Enceinte haute pression

L’enceinte haute pression, élaborée par la société Autoclave France, a été mise en place au laboratoire ICARE au cours de l’année 2007. Différentes coupes de l’enceinte sont présentées sur la Figure III.1.

1.1. Caractéristiques générales de l’enceinte

L’enceinte cylindrique, en acier inoxydable 316 L, est éprouvée pour supporter une pression maximale de 6 MPa et une température de paroi interne allant jusqu’à 200°C. Elle mesure environ 1 mètre de haut, son diamètre externe est de 30 cm et le diamètre interne de 25 cm. Le volume intérieur est de 41,5 litres. Les caractéristiques géométriques de cette enceinte ont été déterminées de façon à prendre en compte différents paramètres tels que :

- l’encombrement des brûleurs et de leur système de déplacement, - le renouvellement régulier des gaz à l’intérieur de l’enceinte, - son implantation dans la pièce,

- la facilité de mise en œuvre des diagnostics optiques.

Figure III.1 Coupes et photographie de l’enceinte haute pression

Dimensions en mm Dimensions en mm

A A A AA AA A

B B B BB B B B BB

BB B B B B

A A A AA A A A

L’enceinte est intégrée à l’intérieur d’un bâti composé de profilés en aluminium.

L’ouverture et la fermeture de l’enceinte se font au moyen d’un vérin pneumatique. Le corps de l’enceinte et la bride supérieure sont solidaires et fixés sur l’arbre du vérin, la bride du bas restant fixe et solidaire du bâti. Suite à l’installation des brûleurs et à l’alignement du dispositif optique (qui se fait enceinte ouverte), il a été constaté un écart d’alignement selon l’ouverture ou la fermeture de l’enceinte (cf. Figure III.2.). Ce problème est lié au fait que la traction du vérin se fait sur le côté de l’enceinte, générant ainsi un porte à faux. En effet, la bride du bas n’étant fixée au bâti qu’en deux points diamétralement opposés, la fermeture de l’enceinte modifiait l’horizontalité de cette bride (cas B sur la Figure III.2.). Ce problème a été surmonté en ajoutant trois pieds ajustables en hauteur sous la bride du bas de façon à conserver l’horizontalité de la bride du bas (cas C sur la Figure III.2).

A : Corps de l’enceinte monté, bride du bas horizontale B : Corps de l’enceinte baissé, bride du bas inclinée

C : Corps de l’enceinte baissé, bride du bas supportée par trois pieds réglables et horizontale Figure III.2. Schématisation du problème d’inclinaison de l’enceinte

1.2. Système de refroidissement de l’enceinte

Afin de maintenir la température des parois internes de l’enceinte inférieure à 200°C, l’enveloppe latérale est constituée d’une double paroi à l’intérieur de laquelle circule de l’eau de refroidissement.

Au cours des premiers essais de montée en pression des flammes CH4/air stœchiométriques, il a été observé que l’accumulation des gaz chauds entraînait une

A

B

Point de fixation de la bride au bâti Vérin pneumatique Enceinte

Bride inférieure

Pieds réglables en hauteur

C

augmentation de la température en haut de l’enceinte à plus de 100°C. Cependant, plusieurs éléments placés sur la bride du haut ne peuvent pas supporter des températures supérieures à 100°C. Pour palier ce problème, un circuit de refroidissement supplémentaire en forme de colimaçon en cuivre a été ajouté au-dessus du brûleur du haut. Il permet de compléter le refroidissement des gaz assuré par la bride du haut, elle-même refroidie par une circulation d’eau, et les parois refroidies de l’enceinte. Pour protéger le cuivre de l’oxydation, le circuit a été recouvert d’une couche de peinture haute température.

1.3. Accès optiques

Le dispositif est muni de quatre accès optiques de 40 mm de diamètre utile afin de permettre l’observation de la flamme et les mesures par diagnostic laser. Les hublots sont en quartz, leur épaisseur est de 30 mm et leur diamètre total est de 60 mm. Ils ont été dimensionnés pour supporter des pressions allant jusqu’à 6 MPa. Le détail du calcul est présenté en annexe V. L’ensemble des hublots est traité avec un revêtement antireflet sur la plage UV. De plus, le hublot situé en face de l’entrée du faisceau laser est incliné de 5° afin d’éviter le retour du faisceau sur lui-même (cf. Figure III.1., coupe B). Une circulation d’azote sur les faces internes des hublots a été mise en place afin d’éviter l’apparition de condensation de vapeur d’eau. Un système de chauffage des lignes d’azote (à environ 80°C) a été ajouté afin d’améliorer l’efficacité de ce système.

1.4. Passages étanches et éléments installés sur les brides inférieure et supérieure de l’enceinte

La bride du bas de l’enceinte est munie de passages étanches permettant l’arrivée des gaz, de l’eau de refroidissement des brûleurs et des connections électriques pour le moteur de translation des brûleurs, les thermocouples et le dispositif d’allumage des flammes. L’eau produite par la combustion, et condensée sur les parois refroidies, est évacuée au moyen d’une gouttière située sur la bride du bas de l’enceinte vers une ampoule de collection.

L’évacuation des gaz brûlés se fait au travers de la bride du haut. Le système d’évacuation est composé d’un capteur de pression (Wika, modèle transmitter S-10) couplé à une vanne de régulation de pression (Kämmer, modèle 030037-IP), pilotée par un automate Eurotherm (modèle 2408). Une seconde vanne à pointeau est montée en parallèle de la vanne de régulation. Son rôle intervient lors de la phase de stabilisation des flammes sous haute pression, décrite au paragraphe 5.1 (p. 120). Le système d’évacuation des gaz est complété par une soupape de sécurité (Swagelok, modèle R4-C, taré à 5,5 MPa) et un disque de rupture (OSECO, modèle FSTD, conçu pour éclater autour de 6 MPa) afin de garantir la sécurité en cas d’augmentation incontrôlée de la pression à l’intérieur de l’enceinte. Pour limiter les sifflements liés au passage rapide des gaz d’échappement dans les lignes de sortie, un pot silencieux (Bidalot S3R) a été fixé en amont du système d’évacuation des gaz à l’extérieur du bâtiment.

La vanne de régulation, le capteur de pression, la soupape de sécurité et le disque de rupture sont conçus pour fonctionner à des températures inférieures à 100°C. Le refroidissement de la bride du haut et le serpentin en colimaçon permettent de ne pas dépasser cette température qui est contrôlée par un thermocouple (type K) placé à la sortie de l’enceinte.