De la macro combustion à la micro combustion

De la macro combustion à la micro combustion

Analyse des flammes en micro combustion :

Une flamme peut se définir comme étant la production d’une lumière vive à la suite d’une réaction de combustion. Pour prendre forme, elle nécessite au préalable l’apport d’un combustible et d’un comburant, le mélange de ces deux corps (réactifs) va générer au bout d’un certain temps et d’une élévation de la température du milieu d’écoulement de ces corps, une réaction de combustion exothermique (fort dégagement de chaleur). En d’autres termes, une flamme correspond à une onde de déflagration se propageant à une vitesse constante, perpendiculaire à la surface de front de flamme et détermine la quantité de mélange susceptible de brûler. La vitesse de propagation et la structure de l’onde de déflagration sont les caractéristiques importantes du mélange combustible comburant. Les flammes de pré mélange se développent au sein d’un mélange explosif tandis que les flammes de diffusion se développent à la surface de contact entre les gaz combustibles et le comburant. La combustion peut être laminaire ou turbulente selon la vitesse des écoulements à l’intérieur de la chambre de combustion, mais l’analyse d’une flamme se fait toujours par rapport à un écoulement laminaire. Le présent chapitre se focalise sur la combustion laminaire afin de faire une analyse de la structure des flammes générées dans les micros réacteurs.

Analyse d’une flamme laminaire :

Dans un tube ouvert, des réactifs enflammés dans une des extrémités par une source de chaleur entrent en régime de combustion vive; la chaleur et les radicaux produits localement diffusent vers la couche adjacente en avant du front de flamme de telle façon que cette couche est portée à l’inflammation et devient elle-même une source de chaleur avec des radicaux capables eux-mêmes d’initier une réaction chimique dans la couche suivante. C’est le processus d’auto inflammation qui pennet à la flamme de s’auto entretenir après ignition. De cette façon, une zone de combustion se propage au sein du tube ouvert à travers le mélange gazeux; c’est la flamme, elle sépare une zone de gaz frais (nouvellement injectés dans le réacteur) d’une zone de gaz brûlés qui sortiront du tube, ces derniers sont les produits de combustion qui seront potentiellement des polluants. A l’intérieur de la déflagration, la température augmente d’abord dans une zone de préchauffage où les réactions s’amorcent par suite de la diffusion de la chaleur et des radicaux provenant de la région de combustion proprement dite. Les réactifs sont progressivement consommés ; des espèces intennédiaires apparaissent puis disparaissent tandis que la température augmente exponentiellement et que les produits finaux apparaissent (Figure 4.2). La partie visible de la flamme est localisée dans la zone de réaction elle est due à l’émission à haute température de radicaux excités tels que CH* (violet bleu), C2*(vert), CHO*, entre autres. qui retournent à leur état fondamental. Dans le cas des flammes riches en composés carbonés, l’émission de lumière (blanche, jaune) peut également provenir de particules de carbone incandescentes [88]. La structure de flamme peut se traduire comme l’évolution, en fonction de la distance nonnale au front de flamme, de la température, de la vitesse d’écoulement et de la concentration des espèces chimiques présentes dans un milieu réactionnel. L’analyse de la structure d’une flamme consiste donc à établir les profils de concentrations d’un maximum d’espèces moléculaires et radicalaires présentes dans la flamme ainsi que le profil de température. C’est donc le résultat d’un fort couplage entre un processus chimique qui produit rapidement de la chaleur et des espèces réactives, et un processus physique de transport de matière par diffusion, de transfert de chaleur par convection, rayonnement et par conduction. La production de chaleur et des radicaux accélèrent la réaction tandis que leur transport vers les gaz frais en limite la vitesse. Quand les deux phénomènes sont d’égale importance, la flamme se propage à vitesse subsonique.

Choix du modèle simplifié du mécanisme cinétique :

La modélisation de la cinétique chimique est devenue un outil d’analyse des systèmes de combustion de plus en plus utilisé. Des progrès significatifs ont été réalisés ces dix dernières années[101], mais il est largement connu que la mise en place d’un mécanisme decinétique détaillé doit donner des résultats proches de la réalité expérimentale. Li, J., S. Chou, et al. ont utilisé un mécanisme de cinétique chimique détaillé de 25 équations et 16 espèces pour faire l’étude numérique d’une micro flamme de pré mélange méthane/air [107]; pour un réacteur de même forme, Norton, D. G. et D. G. Vlachos ont utilisé un mécanisme simplifié à une équation et cinq espèces; les résultats obtenus dans ces différentes études présentent des différences au niveau de la température de combustion du mélange de l’ordre respectivement de 1940 K et 2323 K ainsi que celle de sortie des produits de combustion qui sont respectivement de 1800 K et 1680 K . Cependant, les mécanismes des réactions chimiques détaillées dans les réactions de combustion sont assez compliqués [108], particulièrement quand la formation des polluants tels que les NOx est considérée. Pour les modèles numériques des chambres de combustion en deux ou trois dimensions, le calcul nécessite de la place mémoire et un temps de convergence important, sans que la pertinence d’un tel choix de contraintes soit justifiée[109]. De plus, dans plusieurs études le nombre très important d’informations que peut apporter l’utilisation d’un mécanisme détaillé de cinétique chimique n’est pas nécessaire. Un mécanisme de cinétique chimique simplifié à une ou plusieurs équations, selon les informations recherchées serait suffisant[93].

Modélisation et simulation numérique de la production des polluants en micro combustion:

Dans un micro réacteur, la chambre de combustion est l’élément essentiel d’un dispositif MNPG (Micro Nano Power Generator), à travers lequel l’énergie contenue dans le combustible est utilisée pour générer de l’énergie électrique, mécanique ou cinétique par la combustion. La combustion aussi bien dans les dispositifs macroscopiques que mésoscopiques donne lieu à des produits polluants, potentiellement nuisibles à l’environnement et aux humains. Il en est assurément de même pour les MNPG, mais avec peut être une ampleur moindre.

Les micros dispositifs de production d’énergie ont pour but de remplacer dans leur utilisation, les batteries et les piles dont le poids et surtout l’autonomie constituent un handicap. Ce handicap peut être comblé par les MNPGs beaucoup plus légers avec un potentiel énergétique des fois jusqu’à 20 fois supérieur. Seulement, la proximité de tels dispositifs lors de leur fonctionnement avec les utilisateurs deviendrait un inconvénient si les polluants rejetés au cours de leur utilisation étaient en qualité et en quantité nocifs. Dans ce chapitre il est question de faire une analyse qualitative et quantitative des polluants produits par le micro réacteur modèle (micro réacteur tubulaire rectangulaire), avec une flamme de pré mélange méthane/air.

Optimisation des dimensions d’un micro réacteur : de la micro combustion vers la nano combustion:

La réduction des dimensions des micros réacteurs est une exigence de perfonnance pour le concept même de l’exploitation, de la conversion et de la production d’énergie dans un espace de confmement. Cette exigence qui pennet de classifier ce type de dispositif parmi les micros et nano générateurs d’ énergie (MNPG). On rappelle que les dispositifs dont les dimensions sont supérieures à 1 cm sont classés parmi les macros réacteurs, lorsqu’ils sont de l’ordre de Imm-lcm, ce sont des méso réacteurs, entre Imm-O,lmm ce sont des micros réacteurs et lorsque la distance d’entrée de réactifs est inférieure ou égale à O,lmm on les qualifiera de nano réacteurs [1]. Dans l’optique de produire une source d’énergie portative à haute perfonnance à partir de la combustion, les micros réacteurs doivent présenter une géométrie capable de s’insérer dans des dispositifs électromécaniques dont les dimensions elles-mêmes sont en perpétuelle réduction. Cette réduction de dimensions a pennis la construction des micros réacteurs dont les dimensions depuis une dizaine d’années sont passées de 900/lm à 150 /lm. Cependant, il est à noter que cette réduction de la zone de réaction, s’accompagne des problèmes de production même de la flamme, de la conception géométrique du réacteur, dela construction des matériaux pennettant la mise en place de tels dispositifs. Un problème beaucoup plus important est la remise en cause de la validité des équations de Navier Stokes permettant l’analyse numérique de l’écoulement réactif dans un dispositif aux dimensions extrêmement petites.

Méthodologie:

Les grandeurs caractéristiques des micros réacteurs fabriqués à ce jour, où ceux qui ont fait l’objet de projets d’étude, sont suffisamment larges par rapport au libre parcours moyen moléculaire de l’air ou d’autres gaz [3]. De ce fait, le comportement physique et chimique des fluides réactifs s’écoulant à travers ces dispositifs est fondamentalement le même que celui des fluides dans leurs homologues macroscopiques. Ils respectent donc les équations des Navier Stockes. Par exemple, le nombre de Knudsen (Kn) de l’air, dans les conditions normales de température et de pression, s’écoulant à travers un canal de diamètre hydraulique de 100flm est de l’ordre de 10-3 . Ceci est largement inférieur au nombre de Knudsen d’un écoulement libre de molécules donnant Kn> 1 [22], ce qui laisse à penser de la légitimité de l’étude de la nano combustion à l’aide des équations régissant l’écoulement des fluides. Par conséquent les hypothèses standard de mécaniques de fluides tels que la continuité, la conservation de la quantité de mouvement, les conditions de non glissement sur les parois sont toujours applicables.

Conclusion Générale:

Près de deux cents publications ont été produites depuis l’année 1999 à nos jours ayant trait à la micro combustion. Toutes ces publications abordent chacune un axe de recherche précis qui a permis de voir la réalisation des prototypes de micro réacteurs, les uns plus performants que les autres. L’intégration de ces prototypes dans des dispositifs pratiques réels se fait de plus en plus, particulièrement dans le pilotage des avions miniaturisés, les micros satellites, les micros moteurs et dans la micro production d’électricité centralisée. Il faudra probablement attendre encore quelques années pour leur intégration dans des dispositifs électroniques usuelles. Les problèmes solutionnés, ayant longtemps constitué un frein à la mise en œuvre de dispositifs de MPG sont, ceux de la réduction des dimensions d’entrée des réactifs, du choix d’une cinétique chimique appropriée, la gestion de l’énergie générée dans le micro réacteur, la conversion et l’utilisation de l’énergie, la recirculation des gaz, les pertes de chaleur aux parois et aussi la destruction des radicaux libres sur les parois du micro réacteur.

Table des matières

Introduction générale 
1.1. Définition du suje
1.2. Intérêts du sujet
1.2.1 . Intérêt énergétique
1.2.2. Intérêt scientifique
1.2.3. Intérêt technologique
1.2.4. Intérêt économique
1.2.5. Intérêt écologique
1.3. Proposition de recherche
1.3.1. Contexte de la thèse
1.3.2. Problématiques de la recherche en micro combustion .
1.3.3. Problématique du sujet de notre thèse
1.3.4. Objectifs
1.3.5. Méthodologie
1.3.6. Originalité de la thèse
1.3.7. Impacts et retombées
1.4. Organisation de la thèse
Revue de la littérature en micro combustion 
2.1 Introduction
2.2 De la macro combustion à la micro combustion .
2.2.1 Problèmes généraux de la micro combustion
2.3 Stabilité de la combustion dans les microstructures
2.4 Transfert de chaleur à travers les parois d’un microréacteur
2.4.1 La combustion homogène en phase gazeuse
2.4.2 La combustion catalytique (hétérogène)
2.4.3 La micro combustion en milieux poreux
2.5 Caractérisation des micros flammes de combustion
2.5.1 Flammes pré mélangées
2.5.2 Flammes de diffusion
2.5.3 Le mélange combustible-comburant.
Conclusion 

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