2.3 Charge électrique des particules
2.3.2 Protocole expérimental pour la mesure de la loi de charge des particules
-+
+
Figure2.19
–
Principe de fonctionnement du précipitateur électrostatique.Un précipitateur électrostatique utilise la capacité qu’a une particule à se déplacer dans un champ
électrique pour la collecter. Les deux étapes clés sont dans un premier temps, la charge de l’aérosol (à
l’aide du Topas EAN 581) puis dans un second temps sa soumission à un champ électrique. Ainsi, seules
les particules dont la mobilité électrique est inférieure à une mobilité critique ne seront pas collectées et
sortiront du précipitateur [77].
Après passage dans le précipitateur, les particules non retenues entrent dans la zone decaractérisation
où elles sont échantillonnées et analysées au moyen:
– d’un électromètre TSI 3068B qui mesure la charge globale de l’aérosol,
– d’un compteur optique (COP) (PMS LASAIR 1001 ou 310), couplé à deux diluteurs, (PALAS VKL
10) qui permet de déterminer la concentration en nombre selon le diamètre optique des particules,
– d’un impacteur électrique en cascade à basse pression (ELPI, Electrical Low Pressure Impactor
Dekati®) qui mesure un signal électrique directement proportionnel à la concentration en nombre,
selon le diamètre aérodynamique des particules,
– d’un analyseur de mobilité électrique FMPS 3091 qui fournit la concentration numérique des
particules selon leur diamètre équivalent en mobilité électrique.
Le débit traversant le précipitateur est mesuré par un débitmètre massique (Brooks Instruments, 0 –
50 L·min
−1) placé à la sortie. Les principes de fonctionnement des instruments sont décrits en détail dans
l’annexeB.
2.3.2 Protocole expérimental pour la mesure de la loi de charge des particules
Les valeurs de concentration numérique des particules à l’entrée (C
amont) et à la sortie (C
aval) du
précipitateur sont nécessaires pour déterminer la pénétration (P) des particules qui est définie comme
le rapport entre la concentration en nombre de particules à la sortie du précipitateur sur celle mesurée
à l’entrée. La pénétration correspond donc à la fraction de particules qui n’ont pas été retenues par le
précipitateur à une tension donnée (cf. Équation2.17).
P= C
avalC
amont(2.17)
Le COP et le FMPS sont utilisés en parallèle pour connaitre la distribution granulométrique des
particules à l’aval du précipitateur à une tension donnée. La concentration des particules en amont n’est
pas mesurée directement, mais considérée comme égale à la valeur mesurée en aval pour une tension
nulle appliquée au précipitateur. Cette méthode de détermination de la concentration en amont permet de
s’affranchir d’éventuels dépôts de particules par diffusion à l’intérieur du précipitateur, dépôts qui pourraient
être à l’origine de biais lors du calcul de la pénétration. Le nombre de charges élémentaires d’une particule
(n), est calculé à partir de l’équation2.18 [12], qui est fonction de la viscosité dynamique de l’air (µ
g),
du diamètre de particules (d
p), de la mobilité électrique critique (Z
c), de la charge élémentaire (e) et du
coefficient de Cunningham (Cu).
n= 3·π·µ
g·d
p·Z
c2.3. Charge électrique des particules 37
La mobilité électrique critique des particules,Z
c, sera déterminée grâce à l’équation2.19[148], laquelle
dépend du débit d’air (Q), des paramètres du précipitateur (diamètres et longueur) et de la tension critique
des particules (U
c).
Z
c= Q
2·π·L·U
cln d
2d
1!
(2.19)
La tension critique peut être déduite de la courbe de pénétration des particules en fonction de la
tension. Brown (1997) [146] décrit deux méthodes pour déterminer la tension critique, c’est à dire la
tension à laquelle une particule d’une mobilité électrique donnée précipitera. Pour cela il a considéré un
précipitateur constitué de plaques parallèles dans lequel entre un débit d’air chargé de particules. Sous
l’hypothèse d’un régime laminaire entre les plaques et d’une distribution uniforme des particules à l’entrée
du précipitateur, une particule chargée suivra une trajectoire donnée en fonction de sa mobilité électriqueZ.
Ainsi, la pénétration des particules de l’aérosol est considérée comme une fonction de la mobilité électrique
et les particules, quel que soit le signe de leur charge, seront collectées en fonction de la valeur absolue
de leur mobilité électrique. Seulement les particules neutres (i.e. possédant une mobilité électrique nulle)
traverseront le dispositif avec une efficacité de 100 %. Ainsi, Brown a proposé les méthodes suivantes,
1. Méthode de la mobilité électrique moyenne: la tension critique, U
c1, est donnée par l’intersection
entre l’axe des abscisses et la droite tangente à la pénétration à l’origine (tension appliquée égale à
zéro). Cette valeur correspond à la tension à laquelle une particule de mobilité électrique moyenne
serait collectée dans le précipitateur.
2. Méthode de la mobilité électrique médiane: la tension critique, U
c2, correspond à la valeur de la
tension définie à partir de la tangente à la courbe de pénétration dont l’intersection avec l’axe des
ordonnées se situe à 50 %, ce qui correspond à la tension à laquelle une particule avec la mobilité
électrique médiane précipite. La valeur obtenue peut être supérieure ou inférieure à la moyenne, en
fonction de la forme de la distribution.
Tension Pé né tra ti on 1 Uc1 Uc2 0,5 0 0
Figure2.20