Les fours et la mesure de la température

Pour mieux comprendre la transmission de la chaleur à l’intérieur des fours, plusieurs modélisations ont été faites avec l’aide du logiciel FLUENT 5.5. Cette étude a été menée par Paolo Villani dans le cadre de son stage de D.E.A. Cette opération avait pour but non seulement d’évaluer la validité de la mesure de température mais également de déterminer les conditions d’utilisation des fours pour les hautes températures. Ainsi, la simulation pour une température de la surface de réchauffement du tube en céramique de 1000°C indique clairement la bonne tenue du matériau réfractaire utilisé avec une température à la surface du four de 80°C. Cette température peut même être abaissée de 50°C avec une isolation de quelques centimètres en plus uniquement.

On s’est aperçu aussi que les températures maximales à l’intérieur du four à l’équilibre correspondent à la température du matériau céramique moins 20°C. Elles sont obtenues pour des conditions d’utilisation à une distance d’environ 10-12 cm de l’entrée dans le tube. Toutefois, la température maximale n’est maintenue que sur une portion limitée du tube (environ 10 cm). Le temps de résidence estimé des particules d’aérosol à l’intérieur du tube dans la zone de réchauffement est alors de 0.7s pour 30°C à 0.5s pour 1000°C. Il est légèrement supérieur à ceux d’autres fours utilisés pour des mesures VTDMA (Orsini, 1998, 0.23s pour 120°C ; Brooks et al., 2002, max. 0.2s). Ceci est du à l’utilisation d’un tube de diamètre interne 2 fois supérieure aux autres pour notre système de thermodésorption.

Il est intéressant de noter que le retour à la température ambiante se fait rapidement sur une distance de l’ordre de 20 cm (cf. figure 4.3.3). Ceci est important dans la mesure où les électrovannes en aval du four ne peuvent fonctionner au-dessus 50°C. Le dimensionnement actuel permet donc d’avoir un contrôle optimal de la température.

(a) (b)

(c) (b)

Figure 4.3.3: Profil de température en °K de la partie haute (a), partie centrale (b) et partie basse (c) du four, ainsi que l’ensemble

four et zone de refroidissement (d).

Afin de vérifier expérimentalement les simulations, un thermocouple de type K blindé a été placé à l’intérieur du four. Ce thermocouple est globalement en accord avec celui qui contrôle le four (cf. fig. 4.2.1) dans la zone centrale entre 10 et 20 cm de l’entrée du tube. Une légère surestimation de la température mesurée par le thermocouple pilote à basse température vient de l’inertie thermique de l’air (cf. figure 4.3.4). Ceci confirme néanmoins les informations fournies par la modélisation.

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 0 20 40 60 80 1 T e m p é ra tu re à l 'i n té ri e u r d u fo u r (° C ) 00 T=100°C T=300°C T=600°C T=900°C Figure 4.3.4 : Profils de température interne correspondants à quatre températures de référence (100, 300, 600 et 900°C). Chaque « palier » correspond à une mesure

tous le 5 cm. A l’intérieur du tube la température est, en moyenne, identique à celle sélectionnée dans la portion de tube de 10 à 20 cm

Ainsi, on peut voir que le système de thermodésorption se comporte de manière tout à fait satisfaisante, à la fois en terme d’efficacité thermique et de pilotage des températures.

La capacité des fours à volatiliser les particules dépend du temps de résidence des particules dans la zone où la température optimale (légèrement inférieure à celle mesurée à la surface du tube) est atteinte. Seulement, la modélisation de la façon dont se volatilisent les particules reste très difficile. Le code de calcul FLUENT permet en théorie de simuler l’évaporation des particules pour des espèces chimiques simples. Toutefois, ce genre de simulation requiert une connaissance préalable des paramètres thermodynamiques caractéristiques du problème comme les pressions de la vapeur, les températures de volatilisation … Ces paramètres sont assez bien connus pour des composés inorganiques simples. Mais, ils ne sont souvent pas connus pour des mélanges complexes tel que ceux que l’on observe pour des aérosols atmosphériques ou même pour beaucoup d’éléments organiques. De plus, le mélange de phase gazeuse et particulaire et le transfert entre les phases n’est pas bien maîtrisé dans la version 5.5 du logiciel.

Nous avons donc dans un premier temps calibré le VTDMA à partir des courbes de volatilisation de particules pour différents composés chimiques produites en laboratoire (cf. fig.4.3.5) :

- Sulfate d’ammonium: (NH4)2SO4

- Chlorure de Sodium: NaCl - Nitrate de Sodium: NaNO3

- Nitrate d’ammonium: NH4NO3

Ceci a été fait en générant artificiellement des particules à l’aide d’un générateur TSI 3076 permettant de produire des particules submicroniques à partir d’une solution de composition chimique et de concentration connues. Le montage expérimental a demandé l’adaptation du générateur et la mise en place d’une chambre de mélange afin d’assurer une production continue et stable de particules. Ensuite, les deux DMA échantillonnent la même taille de particules, puis on augmente la température jusqu’à ce que le 2^ème CPC ne comptent plus de particules. Les résultats obtenus pour ces 5 composés chimiques avec 3 tailles de particules différentes sont présentés sur la figure 3.1.4. On notera en ordonnée que le maximum n’atteint pas 1. Cela est dû au fait que le DMA2 a un β plus faible que le DMA1, il fait donc un échantillonnage plus précis et ne transmet qu’une partie des particules échantillonnées par le DMA1. La valeur plus basse de l’ordonnée pour les particules de 30nm correspond à une efficacité de transfert du DMA pour les petites particules plus faible à cause des pertes par diffusion (cf. § 4.3.4).

(a) (b)

(c) (d)

Figure 4.3.5 : Courbes de volatilisation d’un aérosol monodispersé autour d’une taille de 70 (losange), 50 (carré) et 30

Les courbes de volatilisation des particules sont présentées sur la figure 4.3.5 a), b), c) et d). Elles montrent une plage de température d’environ 50°C, excepté pour le CaCO3 où elle fait 250 °C, durant laquelle les particules se désagrègent au fur et à mesure que la température augmente. La température de volatilisation (τvot) est atteinte lorsque l’on a plus de particules. Elles sont donc de 600, 260, 550, et 450 °C pour respectivement le (NH4)2SO4, le NaCl, le NaNO3 et le CaCO3. On remarque toutefois que la température de volatilisation des particules de 30 nm de NaNO3 est légèrement plus faible que les autres.

Les résultats obtenus sont présentés dans le tableau suivant où ils sont comparés à des analyses de volatilité précédentes.

τvot (°C) Composé

Cette étude^* Jennings and al., 1994; O'Dowd, 1992^**

Brooks et al., 2002 Philippin, 1999 (NH₄)₂SO₄ 250 250 235 180 NaCl 600 700 650 --- NaNO₃ 550 --- 550 --- CaCO3 450 450 --- --- NH4NO3 75 --- --- --- Carbone Elem. --- 820 --- ---

Tableau 4.3.1 : Température de volatilisation de différents composés pour les fours utilisés par notre VTDMA et ceux

trouvé dans la littérature.

Malgré un temps de résidence supérieur, on remarque que les particules de chlorure de sodium sont complètement volatilisées à 650° C, ce qui est proche de calibrages similaires effectués pour le four de O'Dowd et collègues. Par la suite, on se servira des précédentes températures de volatilisation indiquées au paragraphe sur le principe de la mesure.