Le cône calorimètre

Le cône calorimètre a été lui aussi modifié. Il est placé dans un caisson dans lequel l’atmosphère peut être contrôlée. Après une description rapide de cet outil de combustion, il sera évalué vis-à-vis de la règle des 4T de l’incinération. Ce cône calorimètre FTT (Fire Testing Technology) est constitué d’un caisson fermé dans lequel l’atmosphère peut être contrôlée (enrichie ou appauvrie en oxygène). L’échantillon est placé juste en dessous de la résistance chauffante du cône. Le porte-échantillon a été conçu de manière à être en contact avec un flux d’air traversant. En effet, l’échantillon est enveloppé dans une toile d’inconel (poreuse) et il est surélevé sur une grille de manière à laisser passer un flux d’air du côté de la face du dessous (la face du dessus étant elle directement exposée au cône chauffant comme illustré ci-dessous Figure II. 14).

Figure II. 14 : Le cône calorimètre à atmosphère contrôlée

Les échantillons testés ont une taille de 2.5*2.5*0.4 cm³ (petit carré représentant 1/8 de plaque en surface) pour une masse d’environ 2,5 g. Ils sont placés le plus près possible de la source de chaleur (à 2.3 cm de la base de la résistance chauffante conique).

Le flux maximal autorisé dans le caisson (pour des raisons de sécurité, étant donné les matériaux constituant le caisson) est de 75 kW/m² ce qui correspond à une température de consigne de 900 °C (+/- 2°C) avec une concentration d’oxygène de 21% en volume, un débit volumique d’air d’admission de 160 L.min^-1, un débit volumique d’air d’extraction dans la hotte calorimétrique de 24 L.s^-1. Des études menées au cours du projet Innanodep ont servi à valider cette configuration en atmosphère contrôlée [Chi12, Chi15b].

Un thermocouple est placé entre la surface de l’échantillon et la base du cône calorimètre de manière à suivre la température en temps réel de la flamme quand elle est présente au cours d’un essai.

Le caisson est surmonté d’un tube dans lequel est placé un point de piquage pour prélever l’aérosol de combustion. La buse de prélèvement a été dimensionnée et le point de piquage a été choisi de manière à respecter l’isocinétisme du prélèvement (calculs réalisés dans le cadre du projet Innanodep).

Avec le cône calorimètre à atmosphère contrôlée, les deux derniers points de la règle des 4T sont respectés et les deux premiers sont approchés au mieux. En effet, la règle des 4T n’est pas satisfaite concernant le temps de séjour des gaz de combustion. Si on considère le volume

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le plus chaud traversé par l’effluent gazeux (entre 600 et 750 °C) comme étant un cylindre de 10 cm de long (L=10cm) et de 10 cm de diamètre (r=5cm), pour un débit de 160 L/min (D=160 L/min), alors le temps de séjour tsjr des gaz de combustion dans ce volume s’exprime suivant :

tsjr =V/Q= π *r²*L/Q=(π*0.05²*0.1)/(160*0.001/60)=0.3s.

Les deux secondes imposées par la règle des 4T ne sont pas atteintes étant donnés les limites en température (pour des raisons de sécurité) et étant donnée la géométrie du matériel. Par ailleurs, vis à vis de la turbulence mentionnée dans la règle des 4T (dans la configuration à 75kW/m² à 21 % d’O2 et à 160 L/min), précisons que la turbulence (mélange intime combustible/comburant) est respectée et il en est de même pour la teneur (l’excès) en oxygène. Quant à la température de l’échantillon lui même, il est difficile de l’évaluer exactement mais le thermocouple placé au voisinage de l’échantillon donne l’indication d’une température inférieure à 850 °C.

Par ailleurs, à l’aide du cône calorimètre à atmosphère contrôlée, il est possible de simuler trois types de conditions (un seul paramètre est modifié pour chaque condition) :

 La condition dite “incinération” : les valeurs des conditions opératoires les plus hautes pouvant être atteintes représentent un scénario d’incinération, à savoir : 75kW/m² (soit 900°C) et 21 % d’O2 (ceci correspond à des conditions d’essai se rapprochant au mieux de la règle des 4T de l’incinération) ;

 La condition dite “incendie” : avec la valeur de flux thermique à 50 kW/m² (soit 700 °C) qui représente la valeur classique d’essais au cône calorimètre pour un flux thermique de type incendie (avec 21% d’O2);

 La condition dite “sous-oxygénation” : la valeur “15% d’O2” représente un cas de condition sous-oxygénée souvent étudiée (sous un flux thermique de 75 kW/m²).

Le dispositif expérimental utilisé lors de ces essais est constitué du cône calorimètre à atmosphère contrôlée, d’une ligne de mesure de gaz et d’une ligne de mesure de particules, comme décrit ci-après.

3.2.2. Mesures on-line des gaz de combustion

Avant l’arrivée des effluents dans l’analyseur de gaz, les effluents passent par un condenseur pour retirer l’eau qui s’y trouve. En effet, les gaz de fumées analysés sont secs. Le condenseur lui-même est précédé d’un piège à poussières électrique pour protéger le système de prélèvement du condenseur. Pour le cône calorimètre, un analyseur de gaz Servomex est utilisé. Cet appareil de mesure indique en continu l’évolution des concentrations des gaz de combustion à savoir : l’O2 consommé d’une part, le CO2 et le CO produits d’autre part. Ils sont détectés respectivement par : susceptibilité paramagnétique et spectroscopie infrarouge.

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3.2.3. Mesures on-line de l’aérosol de combustion

3.2.3.1. Prélèvement, dilution et représentativité

Rappelons que nous nous appliquons à respecter la représentativité de l’échantillon d’aérosol prélevé (représentativité vis à vis de l’aérosol arrivant en amont des systèmes de filtrations) comme expliqué dans la partie 4.

 Calorifugation et maintien à 150 °C de l’aérosol de combustion

Pour des raisons techniques, nous ciblons 150 °C (une température au-delà de cette valeur présenterait des risques pour l’installation) pour la température de prélèvement de l’aérosol de combustion. La ligne d’échantillonnage de la phase particulaire de l’aérosol de combustion est chauffée et calorifugée de manière à opérer une première dilution chaude à 150 °C. L’objectif est donc d’éviter tout point froid en dessous de 150 °C avant et pendant la première dilution. Cet objectif est atteint à l’aide d’un ruban chauffant, d’un manteau chauffant et d’un système de chauffage de l’air de dilution ; le tout étant piloté par des thermocouples externes et internes au système de chauffage qui donnent en temps réel l’information sur la température de la première dilution.

 Dilution

Pour le cône calorimètre, à l’aide de plusieurs diluteurs nous pouvons réaliser un prélèvement de l’aérosol de combustion en adéquation avec nos exigences en termes de température et de représentativité. L’air de dilution est pré-filtré et séché. Il s’agit d’opérer deux dilutions : la première à chaud (150 °C) avec le diluteur Dekati DI1000 et la seconde à température ambiante à l’aide de deux diluteurs Palas VKL10 (cette dilution supplémentaire est nécessaire pour ne pas saturer les compteurs de particules placés en aval). Au total, les deux étages de dilution conduisent à un taux de dilution théorique d’environ 1:1000.

Les taux de dilution peuvent-être vérifiés en injectant en tête de dilution un gaz de concentration connue puis en mesurant, en sortie des diluteurs, la concentration finale. Cette mesure a été réalisée pour vérifier le taux théorique annoncé. Le taux de dilution mesuré varie entre 1:8 et 1:10. Cependant, cette vérification ne se fait pas systématiquement au cours de l’essai. La valeur ‘1000’ annoncée pour le taux de dilution est donc une approximation du taux réel de dilution dont on ne connaît pas la valeur exacte durant l’essai de combustion car celle-ci évolue au cours de l’essai de combustion. Les considérations n’étant pas quantitatives, cette approximation n’est pas gênante.

Par ailleurs, signalons que cette cascade de dilution introduit forcément des pertes en particules sachant que chacun des diluteurs possède son propre diamètre de coupure. Le fabricant Dekati donne les limites de son diluteur⁵ et annonce des pertes négligeables pour les particules dont le diamètre est inférieur à 1µm. Par contre, pour les particules à 1 µm<D<5 µm, les pertes sont de moins de 10% dans le pire des cas. Pour les particules à D>5 µm, il n’y a pas de données. Quant aux deux Palas VKL10, aucune étude ne fait état de leur diamètre de coupure. Cependant, étant donné qu’il s’agit de diluteurs-éjecteurs, ils devraient présenter les mêmes caractéristiques en perte de particules. En effet, des études annoncent que dû au

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colmatage de la buse d’éjection, ces appareils présentent des pertes de particules dès D>1 µm et une efficacité de pénétration de seulement 50 % pour les particules au delà de 5 µm de diamètre [Wie05, Gud98]. Ces valeurs d’efficacité de pénétration sont d’autant plus sensibles que les différences de pressions en amont et en aval des éjecteurs fluctuent. Ainsi, il est difficile de connaître les performances des diluteurs en termes d’efficacité de pénétration des particules microniques.

Le problème se pose alors pour le granulomètre APS placé en aval de la cascade de dilution qui compte les particules jusqu’à 20 µm de diamètre. Nous allons alors considérer ses résultats avec beaucoup de précaution en nous intéressant principalement à la concentration en nombre des particules de diamètre <2 µm.

3.2.3.2. Mesures en temps réel (on line)

Par définition, les PNx-y sont les concentrations en nombre (Part./cm³) des particules de diamètre y<D<x nm, émises lors de la combustion et comptées par le DMS.

Plusieurs compteurs de particules sont mis en parallèle et en sortie de la cascade de dilution : un DMS, un CPC et un APS. Tous ces compteurs utilisent des méthodes de détection différentes et les diamètres sont aérodynamiques pour le CPC et l’APS et de mobilité électrique pour le DMS.

 DMS 500 (Differential mobility spectrometer, Dynamic Particle Spectrum, Cambustion)

Grâce à ses 22 détecteurs électromètres le DMS500 mesure la mobilité électrique de particules donnant la distribution de taille des particules de 0,005 µm à 1 µm (en nombre) en temps réel avec une résolution de 16 canaux par décade. Ce granulomètre spectromètre est souvent utilisé pour des applications liées aux aérosols de combustion [Bis05, Sym07].

Figure II. 15 : Le granulomètre granulomètre DMS500

Son fonctionnement repose sur le tri des particules en fonction de leur mobilité électrique à l’aide d’une colonne DMA (Differential Mobility Analyser). Les particules de l’aérosol sont soumises à un champ électrique dans la colonne et vont ainsi être déviées différemment selon leur diamètre de mobilité, la mobilité électrique dépendant du diamètre de mobilité Dm.

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 APS 3321 (Aerodynamic Particle Sizer, TSI)

L’APS mesure le diamètre aérodynamique des particules par la technique “time of flight”, il les trie et il les compte par gamme de tailles : de 0,542 µm à 20 µm [DeC04]. Cependant, comme évoqué précédemment, étant donnée la cascade de dilution qui introduit des pertes en particules microniques, en amont de l’APS, les valeurs obtenues seront utilisées avec précaution et jusqu’à 2 µm seulement.

 CPC 3022 (Condensation Particle Counter, TSI)

Ce granulomètre à noyau de condensation utilise du butanol et compte les particules totales entre 7 nm et 1 µm [Bou95] par méthode optique.

3.2.4. Mesures off-line de l’aérosol de combustion

3.2.4.1. Prélèvement de particules pour analyse différée au MET

A l’aide d’un préleveur MPS (Mini Particle Sampler), nous pouvons recueillir sur grilles MET un échantillon de particules de combustion pour analyse microscopique différée [R’mi13]. Le temps de prélèvement est relativement court (quelques secondes) selon la concentration en particules de l’effluent de combustion. Le prélèvement est réalisé en sortie du premier diluteur de la cascade de dilution.

3.2.4.2. Prélèvement de particules pour analyse différée au MEB et pour pesées A l’aide du DLPI (Dekati Low Pressure Impactor), nous réalisons un prélèvement de particules de combustion en sortie de la première dilution pour analyses gravimétriques (pesées de substrats d’impaction) et différées au MEB. La matière particulaire de l’aérosol de combustion est recueillie à température ambiante sur des substrats d’impaction en polycarbonate (PC) placés dans un impacteur en cascade basse pression. DLPI comportant 13 étages d’impaction. Ces substrats d’impaction sont pesés avant essais et après essais pour déterminer la masse de particules déposées lors de l’essai de combustion par gamme de taille (de 10 µm à 0,03 µm) avec une incertitude calculée pour chaque pesée.

3.2.5. Mesures off-line des résidus de combustion

Les résidus de combustion ont été récupérés après chaque essai pour être pesés et analysés par microscopie électronique à balayage (JEOL 7600F High Resolution Analytical SEM energy dispersive spectrometer SDD BRUKER (EDS) X-ray detector) et à transmission (Philips CM12 TEM 200 kV) et par DRX (Bruker AXS D8 Advance diffractometer using Cu Kα radiation).

3.2.6. Tableau de synthèse

Le tableau ci-après (Tableau II.5) récapitule toutes les conditions opératoires des appareils du dispositif expérimental 2.

Ces conditions opératoires sont appliquées de la même manière pour tous les essais de combustion, pour tous les échantillons. En effet, que ce soit la masse d’échantillon testé, la température de combustion, le taux de dilution, les gammes de mesure, etc., le dispositif

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expérimental a été pensé de manière à toujours travailler dans des conditions expérimentales similaires pour permettre les comparaisons entre différents matériaux.

Tableau II.5 : Caractéristiques et conditions d'utilisation des appareils – Dispositif expérimental 2

Objectifs Appareils Caractéristiques et conditions d’utilisation

Réaliser des essais de d’incinération ou de décomposition thermique

Cône calorimètre FTT (Fire Testing Technology)

à atmosphère contrôlée

Masse échantillon = 2,50 g, T°C de consigne = 900 ou 700 °C Flux thermique = 75 ou 50 kW/m², Débit d’air total = 160 L/min,

Composition air = 21 ou 15%O2 (+/- 1%),

Nacelle et porte-nacelle en inconel,

Caractériser les gaz de combustion

Analyseur de gaz Servomex 4100 Gas Purity Analyser

CO/CO2/ O2 (0-1%/0-20%/0-25%) Acquisition = 1 s Caractériser l’aérosol de combustion Mesures on-line Diluteur DI1000 Dekati Diluter Taux de dilution = ~9, Débit de prélèvement = 5 L/min,

Nombre de dilution = 1, T°C dilution = 150 °C,

2 Diluteurs Palas VKL10

Taux de dilution = ~100 (10*10) Débit de prélèvement = 5 L/min

Nombre de dilution = 2 T°C dilution = température ambiante

DMS 500 Cambustion M85 Fast Particle Analyzer (Dynamic Particle Spectrum)

Débit de prélèvement = 8 L/min, Gamme = 0,005 µm -1 µm, Résolution = 16 canaux/décade

Temps de réponse = 200 ms

Dilution = 1/1000 (1 dilution à 150 °C + 2 dilutions à température ambiante)

APS 3321 TSI (Aerodynamic Particle Sizer)

Débit de prélèvement = 5 L/min, Gamme = 0,542 µm -20 µm,

Dilution = 1/1000 (1 dilution à 150 °C + 2 dilutions à température ambiante)

CPC 3022 TSI (Condensation Particle Counter)

Débit de prélèvement = 1,3 L/min, Gamme = 0.007 µm -1 µm,

Solvant = Butanol

Dilution = 1000 (1 dilution à 150 °C + 2 dilutions à température ambiante)

Caractériser l’aérosol de combustion Mesures off-line

MPS (Mini Particle Sampler)

Débit de prélèvement = 0,3 L/min, Durée de prélèvement = 6 s Grilles MET Quantifoil 400 mesh Cu

Dilution = 1/10

Impacteur DLPI Dekati (Dekati Low Pressure Impactor)

Débit de prélèvement = 10 L/min, T°C impacteur = température ambiante,

Pression = 100 mbar, Gamme = 0,03 µm -10 µm, 13 étages

Substrats d’impaction = polycarbonate Isopore GTTP 0,2 µm Dilution = 1/10, Dekati (dilution chaude 150 °C)

Pour chaque échantillon, on réalise au moins 3 essais répétables. Les temps de réponse de chacun des appareils ont été mesurés. Le principe est de créer « un événement » émissif en

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gaz et particules (tel que l’allumage d’une allumette) et de chronométrer le temps de réaction de chacun des appareils. Ceci permet de synchroniser tous les appareils pour pouvoir harmoniser l’échelle des temps des différents suivis temporels.