certain nombre de polluants qui sont la cause d'un trs grand nombre de problmes respiratoires ( y sont dus prs de 50% des congs pour maladie professionnelle selon une tude de l'OMS - Organisation Mondiale de la Sant - ). Parmi les polluants les plus courants, on trouve:

- Champignons allergognes 34% - Bactries allergognes 9% - Particules de fibres 7% - Fume de tabac 4% - Monoxyde de carbone 3%

q Pour l'industrie

La mise en oeuvre de certains processus industriels ou de machines de prcisions (micro lectronique, industries pharmaceutiques et agroalimentaire) ncessite une protection contre les poussires qui peuvent tre l'origine de graves dysfonctionnement ou malfaons.

q Pour les systmes de conditionnement d'air Les installations de traitement d'air doivent tre protges de l'encrassement et de l'empoussirement qui nuisent au bon fonctionnement des diffrents lments (encrassement des batterieschute du coefficient d'change) et favorisent la prolifration de gnes nuisibles (champignons, bactries, virus...). Les dpts de poussire sont galement responsables de la propagation des incendies. Enfin, les rejets d'air vers l'extrieur d'un systme doivent tre contrls ds lors que cet air est en mesure de vhiculer des particules dangereuses (centrales nuclaires, laboratoires confins).

II. CARACTERISTIQUES DES PARTICULES

II.1. NATURE On classe gnralement les polluants en 2 grandes catgories:

- Particules inertes Minrales ou chimiques, elles ne se reproduisent pas. Leur origine est naturelle (rosion, ruptions volcaniques...etc.), ou lie l'activit humaine (combustions, exploitations minires ou agricoles, industries mtallurgiques...etc.). Ex: cendres, fumes, suie, poussires, amiante, molcules gazeuses...



- Particules viables ou biologiques

Lorsque les conditions de leur dveloppement sont runies (nourriture+conditions climatiques), ces partic ules sont susceptibles de se reproduire. On peut les classer en 3 catgories:

o Pathognes (organismes pouvant induire des modifications ou manifestations nuisibles chez un tre vivant)

o Opportunistes (leur risque d'action pathogne dpend de la fragilisation du sujet ou de son tat de rceptivit)

o Sacrophytes ou commensales (organismes pouvant vivre et se dvelopper chez un tre vivant sans entraner de manifestations pathologiques)

Quelques exemples: acariens, spores, bactries, virus

II.2. TAILLE DES PARTICULES

Remarques F Les bactries dont la taille est pratiquement toujours infrieure 0,1[mm] sont prsentes dans l'air une

concentration numrique qui est de l'ordre de 1/10000me de la concentration particulaire. F L'amiante se prsent sous forme de btonnets cylindriques de 1 10 [mm] de long et de 0,02 1[mm] de diamtre.

II.3. CONCENTRATION Il apparat clairement que le nombre de particules (de mme que leur nature) varie avec la situation gographique et l'activit du lieu. Valeurs indicatives des concentrations globales de poussire

- Zone rurale 0,01 mg/m3 0,15 mg/m3 - Zone urbaine 0,1 mg/m3 0,75 mg/m3 - Zone industrielle 0,5 mg/m3 3 mg/m3



II.4. REPARTITION

q Le diagramme de Whitby permet d'apprcier la rpartition des poussires dans l'air atmosphrique selon 3 mthodes (qui aboutissent des rsultats trs diffrents et qui ne peuvent, de ce fait, pas tre compares):

1. Rpartition en nombre Comptes au microscope lectronique, le diagramme indique que 99,9% des particules d'un volume d'air donn ont un diamtre infrieur 1[mm].

2. Rpartition en surface Cette mthode permet de juger de l'effet de salissement provoqu des poussires: l'ombre des particules est projete sur une surface plane; on observe qu'environ 85% de la surface obtenue est due des parti cules dont le diamtre est infrieur 1[mm].

3. Rpartition en masse Ainsi, on constate sur la courbe n3 (poids) que la masse des particules de diamtre infrieure 1[mm] reprsente 27% de la masse totale des particules. Ces pourcentages en poids sont mesurs par sdimentation. Rappel sur la sdimentation La sdimentation des particules correspond la chute des particules par gravit.

q L'intrt est du diagramme de Whitby est de prvoir l'action d'un filtre. Par exemple, si on met en place un fi ltre qui intercepte toutes les particules suprieures 1 m, on va capter 73% de la masse globale des particules mais seulement 0,1% en nombre.

Pas de sdimentation (mouvement brownien)

0,1 m 1 m 10 m 25 m

Sdimentation lente, les particules restent en suspension

dans les courants dair

Sdimentation vitesse moyenne Sdimentation rapide



III. PRINCIPE DE LA FILTRATION Mdia: support sur lequel va se faire la filtration. Il existe 4 mcanismes principaux qui dcrivent larrt des particules par les fibres du mdia.

Effet Tamisage Effet dinertie Les particules dun diamtre suprieur la distance entre deux fibres ne peuvent pas passer.

Les particules lourdes ont une force dinertie trop grande pour pouvoir accompagner le courant dair quand celui-ci sincurve autour dune fibre.

Les particules suivent leur direction dorigine et sattachent la fibre lendroit de limpact, soit par adhsivit physique, soit par adhsivit lectrique (forces de Van der Waals).

Effet dinterception Effet de diffusion Les particules lgres accompagnant le courrant dair sont interceptes si leur centre passe une faible distance de la fibre.

Les particules dont le diamtre est infrieur 1m ont un mouvement vibratoire d au mouvement brownien des molcules de lair et se fixent sur les fibres si elles entrent en contact

. Remarque En filtration, on essaie surtout de retenir les particules de petites dimensions. On doit donc veiller privilgier les mcanismes dinterception et de diffusion. Pour cela, on rduit la vitesse de lair dans les mdias fibreux pour augmenter la probabilit du contact particule/fibre. Dans ces conditions, les particules plus grosses sont arrtes sans risque de "re-largage".



Nous pouvons, en cumulant les 4 effets, tracer la courbe defficacit dun filtre en fonction de la taille des particules.

Le minimum defficacit est caractris par le MPPS qui correspond donc de fait la taille des particules les plus pntrantes. La MPPS (Most Penetrating Particle Size) reprsente la dimension particulaire la plus difficile arrter.

IV. CARACTERISTIQUES DES FILTRES Afin de slectionner correctement un filtre, on est amen dterminer des paramtres caractristiques qui rendent compte de laction de chaque filtre :

IV.1. LEFFICACITE Lefficacit dun filtre reprsente la variation de particule entre lamont et laval du filtre par rapport la concentration initiale.

Lefficacit dun filtre est gale : 0

L0

CCCE -=

Avec: C0: Concentration particulaire en amont ;

CL: Concentration particulaire en aval.

NB: Lefficacit dun filtre est lie la mthode employe pour effectuer sa mesure. Il faut donc prciser lorsque lon donne une efficacit la mthode qui a permis de dterminer sa valeur.



IV.2. PERTE DE CHARGE Le filtre est un lment qui videmment oppose une rsistance lcoulement de lair. Au fur et mesure de son utilisation le filtre va sencrasser. Son colmatage progressif fait crotre sa perte de charge mais aussi son efficacit. La dure de vie dun filtre sera fonction de sa perte de charge maximum admissible (ou perte de charge limite).

Lors de la maintenance, on aura toujours affaire avec un compromis entre le cot dun nouveau filtre et la consommation nergtique de linstallation.

V. CLASSIFICATION DES FILTRES

V.1. PRESENTATION DES DIFFERENTES METHODES DE MESURE Il existe 4 mthodes retenues par l'AFNOR et EUROVENT, qui se distinguent notamment par l'arosol employ.

Mthode Type d'arosol Gravimtrique (ASHRAE) Synthtique Opacimtrique (ASHRAE) Atmosphrique

Photomtrique Particules solides de chlorure de sodium Fluoromtrique Particules solides d'uranine

NB: Un arosol est la phase pseudo-homogne constitue par les particules en suspension (non sdimente) avec l'air ou le gaz support. Remarque sur les mthodes ASHRAE

1. La mthode gravimtrique est utilise pour les filtres moyenne efficacit: elle correspond la

mesure de la masse de particule piger par le filtre. Cest donc une efficacit pondrale. Du fait de la rpartition du poids des particules sur le diagramme de Whitby, on comprend facilement que cette efficacit sera leve, mme si le filtre narrte que les grosses particules.

2. La mthode opacimtrique dtermine l'efficacit des filtres haute efficacit: la poussire

atmosphrique, prleve au moyen des deux sondes de prlvement identiques, places en amont et en aval du filtre lessai, est recueillie sur deux disques de papier filtre trs haute efficacit. Au moyen dun opacimtre, on mesure lopacit des dpts de poussire sur les deux disques de papier. Cest donc une efficacit base sur la surface projete des poussires. Le test de lefficacit opacimtrique est bas sur le noircissement de deux disques tmoins. Cest une mthode quivoque. Toujours daprs le diagramme de Whitby, on se rend compte quune efficacit opacimtrique leve traduit le pouvoir darrt dun filtre mme pour des petites particules.

NB: Le test opacimtrique traditionnel est remplace depuis 2003 (rforme de la norme E779) par un test au DEHS 0,4mm (brouillard d'huile de paraffine).



V.2. CLASSIFICATION La norme EN 779 dfinit neuf efficacits de filtre :

Norme EN 779 - 2003 Groupe de filtre Classe de filtre

Efficacit gravimtrique

minimale

Efficacit opacimtrique

(DEHS 0,4mm de puis 2003)

Eurovent (ancien)

G1 50% G2 65% EU2 G3 80% EU3

Grossier (gravimtrique)

G4 90% EU4 F5 40% 40 = E < 60 % EU5 F6 60% 60 = E < 80 % EU6 F7 80% 80 = E < 90 % EU7 F8 90% 90 = E < 95 % EU8

Fin (Opacimtrique)

F9 95% E >= 95 % EU9 La norme EN 1882 de 1995 qui dfinit le protocole dessai des filtres haute et ultra efficacit : On gnre un brouillard de particule de taille comprise entre 0,1 et 0,2 m. On ralise un comptage particulaire en amont et en aval du filtre et on en dduit la taille de particule la plus pntrante ainsi que son efficacit minimum pour cette taille de particule. La norme EN 1882 dfinit huit efficacits de filtre :

Norme EN 1882 Groupe de filtre Classe de filtre Efficacit minimale Eurovent (ancien)

H 10 85% EU10 H 11 95% EU11 H 12 99,5% EU12 H 13 99,95% EU13

Haute efficacit HEPA

H 14 99,995% EU14 U 15 99,9995% U 16 99,99995%

Ultra efficacit ULPA

U 17 99,999995% Remarques:

La pntration P d'un filtre correspond au rapport des concentration aval/amont; on a donc P=1-E, o E est l'efficacit du filtre. Le coefficient d'puration correspond l'inverse de la pntration soit D=1/P.

Il est trs difficile de comparer les diffrentes mthodes car il n'y a pas de relation d'quivalence entre elles de sorte le tableau ci-dessous ne sera considrer qu' titre indicatif, d'autant que la classe de filtre EU pour Eurovent est une ancienne norme qui a t remplace par les normes prcdemment dcrites. Cf. tableau ci-aprs.



VI. TECHNOLOGIE DES FILTRES

Classe Efficacit Technologie

F

DSS

Vitesse de lair dans

le mdia (m/s) APPLICATION

G1 G4 Moyenne

Efficacit Gravimtrique EG G1: EG



Filtre moyenne efficacit

Filtre haute

efficacit

Filtres trs haute efficacit

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VII. LA CHAINE DE FILTRATION L'objectif dans une chane de filtration sera toujours de protger les filtres du colmatage par d'autres filtres d'efficacit moindre. Remarque: Pour le matre d'uvre d'une installation de climatisation, la filtration peut tre une opration fondamentale ou accessoire en fonction de l'objectif recherch. On distingue 2 types de filtration: la filtration en climatisation de confort et la filtration en des salles "blanches" ou "propres"

VII.1. FILTRATION EN CLIMATISATION DE CONFORT

q Objectif Dans ce type d'installation, le filtre concourt au bon fonctionnement de l'installation en vitant son empoussirement trop rapide (notamment au niveau des batteries). Le choix des filtres sera fait en fonction:

- du dbit d'air - du type d'installation - du cot d'exploitation

q Choix et implantation des filtres

Il est conseill de prvoir (pour une centrale classique):

1. Un filtre de premier rang (entre de centrale): efficace pour protger les quipements dont l'efficacit opacimtrique EO doit au minimum tre de 50% (EU5) et si possible plus de 85% (EU7).Pour les sites trs pollus, un filtre sur l'air neuf est prvoir.

2. Un filtre finisseur (en sortie de centrale, voire chaque point de soufflage), si possible de

classe EU9 (EO=95%).

3. Un filtre plac sur la reprise d'air d'efficacit minimale (EU6), puisque l'air repris est gnralement trs pollu.



q Exemple

Schma repris sur le catalogue CAMFIL

q Maintenance Lorsque le filtre s'encrasse (colmatage), sa perte de charge augmente ce qui rduit le dbit d'air.

On se fixe donc une perte de charge acceptable (environ 10%) et le remplacement est effectu lorsque cette limite est atteinte. La mesure est ralise par un manomtre diffrentiel ou un pressostat (pour la tlgestion). Remarque: Cette mthode est prfrable au remplacement priodique (moins coteuse et plus efficace) puisqu'elle tient compte des conditions d'utilisation relles (encrassement plus ou moins rapide en fonction de la qualit de l'air qui est variable).



VII.2. FILTRATION DANS LULTRA PROPRETE

q Dfinition d'une salle propre Une salle "propre" est un enceinte dlimite dans laquelle on contrle la pollution particulaire du volume gazeux qui s'y trouve. On y contrle la temprature, l'hygromtrie et la pression de mme que tout autre paramtre dfini. Les salles propres doivent remplir 2 fonctions:

1. Constituer une barrire physique entre le milieu propre et son environnement et rduire l'entre des particules (cloison tanche + surpression + sas d'accs).

2. Rduire le nombre de particule l'intrieur (filtration). On distingue 2 types de salles propres:

A flux turbulent (classes 100000 10000 cf. ci-aprs)




q Classes d'empoussirement Afin de rpondre au besoin de la matrise de l'environnement de production, une dfinition normalise de la qualit de l'air ambiant a t dfini. La classe d'empoussirement correspond au nombre de particules de taille suprieure ou gale 0,5mm prsente dans un volume pied-cube (soit environ 0,283 litres). Ainsi la classe 10000 correspond une quantit maximale de 10000 particules de taille suprieure ou gale 0,5mm dans un chantillon de 0,283 litres d'air.

Issu d'un document RGF ralis par l'ASPEC NB: ASPEC=ASsociation pour la Prvention et l'Etude de la Contamination Dans la pratique, la classe d'empoussirement est mesure au cours d'un comptage particulaire. Les mesures doivent se situer sous les ligne de classe reprsentes dans le diagramme logarithmique situ ci-dessous.



q Exemples de cas (extraits du catalogue CAMFIL)


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