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.

Fig. 53
Cyclone

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.

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 :

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

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

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

Fig. 56
Cyclone Multitubulaire

Efficacité d'un cyclone

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

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

la masse volumique m des poussières est plus importante ;

le diamètre d des particules est grand ;

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) ;

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) ;

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

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.

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.

Fig. 57
Exemples de Courbes pour Cyclone Haute efficacité

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