Description des éléments situés à l’intérieur de l’enceinte

La Figure III.3. représente une coupe de l’enceinte haute pression. Les différents éléments montés à l’intérieur de l’enceinte sont décrits dans cette partie.

Figure III.3. Schéma et photographie des éléments situés à l’intérieur de l’enceinte haute pression

2.1. Brûleurs à contre-courants

Les flammes laminaires de prémélange sont stabilisées à haute pression à l’aide de deux brûleurs convergents identiques en configuration à jets opposés. Le schéma des brûleurs est présenté sur la Figure III.4. Le diamètre de sortie des brûleurs est de 7 mm. Ce faible diamètre permet, d’une part de limiter la consommation de gaz (notamment à haute pression), et d’autre part, de limiter les phénomènes d’absorption du faisceau laser en amont du volume de mesure et les problèmes de trapping (i.e. absorption du signal de fluorescence) lors des mesures par Fluorescence Induite par Laser. Les bords du convergent à la sortie du brûleur

Circuit de refroidissement en colimaçon

Brûleurs à contre-courants

Système de déplacement des brûleurs

Thermocouple type K Thermocouple type J

prémélange et permet ainsi de décoller les flammes des bords des brûleurs et de les préserver de l’influence des gaz qui recirculent dans l’enceinte. Le diamètre externe de l’anneau de garde autour du prémélange est de 13 mm. Le rapport des surfaces de sortie entre le prémélange et la garde est de 1,8.

Figure III.4. Coupe des brûleurs à contre-courants

A l’entrée de chaque brûleur, le prémélange passe au travers d’un poreux afin d’homogénéiser la vitesse des gaz sur toute la surface. Le prémélange traverse ensuite un cylindre (1) puis une buse convergente (2) dont le profil est inspiré de la relation empirique proposée dans la thèse de J.C. Rolon (1988). La formule employée est :

Les grandeurs employées dans la relation sont définies sur la Figure III.5.

R z Rª

«¬

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-1 Œ-1 DR_ª

R~S•^! D1 zd^!!S^! D1 $ z3. d^!!S^%®¯¯°^{a !±}

(III.18)

Figure III.5. Représentation des profils de convergent à l’intérieur des brûleurs [Rolon (1988)]

Cette géométrie est définie de sorte que le profil radial de vitesse des gaz à la sortie du brûleur soit quasiment uniforme. La buse de la garde d’azote a été conçue avec le même profil convergent. Au cours de la thèse de N. Bouvet (2009), les profils radiaux de vitesse axiale en sortie de ces mêmes brûleurs ont été mesurés par vélocimétrie par imagerie de particules (PIV), à pression atmosphérique, dans un écoulement d’azote à température ambiante. Les résultats, présentés sur la Figure III.6., confirment la présence d’une plage d’environ 4 mm où la vitesse de gaz à la sortie du brûleur est uniforme. La gamme des débits analysée par N.

Bouvet (2009) correspond aux débits employés à pression atmosphérique dans le cadre de notre étude (i.e. entre 1,5 et 3 L/min selon la richesse).

Figure III.6. Profils radiaux de vitesse de N2 à 1 mm au dessus de la sortie du brûleur du bas obtenus pour différents débits [Bouvet (2009)]

Re

R(z)

Rs d

z

Gamme de débits employée pour les flammes CH4/air à pression atmosphérique étudiées dans cette thèse

Au début de la thèse, les brûleurs étaient refroidis par de l’eau de ville passant séparément dans chacun des brûleurs. Cependant, au cours de la montée en pression des flammes, l’apparition de condensation sur le brûleur du haut a été observée. Les gouttes d’eau formées convergeaient vers la sortie du brûleur ce qui entraînait des problèmes de stabilité des flammes car une partie de la sortie des gaz était obstruée par la présence de gouttes d’eau.

Cette difficulté a été surmontée en s’inspirant de la thèse de Thomsen (1999) qui a connu le même type de problème. Il l’a résolu en augmentant la température du système de circulation d’eau dans la paroi des brûleurs. L’installation a donc été munie d’un bain thermostaté (Fisher Scientific, modèle Cryo-Polystat^® 18241) afin de contrôler la température de refroidissement des brûleurs (30°C à 50°C selon les flammes). L’eau de refroidissement passe d’abord par le brûleur du haut (partiellement chauffé par les gaz brûlés) puis par le brûleur du bas afin d’homogénéiser au mieux la température des gaz frais entre les deux brûleurs.

Bien que les brûleurs soient refroidis par une circulation interne, le brûleur du haut subit un réchauffement par convection lié à l’écoulement des gaz brûlés le long de ses parois.

Les échanges thermiques susceptibles de se produire au cours d’une expérience sont schématisés sur la Figure III.7.

Figure III.7. Schéma des échanges thermiques pouvant survenir au cours d’une expérience

La partie supérieure du brûleur du haut, non refroidie, est chauffée et, par conduction, réchauffe l’ensemble du brûleur et le prémélange. Pour quantifier l’échauffement du prémélange, l’idéal serait de placer des thermocouples à l’intérieur du brûleur. Cependant, dans notre cas, l’ajout de thermocouples nécessiterait une modification importante de la configuration du brûleur. A défaut, la température à l’intérieur des brûleurs a été mesurée en plaçant des témoins de température autocollants (modèles 285-914, 285-920 et 285-936) à l’intérieur des convergents. Cette étude est présentée dans le chapitre V (partie 1.4.). Notons, par ailleurs, que ce problème d’échauffement pourrait être limité avec une meilleure isolation du brûleur du haut. Pour cela, il est possible, par exemple, d’isoler le brûleur du haut avec des matériaux réfractaires ou bien d’ajouter un déflecteur pour éloigner les gaz brûlés du brûleur (cf. travaux à pression atmosphérique de E. Betbeder (2008) et N. Bouvet (2009)). Cependant, dans notre cas, il se pose un problème d’encombrement puisque les brûleurs sont confinés à l’intérieur d’une enceinte haute pression.

Le brûleur du haut est solidaire d’une plaque en inox maintenue sur trois colonnes (Figure III.8.). La position en hauteur de cette plaque, et donc l’écart entre les brûleurs, peut-être ajustée au moyen d’écrous de serrage, avec une précision de ± 200 µm. Cet écart est ensuite mesuré plus précisément à l’aide du laser avec une précision de ± 100 µ m. La méthode consiste à déplacer les brûleurs en hauteur par rapport au faisceau laser. La position des brûleurs est définie lorsque la moitié du faisceau laser est occultée par la surface du brûleur. L’écart entre les brûleurs a été défini de façon à garantir une bonne stabilité des flammes tout en s’assurant que les deux fronts de flamme soient suffisamment séparés l’un de l’autre et éloignés des brûleurs. Pour remplir ces conditions, l’écart entre les brûleurs est fixé à 10 mm. Ainsi, le rapport de la distance entre les brûleurs (L) sur le diamètre des brûleurs (D) est de 1,4, ce qui correspond aux rapports L/D généralement observés dans la littérature [Law et al. (1986), Law et al. (1994), Sung et al. (1996), Thomsen (1999) et Bouvet (2009), par exemple].

Afin de faire coïncider les axes des deux brûleurs, le brûleur du bas est solidaire d’une plaque pouvant être déplacée latéralement au moyen de vis pointeaux sur une course de

± 2 mm.

Figure III.8. Support des brûleurs à contre-courants et système d’allumage

L’allumage des flammes se fait au moyen d’un filament de kanthal disposé entre les brûleurs et porté rapidement à haute température par le passage d’un courant électrique. Ce filament est monté sur un bras, en alumine, rétractable au moyen d’un électroaimant. Une fois les flammes allumées, le système est alors déplacé sur le côté des brûleurs.

2.2. Système de déplacement des brûleurs

Le système de déplacement vertical de l’ensemble des deux brûleurs s’effectue au moyen d’une vis à rouleaux satellites (INA, modèle RGTFS12) entraînée par un moteur pas à pas SEM (modèle HDM58C6-73S). Deux arbres de guidage équipés de douilles à billes permettent de compenser le porte-à-faux. Un boîtier de commande, extérieur à l’enceinte, intégrant un driver et un contrôleur (ELMO Basoon Servo drive), permet de piloter manuellement le moteur. Le schéma du système est présenté sur la Figure III.9.

Figure III.9. Schéma du système de déplacement des brûleurs

Electroaimant

Système d'allumage Brûleurs

Colonnes de support du brûleur du haut Système de réglage en position

du brûleur du haut

Gaine en céramique Fil de kanthal

Plaque de réglage latéral

Vis à rouleaux satellites

Arbres de guidage

Moteur pas à pas Plateau de support des brûleurs à contre-courants Douilles à billes

La technologie de vis à rouleaux satellites a été sélectionnée en raison de sa plus large gamme de fonctionnement en température (allant jusqu’à 130°C) et sa précision de positionnement. Des tests sur banc en marbre ont permis de mesurer une résolution du déplacement du système d’environ 0,3 µ m/pas. La précision de repositionnement est quant à elle de ± 3 µm.

La présence de vapeur d’eau dans l’enceinte, notamment à haute pression, entraîne la corrosion des parties métalliques oxydables. Les composants placés à l’intérieur de l’enceinte ont été réalisés, autant que possible, avec des métaux inoxydables. Néanmoins, quelques éléments, dont notamment des composants du système de déplacement, comportent des parties en acier et les premières traces de rouille ont commencé à apparaître rapidement. Pour palier ce phénomène, l’ensemble du dispositif de déplacement est protégé par une enveloppe semi-étanche composée de feuilles d’aluminium. Ce système présente l’avantage d’être peu coûteux et de pouvoir se mettre en place et se retirer très simplement en cas d’intervention sur le système de déplacement des brûleurs. Au cours des expériences, une circulation d’azote est débitée à l’intérieur de l’enveloppe, isolant cette dernière des recirculations des gaz brûlés et donc de la vapeur d’eau.