ENJEUX ENERGETIQUES, ECONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX DES BIOCARBURANTS

ENJEUX ENERGETIQUES, ECONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX DES BIOCARBURANTS

DISPOSITIFS POUR L’ETUDE DE L’EVAPORATION DES GOUTTES

Il existe plusieurs méthodes expérimentales pour l’étude de l’évaporation et de la combustion de gouttes de combustibles liquides : la méthode de la sphère poreuse, la méthode de la goutte en chute libre et la méthode de la goutte suspendue. La description de ces différentes méthodes est donnée dans la littérature (CHESNEAU (1994) ; MORIN, (1999)). Dans cette étude, la méthode de la goutte suspendue a été utilisée. Le dispositif expérimental est constitué de trois principaux ensembles :
• Le corps du dispositif (système de chauffage et de canalisation du flux de gaz chaud, système de suspension de la goutte)
• Le système de mesure et d’acquisition de la température
• Le système de mesure et de traitement des images. Les figures 11 et 12 donnent respectivement le schéma global du corps du dispositif expérimental et le dispositif d’acquisition des images.

 Le corps du dispositif

Il comporte le système de chauffage et de canalisation du flux de gaz chauds et le système de suspension de la goutte. Le flux de gaz chauds est obtenu à l’aide d’un brûleur à gaz (MEKER comportant une grille en sortie) alimenté en butane. Les gaz brûlés sont dilués par l’air ambiant dans lequel est placée la goutte. La température des gaz chauds est régulée par le réglage de la pression d’alimentation en gaz butane à l’aide d’un manodétendeur précis fixé sur la bouteille d’alimentation. La canalisation du flux de gaz chauds est effectuée grâce à unconduit de section carré (25 cm2), longue de 50 cm, placé au dessus du brûleur. Ce conduit comporte une grille d’homogénéisation placée au dessus de celui-ci et qui permet (avec la grille du brûleur) d’obtenir un champ de températures uniforme autour de la goutte et une vitesse d’écoulement uniforme et faible. La vitesse de l’écoulement, mesurée dans la gamme des températures étudiées (300 °C à 650 °C) avec un tube de Pitot, est négligeable (<0,1 m/s).Quant au dispositif de suspension de la goutte, il est constitué d’une fibre de quartz (choisie pour sa faible conductivité thermique) de diamètre 0,2 mm à 0,3 mm fixé sur un support. La fibre est située à 10 cm environ au dessus du conduit de façon centrée. L’aiguille est inclinée d’environ 30 ° vers le bas par rapport à l’horizontale pour éviter le décrochage de la goutte lorsque la température augmente (forces de viscosité et de tension superficielle réduites). Une plaque permet de dévier le flux de gaz chaud lors de la suspension de la goutte sur la fibre. La goutte est suspendue à l’aide d’une seringue de diamètre 0,4 mm.

 Le système de mesure et d’acquisition de la température

Un thermocouple de type K de diamètre 0,25 mm permet la mesure de la température au voisinage immédiat de goutte (1 cm de la goutte). Avec les deux grilles (celle du brûleur et celle placée au dessus du conduit), des essais préliminaires ont montré que la température est uniforme au voisinage de la goutte dans un tel rayon autour de la goutte (1 cm). Ce thermocouple, du fait de sa faible inertie (0,25 mm de diamètre) et de son temps de réponse très faible (quelques millisecondes) permet une estimation assez précise de la température une fois le flux de gaz rétabli après la suspension de la goutte. Le faible diamètre du thermocouple permet aussi d’éviter la perturbation du flux de gaz au voisinage de la goutte. L’acquisition de la température est effectuée grâce à un convertisseur qui à une entrée « thermocouple » et une sortie « USB ».

Le système d’acquisition et de traitement des images

Pour obtenir les caractéristiques d’évaporation des gouttes, il nous faut suivre l’évolution du diamètre de la goutte en fonction du temps. Cela est réalisé par l’acquisition des contours des gouttes et par la détermination du diamètre équivalent à chaque instant pendant l’évaporation de la goutte. Les échelles de temps d’évaporation étant en général faibles, surtout dans des conditions de températures élevées, un système rapide d’acquisition automatique des images est indispensable pour une précision des mesures du diamètre. Le système utilisé dans cette étude estcomposé essentiellement d’une caméra CCD5 (Charge Coupled Device) d’une carte d’acquisition IEEE, d’un ordinateur performant et d’un logiciel d’acquisition.

 Acquisition des images

La caméra CCD utilisée ici est de type XCD SX90 monochrome avec une résolution en niveau de gris sur 8 bits (256 niveaux de gris). Sa résolution horizontale est de 1280 pixels et celle verticale est de 960 pixels. Elle permet une acquisition de 30 images par seconde. Elle est munie d’une optique comportant trois parties : une lentille 0,25x, un objectif 300-370 mm et un multiplicateur 2x.La caméra est reliée à un micro-ordinateur par une carte IEEE 1394 (FWB-PCIE1X20, 2 ports). Cette carte IEEE est installée dans un micro-ordinateur équipé essentiellement d’un processeur core 2 duo E6550 (2,33 GHz), d’un disque dur de 250 Go, de 3 Go de RAM et d’un écran LCD.

 Le traitement des images

Il est effectué à l’aide du logiciel NI (National Instrument) Vision Acquisition Software, développé spécialement dans le cadre de cette étude pour gérer le traitement des images des gouttes et réaliser la synchronisation entre l’acquisition et le traitement des images et la mesure de température. La goutte est éclairée par l’arrière (du coté opposé à la caméra, figure 12) par une lampe électrique pour créer un fort contraste entre la goutte et le fond de l’image. L’acquisition et le traitement des images sont initiés à partir d’une température seuil prédéfinie par l’utilisateur. L’image étant déjà numérisée, le logiciel permet de réaliser les opérations de seuillage (à partir de l’histogramme de l’image), d’extraction du contour de la goutte en temps réel, de calcul de la surface projetée de la goutte et de stockage des données dans un fichier. Le principe global de calcul de la surface projetée de la goutte est donné en annexe C.

Conditions et mode opératoire

L’évaporation a lieu dans une ambiance « ouverte ». Le mélange gazeux (air + vapeurs du  combustible) est tel que les phénomènes de combustion sont négligeables (évaporation pure). La procédure expérimentale adoptée pour réaliser l’évaporation des gouttes d’un combustible donné peut être décrite de la façon suivante :
1. Vérification, réglage de la veine expérimentale et des appareils de mesure (caméra, thermocouples)
2. Allumage et réglage de la température en sortie du conduit en ajustant la pression du gaz à l’aide du manodétendeur : fixation de la température à 650 °C
3. Préparation de 0,5 µl, 1 µl et de 1,5 µl du combustible à l’aide de la seringue
4. Déviation du flux de gaz chauds à l’aide d’une plaque
5. Suspension de la goutte sur la fibre de quartz
6. Rétablissement du flux de gaz chaud vers la goutte (l’acquisition est alors déclenchée à partir d’une température seuil lorsque le flux est rétabli vers la goutte). Attente de la fin de l’évaporation
7. Reprise des points 3 à 6 plusieurs fois (au moins cinq fois) pour le même combustible
8. Reprise des points 3 à 7 pour les autres combustibles à tester à la même température de 650 °C
9. Passage successif aux températures de 600°C, 500 °C, 400 °C et 300°C en reprenant les points 3 à 8.

Table des matières

SOMMAIRE TABLE DES FIGURES
LISTE DES TABLEAUX
LISTE DES ABREVIATIONS
LISTE DES NOTATIONS
INTRODUCTION GENERALE
PARTIE I : ANALYSE BIBLIOGRAPHIQUE
CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES BIOCARBURANTS .
INTRODUCTION
I.1 PRINCIPALES FILIERES DE VALORISATION ENERGETIQUE DE LA BIOMASSE …. 21
I.2 APERçU HISTORIQUE ET SITUATION ACTUELLE DES BIOCARBURANTS DANS LE MONDE
I.2.1 La filière éthanol
I.2.2 Les huiles végétales et leurs dérivés
I.3 PERSPECTIVES D’EVOLUTION DES FILIERES BIOCARBURANTS ET BIOCOMBUSTIBLES
I.3.1 Les biocarburants de « seconde génération »
I.3.2 L’hydrogène
I.4 ENJEUX ENERGETIQUES, ECONOMIQUES ET ENVIRONNEMENTAUX DES BIOCARBURANTS
I.4.1 Enjeux et aspects énergétiques
I.4.2 Aspects Environnementaux
I.4.3 Aspects Economiques
I.5 PLACE DES BIOCARBURANTS DANS L’ECONOMIE DES PAYS EN DEVELOPPEMENT
I.6 PRODUCTION DE BIOCARBURANTS AU BURKINA FASO : ETAT DE L’ART
I.6.1 Situation actuelle
I.6.2 Enjeux et perspectives de production de biocarburants au Burkina Faso
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETAT DES CONNAISSANCES SUR L’UTILISATION DES HUILES VEGETALES ET LEURS DERIVES COMME CARBURANTS
INTRODUCTION
II.1 PRODUCTION, COMPOSITION ET CLASSIFICATION DES HUILES VEGETALES
II.1.1 Composition et classification des huiles végétales
II.1.2 Production et traitement des huiles végétales
II.2 CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES DES HUILES VEGETALES ET LEUR QUALITE « CARBURANT »
II.2.1 Caractéristiques chimiques
II.2.2 Caractéristiques physiques
II.2.3 Caractéristiques liées à la combustion
II.3 UTILISATION DES HUILES VEGEGETALES PURES COMME CARBURANTS DANS LES MOTEURS DIESEL ET LES BRÛLEURS
II.3.1 Performances
II.3.2 Emissions polluantes
II.3.3 Endurance
II.3.4 Analyse des hypothèses sur la formation des dépôts
II.4 MODIFICATIONS DES MOTEURS ET DES BRÛLEURS
II.4.1 Modification des moteurs
II.4.2 Adaptations des brûleurs
II.5 UTILISATION DES CARBURANTS DERIVES D’HUILES VEGETALES DANS LES MOTEURS DIESEL ET SUR LES BRÛLEURS
II.5.1 Mélange d’huile végétale et de gazole (ou fioul domestique)
II.5.2 Les esters d’huiles végétales
II.5.3 Les microémulsions
II.5.4 Craquage thermique ou pyrolyse des huiles végétales
CONCLUSION
CHAPITRE III : EVAPORATION D’UNE GOUTTE ISOLEE DE COMBUSTIBLE LIQUIDE SANS COMBUSTION
INTRODUCTION
III.1 DESCRIPTION DE LA THEORIE QUASI-STATIONNAIRE
III.1.1 Hypothèses fondamentales de la théorie quasi-stationnaire
III.1.2 La loi en D2
III.1.3 Insuffisances de la loi en D2
III.2. INFLUENCE DE LA CONVECTION SUR L’EVAPORATION D’UNE GOUTTE ISOLEE
III.3 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE ET DE LA PRESSION
III.4 RESULTATS D’ETUDES SUR L’EVAPORATION D’HUILES VEGETALES
CONCLUSION
PARTIE II : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX
CHAPITRE I : DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX POUR LA CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE ET L’ETUDE DE L’EVAPORATION DES GOUTTES DE COMBUSTIBLES
I.1 DISPOSITIFS DE CARACTERISATION PHYSICO-CHIMIQUE
I.2 DISPOSITIFS POUR L’ETUDE DE L’EVAPORATION DES GOUTTES
I.2.1 Le corps du dispositif
I.2.2 Le système de mesure et d’acquisition de la température
I.2.3 Le système d’acquisition et de traitement des images
I.2.4 Conditions et mode opératoire
CHAPITRE II : BANCS D’ESSAIS
II.1 BANCS D’ESSAIS DES MOTEURS
II.1.1 Description des moteurs
II.1.2 Freins dynamométriques et dispositifs de commande
II.1.3 Dispositifs d’analyse des gaz d’échappement
II.1.4 Dispositifs de mesure de la consommation et des températures
II.2 BANCS D’ESSAIS DES BRÛLEURS
II.2.1 Le banc du brûleur à fioul non modifié
II.2.2 Le banc du brûleur adapté à l’huile végétale
PARTIE III : RESULTATS ET ANALYSE
CHAPITRE I : CARACTERISTIQUES PHYSICO-CHIMIQUES ET ANALYSE GRANULOMETRIQUE
INTRODUCTION
I.1 CARACTERISTIQUES PHYSIQUES ET CHIMIQUES
I.1.1 Résultats
I.1.2 Analyse des résultats
I.2 ATOMISATION ET ANALYSE GRANULOMETRIQUE
I.2.1 Atomisation
a) Aspects théoriques
b) Résultats et analyse
I.2.2 Granulométrie
a) Aspects théoriques
b) Résultats et analyse
CONCLUSION
CHAPITRE II : ETUDE DE L’EVAPORATION DE GOUTTES D’HUILES VEGETALES ET DU FOD
INTRODUCTION
II.1 RESULTATS EXPERIMENTAUX
II.1.1 Rappel des conditions expérimentales
II.1.2 Résultats et analyse sur l’évolution de la surface de la goutte
II.1.3 Constantes d’évaporation
II.2 DESCRIPTION DU MODELE THEORIQUE UTILISE
II.2.1 Propriétés thermodynamiques et propriétés de transport
II.2.2 Nombres de transfert
II.2.3 Prise en compte de la convection
II.2.4 Prise en compte de la période de chauffage de la goutte
II.2.5 Prise en compte cumulée de la convection naturelle et de la période de chauffage de la goutte 148
II.2.6 Durée de vie de la goutte
II.3 RESULTATS THEORIQUES ET COMPARAISON AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX
II.3.1 Constantes d’évaporation
II.3.2 Temps de chauffage et temps total du processus d’évaporation
CONCLUSION
CHAPITRE III : RESULTATS ET ANALYSE SUR LES MOTEURS DIESEL
INTRODUCTION
III.1 CONDITIONS EXPEMENTALES
III.2. RESULTATS DES ESSAIS SUR LE MOTEUR DIESEL A INJECTION INDIRECTE
III.2.1 Performances globales
a) Présentation des résultats de performances
b) Analyse
III.2.2 Emissions polluantes
a) Présentation des résultats
b) Analyse
III.3 RESULTATS DES ESSAIS SUR LE MOTEUR DIESEL A INJECTION DIRECTE
III.3.1 Performances globales
a) Présentation des résultats de performances
b) Analyse
III.3.2 Emissions polluantes
a) Présentation des résultats d’émissions
b) Analyse des résultats d’émissions
CONCLUSION
CHAPITRE IV : RESULTATS SUR LES BRÛLEURS
INTRODUCTION
IV.1 CONDITIONS EXPERIMENTALES
IV.2 RESULTATS ET ANALYSE : BRÛLEUR A FIOUL NON MODIFIE
IV.2.1 Performances
a) Présentation des résultats
b) Analyse
IV.2.2 Emissions polluantes
a) Présentation des résultats
b) Analyse
IV.3 RESULTATS ET ANALYSE : BRÛLEUR ADAPTEE A L’HUILE VEGETALE
IV.3.1 Résultat et analyse sur l’inflammation du combustible
IV.3.2 Emissions polluantes
a) Présentation des résultats
b) Analyse
CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
ANNEXES

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