Conception et dimensionnement de la mini CTA

Pour l’étude des performances de filtration des filtres prototypes décrits dans le Chapitre 2, un dispositif expérimental a été développé entièrement par l’équipe technique du laboratoire. Un cahier des charges a été préalablement défini. Les spécifications de ce cahier des charges sont présentées, ainsi que les solutions techniques mises en œuvre :

 Un module de filtration constitué de deux étages de filtration en série.

 Trois différentes configurations de modules de filtration, par exemple, un filtre classé G418 en premier étage suivi d’un F7 en deuxième étage. Pour ce faire, le banc d’essais a été construit comme étant un dispositif modulable. Il comprend différents tronçons, facilement démontables pour s’adapter aux différentes configurations, dont les tailles s’ajustent aux dimensions des filtres prototypes.

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Pour rappel, la classification des filtres dans ces travaux s’exprime conformément à la norme européenne EN779 2012.

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 Contrôle de l’humidité relative (60 - 90%) et de la température dans le banc (20 - 25°C). Afin de pouvoir contrôler efficacement la température et l’humidité relative dans le banc d’essais, il a été décidé de fonctionner en boucle fermée. Selon les conditions, l’air peut être chauffé ou refroidi afin de maintenir une température de consigne comprise entre 20 et 25°C. L’air est chauffé à l’aide de résistances chauffantes électriques. Un régulateur agit sur la puissance électrique délivrée afin d’ajuster la température en aval du ventilateur à la valeur de consigne. Pour refroidir l’air, un échangeur de chaleur eau/air est placé dans la veine d’air en sortie du ventilateur. Cet échangeur est alimenté par une boucle d’eau en circuit fermé dont la température est régulée par un groupe froid (bain thermostaté). La consigne de température de l’eau est ajustée à l’hygrométrie de l’air dans la veine afin ne pas provoquer de condensation sur l’échangeur. Du fait de la configuration en boucle fermée de la mini CTA, l’air a tendance à s’échauffer lentement ce qui a nécessité le fonctionnement en continu du groupe froid.

 Concernant l’humidité relative, la gamme de travail requise est de 60 – 90%. Selon les conditions expérimentales, il peut être nécessaire d’humidifier ou de sécher l’air. L’humidité relative de l’air dans le banc d’essais est mesurée à l’aide d’un hygromètre capacitif placé en amont du ventilateur. Dans le cas où il faut humidifier l’air, l’augmentation d’hygrométrie se fait par une injection d’eau en goutte à goutte dont la durée et la fréquence sont pilotées. L’eau injectée est stockée dans un réservoir maintenu en pression par une alimentation en air comprimé. Dans le cas contraire, une pompe dérive une partie de l’air de la gaine d’essais vers un sécheur composé d’un groupe froid à effet Peltier où l’humidité de l’air vient se condenser. Les condensats sont évacués par une pompe péristaltique ce qui assure l’étanchéité du système.

 Régulation du débit de filtration :

 Fonctionnement du banc d’essais à un débit nominal, c’est-à-dire, correspondant aux valeurs des vitesses nominales de filtration conseillées par le fabricant des filtres (0,1 - 0,7 m/s selon les filtres). Compte tenu de la surface développée par les filtres prototypes (cf. Chapitre 2.II.1) et des dimensions des caissons contenant ces filtres, le débit volumique nominal QN retenu dans le banc d’essais a été fixé à 140 m3/h. Cette

condition a conduit au choix du ventilateur. Il s’agit plus précisément d’une soufflante à canal latéral capable de générer un débit maximal de 320 m3/h.

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 Fonctionnement du banc d’essais à un débit réduit. Afin de simuler les cycles marches réduites/marches nominales, qui peuvent avoir lieu dans les CTA à pleine échelle, il a été décidé que le débit réduit QR correspondrait à environ 20% du débit nominal. Ce

dernier a été fixé à 30 m3/h.

 Déroulement des essais à débit d’air constant. Le débit d’air est mesuré par un capteur massique thermique et régulé par un contrôleur qui pilote la vitesse de rotation du ventilateur par l’intermédiaire d’un variateur de vitesses électronique.

 Suivi du colmatage des filtres. Chaque filtre est équipé d’un capteur de pression différentielle afin de mesurer en continu l’évolution de sa perte de charge.

 Injection des aérosols (particules et microorganismes). Une buse de génération est placée en aval du ventilateur. Ce point d’injection a été placé à une distance de 120 cm en amont du premier étage de filtration, soit 10 fois le diamètre hydraulique de la gaine, afin de permettre le redressement de l’écoulement et d’avoir un colmatage relativement homogène des filtres. Cette condition a fait l’objet de la validation aéraulique de la mini CTA.

 Suivi des concentrations des aérosols lors du colmatage. Les concentrations en aérosols sont mesurées en amont et en aval de chaque filtre, soit en 3 points de mesures. Pour cela, 3 vannes pilotées par le système de contrôle permettent de réaliser des prélèvements séquentiels au sein de la veine d’essai pour le comptage des particules et l’échantillonnage des aérosols microbiens. Ces trois vannes permettent l’échantillonnage selon une séquence définie par l’opérateur et automatisée. Chaque point de mesure, pour les différentes configurations d’étude, dispose d’une buse de prélèvement dimensionnée au cas par cas afin d’assurer les conditions de prélèvement iso-cinétique selon les débits des différents compteurs ou échantillonneurs.

 Accessibilité aux filtres. Les filtres sont retirés des caissons à la fin des essais afin de poursuivre les analyses microbiologiques. Cette étape doit être facilitée afin de limiter au maximum toute perturbation du gâteau de particules formé à la surface des filtres. La modularité du banc favorise cette étape.

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 Facilité du nettoyage. Des aérosols microbiens étant générés dans le banc d’essais, il est nécessaire de le désinfecter à la fin de chaque test. L’utilisation d’acier inoxydable pour la construction du banc facilite les opérations de nettoyage à l’alcool.

Le Tableau 3-1 présente le récapitulatif des spécifications de conception et de dimensionnement pour le design de la mini CTA.

Tableau 3-1. Spécifications pour le design de la mini CTA

Condition Gamme de travail Caractéristiques du dimensionnement répondant aux exigences

Fonctionnement aux vitesses nominales de filtration

0,1 à 0,9 m/s Banc modulable (caissons de différentes tailles) Débit nominal (QN) fixé à 140 m3/h

Fonctionnement à marche réduite

- Débit réduit fixé à 30 m3/h, soit environ 20% du QN.

Contrôle de l’humidité relative

60-90 % Unités de séchage et d’humidification de l’air. Fonctionnement en boucle fermée pour optimiser la régulation climatique dans le banc.

Contrôle de la température 20-25°C Systèmes de chauffage et refroidissement Suivi des concentrations de

particules et d’aérosols microbiens en amont et en aval des filtres

Iso-cinétisme Buses de prélèvement adaptables pour chaque caisson et chaque système d’échantillonnage (compteurs de particules et Biosampler)

Possibilité de générer AM - Nettoyage

- Banc en acier inoxydable, composé de différents caissons démontables facilitant le nettoyage