Partie 2
Après avoir vu des généralités au sujet des poussières, la suite de l'activité va permettre d'appréhender le fonctionnement d'un système d'aspiration.
1/ Technologie
1-1/ Morphologies :
Parmi les morphologies, les trois principales sont illustrées par le schéma ci-dessous :
Le tuyau est appelé flexible, le manche est nommé canne et l'embout a pour nom le suceur.
Différentes technologies sont mises en œuvre pour générer l'aspiration.
Les trois principales utilisées pour piéger la poussière ou les débris sont: présentées ci-après.
1-2/ L'aspirateur à poussière :
Les poussières sont contenus dans un sac qui fait office de filtre primaire (ou sac).
Q1/ COMPLETER le schéma suivant en indiquant :
Les éléments mécaniques (moteur, filtre,...)
Indiquer le déplacement du flux d'air
1-3/ Certains aspirateurs permettent l'aspiration de liquides, qui seront contenus dans un contenant.
D'autres sont dits « mixtes ». Ils peuvent aspirer soit de l’eau (cuve), ou soit des poussières (sac), en fonction de la configuration choisie.
1-4/ L'aspiration de liquides ou encore l'aspiration d’eau et de déchets peut être créer à l’aide d’un système de séparation à cyclone dans un collecteur démontable rigide.
1-5/ Par bullage dans de l'eau.
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Q2/ EXPLIQUER le principe général
2/ Caractéristiques d'un aspirateur
L’aspirateur est un appareil électroménager indispensable pour l’entretien de la maison. Il équipe la grande majorité des foyers français. Lors de l’achat, il est fréquent d'associer la puissance de l’aspirateur à sa consommation énergétique. En effet, c’est ce chiffre exprimé en watts est souvent mis en avant par les fabricants sur la fiche technique du produit. Cependant, la puissance électrique ne rime pas avec la performance de l'appareil. Un modèle peut être énergivore et dégager de l’air chaud, mais présenter une faible capacité d’aspiration.
En plus de la pression (dépression), les paramètres suivants sont à prendre en compte dans le choix d'un aspirateur :
puissance,
débit d'air,
airwatt.
1-6/ Puissance
L’amalgame entre intensité électrique et performance a poussé les consommateurs à acheter des appareils toujours plus gourmands en énergie. C’est pourquoi une première loi a vu le jour en 2014 pour limiter la puissance des aspirateurs à 1600 W.
Depuis 2017, la réglementation interdit les modèles de plus de 900 W. L’objectif de cette norme européenne est d’obliger les fabricants à concevoir des appareils plus écologiques comme les aspirateurs de classe énergétique A. En effet, les économies d’énergie réalisées sont majeures à l’échelle européenne, avec un réel impact sur l’environnement.
En réalité, la performance d’un aspirateur se mesure à sa puissance utile et non électrique. C’est grâce à cette information qu'on sait si un modèle est capable d’aspirer correctement n’importe quel type de sol.
Mais la puissance utile d’un aspirateur n’est pas mentionnée sur la fiche technique. Elle s'obtient en combinant deux facteurs de puissance essentiels :
Le débit d’air,
La dépression.
1-7/ Débit d'air
Le débit d’air (calculé en CFM ou m3/h) fait référence à la quantité d'air aspiré (volume) par unité de temps à pleine ouverture de la section.
Il est exprimé en décimètre cube par seconde (dm³/s ou L/s). Ce chiffre mesure la capacité de l’appareil à transporter la poussière du sol jusqu’au bac, via la quantité d’air qui circule dans son tube chaque seconde.
hypothèse : le débit volumique pour un fluide incompressible est le même en tout point du tuyau dans lequel ce fluide s'écoule.
L'entreprise "RUWAC", spécialiste de l'aspiration industrielle, sur son site, demande si il est nécessaire de prêter attention au diamètre du tuyau de l'aspirateur. Cette réflexion est-elle pertinente ?
Q3/ DETERMINER le débit d'air ainsi que la vitesse en sortie dans le tube avec une vitesse d'entrée de 20 m/s.
données :
section initiale D1 = 50 mm ; section finale D2 =30 mm
débit initial : Qv1= 40 dm3/s
vitesse initiale : V1= 20 m/s
Indices
- Qv = S . V
- S = \(\pi\) * r 2
Principe de conservation : Qv1 = Qv2
Q4/ Pour CONCLURE : lors de l’achat d’un aspirateur, est-il toujours important d'acheter le tuyau d’aspiration adapté et neuf ?
1-8/ Airwatt
C'est quoi l'ATSM ?
ASTM International, anciennement "American Society for Testing and Materials", est un organisme de normalisation qui rédige et produit des normes techniques concernant les matériaux, les produits, les systèmes et les services.
Il a été fondé en 1898 aux États-Unis sous la direction de Charles Benjamin Dudley.
C'est quoi les airwatts?
La donnée d'air watts est le rapport entre le débit d'air, la succion et la consommation électrique. Selon le standard international de l'ASTM, cette donnée est calculée de la façon suivante:
P = 1/8.5 x F x S
P : puissance en air watts (unité non légale) ;
F : le débit d'air en L/s ;
S : la colonne d'eau.
Les airwatts indiquent donc la performance globale du moteur, et ainsi l'efficacité de l'aspirateur.
Un autre de modèle de calcul est donné de déterminer la Puissance en airwatts d’un appareil permettant d'obtenir la performance de l'appareil :
P en airwatts = (mm CE x débit en L/s) / 101,84
C'est quoi le débit d'air ?
Le débit d’air (calculé en m3/h ou multiples) fait référence à la quantité d'air aspiré par minute ou par heure à pleine ouverture du boyau. Plus cette valeur est élevée, plus la superficie de nettoyage couverte par l’appareil est grande. Habituellement un grand débit d'air est recherché lorsqu'on passe l'aspirateur sur un plancher dur afin d'aller chercher la poussière aussi loin que possible sur le plancher.
Qu'est-ce que la colonne d'eau ?
La colonne d'eau (calculée en H2O ou mm H2O), indique la force de succion (dépression) maximale de l'appareil lorsque l'ouverture du boyau est bloquée. Plus cette valeur est élevée, plus l’appareil peut aspirer des objets lourds ou des matières denses.
Q5/ COMPARER la puissance en airwatt pour des sections de 48 et de 19 mm et INDIQUER en justifiant quelle est la configuration la plus adaptée pour aspirer un tapis dans un logement où vivent un chat et un chien.
Données :
aspirateur 1 : diamètre section : 48 mm
aspirateur 2 : diamètre section : 19 mm
1-9/ Conclusion pour choisir un aspirateur efficace
Q6/ DONNER les rapports pour les sols suivants :
Le rapport entre la dépression et le débit d’air détermine la puissance d’un aspirateur performant :
Pour les sols lisses :
Pour les sols durs :
De plus, on privilégie l'utilisation d'un aspirateur avec variateur de puissance, pour pouvoir l’adapter en fonction du type de sol sans surconsommer d’électricité.
2/ Filtration de l'air
2-1/ Introduction
La pompe à air, mise au point en 1659 par Robert Boyle, est un type de pompe qui permet de « créer le vide » (baisse de pression) et générer une dépression , donc ici une aspiration.
2-2/ Filtre primaire
L'air aspiré est dirigé vers un filtre qui retient les poussières et permet de les éliminer par l'évacuation du filtre.
Caractéristiques physiques des filtres
Lors d'une filtration sur un medium, quatre mécanismes apparaissent :
l'effet de tamis (quelques dizaines de µm) : les particules d'un diamètre supérieur à la distance entre 2 fibres ne peuvent pas passer ;
l'effet d’inertie (quelques µm) : les particules ont une force d'inertie trop grande pour pouvoir accompagner le courant d'air quand celui-ci s'incurve autour d'une fibre. Elles continuent suivant leur direction d'origine et s’attachent à la fibre à l’endroit de l’impact, soit par adhésivité physique, soit par adhésivité électrique (forces de Van der Waals) ;
l'effet d’interception (de l’ordre du µm) : les particules légères accompagnent le courant d'air autour de la fibre et sont interceptées si elles passent à une distance de la fibre inférieure à leur rayon.
l'effet de diffusion (d< 1 µm) : les particules fines sont influencées par le mouvement brownien des molécules d'air et s'attachent aux fibres lorsqu'elles les touchent.
La figure ci-dessous présente les mécanismes de filtration couplés à leurs efficacités en fonction du diamètre des particules.
Il est important de noter que l'efficacité totale du filtre (courbe noire) est la somme de l'efficacité de filtration des quatre mécanismes. L'efficacité totale d'un filtre admet un minimum. En ce point, on définit les particules ayant le diamètre le plus pénétrant ou en anglais "Most Penetrating Particle Size" (MPPS).
Ce diamètre de particules représente les particules qui seront les moins bien retenues par le filtre.
Classifications des filtres par efficacité
En fonction des besoins rencontrés dans les installations, l'utilisateur dispose de quatre grandes familles de filtres :
l'effet de tamis
moyenne efficacité : filtres grossiers, préfiltres, pour la capture des plus grosses particules (diamètre > 5 µm). Inefficaces sur l'aérosol atmosphérique (particules de diamètre < 1 µm) ;
haute efficacité : filtres fins, efficaces vis-à-vis de l'aérosol atmosphérique ;
très haute efficacité : filtres EPA (Efficient Particule Air : à haute efficacité), HEPA (High Efficiency Particulate Air : à très haute efficacité) et ULPA (Ultra Low Penetration Air : à très faible pénétration) ;
filtration moléculaire : filtres pour l’élimination des gaz (adsorption, photocatalyse,…).
Classifications par taille
Une taille > à 100 µm comme : les grains de sable ; les cheveux…
Une taille comprise entre 100 µm / 10 µm, tels que : les poussières ; le pollen…
Une taille comprise entre 1 µm / 2,5 µm : les bactéries ; la poussière de toner ; la moisissure…
Une taille comprise entre 0,3 µm et 1 µm, notamment : les virus ; les nanoparticules ; les particules fines…
Q7/A partir de la courbe ci-dessous, VERIFIER la conformité de ce filtre si l'on souhaite contenir de la moisissure de 1,5 µm à 80 %. PRECISER quel effet sera sollicité pour réaliser cette filtration.
2-3/ Cyclone
Principe
Q8/ EXPLIQUER pourquoi (principe) les particules tombent.
Particules concernées
Ce procédé ne peut s'appliquer aux petites particules (poussières d'un diamètre de l'ordre d'un centième de millimètre) qui ont tendance à suivre la même trajectoire que le flux gazeux, leur vitesse de chute étant inférieure à 0,3 m/s.
Les particules plus grosses sont plus aisément séparées à l'aide de simples décanteurs gravitaires (appareil qui permet la séparation par décantation c'est-à-dire que des mélanges de deux ou trois phases non miscibles mais mélangées, dont une au moins est un liquide, les autres phases pouvant être solides ou liquides. Sous l'action de la gravitation et de la poussée d'Archimède, les phases dispersées dans le liquide vont tomber vers le fond ou remonter vers la surface en fonction de leur masse volumique.
Q9/ DONNER les avantages et inconvénients de cette technologie (Wikipédia).