Séparateurs de gouttelettes pour centrales de traitement d'air - Projet PR9, livrable 4 : rapport final

Résumé et principaux résultats

L'objectif du projet PR9 est d'approfondir les connaissances sur les séparateurs de gouttelettes pour centrales de traitement d'air (CTA). Ces séparateurs sont utilisés en aval des batteries froides afin d'arrêter l'eau arrachée des batteries et entraînée en aval sous forme de gouttelettes.
Un état de l'art a été effectué, relatif aux phénomènes de condensation dans les batteries froides et d'entraînement de gouttelettes. L'entraînement des gouttelettes est favorisé par une vitesse d'air élevée (> 2,5 m/s) et affecté par l'état de surface des ailettes des batteries (un matériau hydrophile réduit l'entrainement). Il conduit à un risque chimique (corrosion des éléments métalliques) et biologique (développement fongique nuisible à la qualité de l'air intérieur et à la santé). Les séparateurs couramment utilisés sont des tricots métalliques et des séparateurs à lames.
Sept séparateurs existants (4 tricots métalliques, 1 tricot plastique et 2 séparateurs à lames) ont été choisis pour l'étude expérimentale et numérique de leurs performances. La perte de charge, l'efficacité par comptage particulaire (microgouttelettes d'huile de DEHS entre 0,3 et 5 microns) et l'efficacité gravimétrique sur aérosol de gouttelettes d'eau ont été mesurées. L'efficacité spectrale des tricots est nulle en-dessous de 1 micron et progresse rapidement avec le diamètre des particules. Elle augmente avec la vitesse de l'air. Les séparateurs à lames sont moins efficaces et seulement quelques % d'efficacité sont obtenus au-dessus de 2 à 3 microns. Avec des aérosols de gouttelettes d'eau, les tricots présentent un point d'équilibre de leur perte de charge correspondant à un équilibre entre captage, coalescence, ruissellement et relargage.
La simulation numérique 3D (CFD) a permis de mettre en évidence les écoulements d'air et de gouttelettes dans les séparateurs à lames, de calculer la perte de charge et l'efficacité et d'établir une relation entre l'efficacité et le nombre de Stokes. Il y a un bon accord entre les valeurs calculées et mesurées de la perte de charge.
Des prototypes ont été fabriqués puis testés. Pour les tricots, il s'agissait de séparateurs avec une épaisseur modifiée : il est alors difficile de relier les performances aux caractéristiques géométriques même si le rôle de l'épaisseur et de la présence d'une grille de métal déployé en amont est mis en évidence. Pour les séparateurs à lames, des prototypes ont été calculés sur la base du meilleur compromis perte de charge/efficacité, puis fabriqués et testés. Les performances obtenues sont en accord avec les prédictions des calculs.
Les résultats du projet fournissent des informations utiles pour le dimensionnement de séparateurs à lames en fonction des applications.

Title: Droplet separators for air handling units - Project PR9, deliverable 4: final report
Abstract: The aim of the PR9 project is to increase the knowledge about the droplet separators for air handling units (AHU). These separators are used downstream of the cooling coils in order to catch the water droplets ripped off the coils and carried downstream.
A state of the art has been done on the phenomenon of water vapour condensation in cooling coils and the entrainment of water droplets. The entrainment is favoured by a high air velocity (> 2.5 m/s) and influenced by the surface properties of the fins of the coil (a hydrophilic material reduces entrainment). It leads to chemical risk (corrosion of metal parts) and biological risk (fungi growth with negative impact on indoor air quality and health). Commonly used separators consist of wire meshes and wave-plates.
Seven existing separators (4 wire meshes, 1 plastic meh and 2 wave-plates) have been chosen to be experimentally and numerically tested. The pressure drop, the efficiency by particle size (micro oil droplets between 0.3 and 5 microns) and the gravimetric efficiency on water droplet aerosols have been measured. The efficiency of the wires is zero under 1 micron and increases significantly when the size of the droplets increases and when the air velocity increases. The wave-plates are less efficient and only few percents are obtained above 2 to 3 microns. When tested against water droplet aerosols, the wires reach a constant pressure drop level which corresponds to an equilibrium level between catching of the droplets, coalescence, drainage and release.
3D numerical simulation (CFD) allowed to show the flow characteristics and droplets trajectories in wave-plates, to calculate the pressure drop and the efficiency by particle size between 1 and 20 microns, and to establish a correlation between the efficiency and the Stokes number. The measured and the calculated pressure drop values are very close.
Prototypes have been built and tested. For the wires, the existing products have been modified on the basis of different widths. There is no evident link between the geometrical characteristics and the performances, but the influence of the width as well as that of the inlet deployed grid is highlighted. Wave-plates prototypes have been calculated based on the best pressure drop/efficiency compromise, then built and tested. Their performances agree with those expected by the numerical simulations.
The results obtained in this project give useful information for the design of droplet separators depending on the application.

Thème

Conditionnement d'air

Mots-clés

Centrales de traitement d'air, Filtration

Auteurs

GINESTET Alain, ROBITU Mirela