par les équations 5.1, 5.2 et 5.3. D’autres critères d’ordre qualitatif ont aussi été utili- sés : stabilité de la décharge et importance du volume réactionnel.
η = (qCO+ qH2) × P CIH2
qCnHm× P CICnHm+ W
(5.1) où qi et P CIireprésentent respectivement le débit et le Pouvoir Calorifique Inférieur
(ou PCI) molaires de l’espèce i et W la puissance électrique fournie par la source plasma. τ = qCO+ qCO2 + qCH4 n × qCnHm (5.2) SH2 = 2 × qH2 m × qCnHm (5.3) Le rendement η permet d’évaluer l’efficacité du reformeur au niveau énergétique (puis- sance en sortie par rapport à puissance en entrée). Nous avons volontairement choisi de ne pas prendre en compte la puissance nécessaire pour chauffer les réactifs. Cette technologie n’est pas optimisée et son intégration dans le calcul risquerait de « mas- quer » les résultats pertinents. Le taux de conversion χ permet de connaître l’impor- tance de la réaction de craquage, c’est-à-dire de dissociation de la molécule de carbu- rant. Une valeur élevée ne signifie pas forcément une meilleure production d’hydro- gène (dans une réaction de combustion, le taux de conversion est proche de 100 %). La sélectivité SH2, enfin, s’intéresse au nombre d’atomes d’hydrogène de la molécule de carburant servant à produire du di-hydrogène. En effet, l’hydrogène du carburant peut tout aussi bien être transformé en eau, méthane ou autres chaînes carbonées.
Notons que l’ensemble de ces tests concerne la réaction de reformage en régime permanent.
5.2
Influence de la géométrie
Comme souligné dans le chapitre 3, la tuyère a un rôle clé. L’étude paramétrique a été effectuée avec l’essence. Nous avons en effet émis l’hypothèse que les résultats seraient, dans les grandes lignes, applicables à l’ensemble des carburants de l’étude. Nous reviendrons sur ce point dans la partie 5.4. Nous présentons aussi une géomé- trie atypique (cas dit injection post-tuyère), où nous avons essayé de dissocier les ré- actions de vaporeformage de celles d’oxydation partielle.
5.2.1 Étude paramétrique de l’influence de la tuyère
Les conditions de référence sont les valeurs suivantes : H2O/C = 0.37, débit essence égal à 0.13 g/s et puissance électrique d’environ 1100 Watts. La géométrie de la tuyère de référence est celle représentée figure 5.1.
Lors de tests préliminaires, nous nous sommes rendus compte que l’arc semblait rester confiné à l’intérieur de la tuyère. Pour cette raison, le premier paramètre que nous avons décidé de faire varier a été la longueur de la tuyère (trois valeurs, 50, 75 et 100 mm, voir figure 5.2). Une longueur de 75 mm semble fournir un compromis entre un volume réactionnel suffisamment important et un arc pas trop étiré.
FIG. 5.2: Influence de la longueur de tuyère sur le rendement, à travers la variation de
O/C. Tuyère avec CD. Reformage de l’essence
Malgré l’amélioration nette du rendement, nous observions toujours un confine- ment du phénomène. Nous avons donc décidé de tester une tuyère dépourvue de convergent–divergent (CD), c’est-à-dire tout simplement un tube de 8 mm de dia- mètre intérieur de longueur 100 mm. Nous avons tout d’abord observé que cette mo- dification entraînait une augmentation significative du rendement (figure 5.3).
FIG. 5.3: Influence de la géométrie de l’extrêmité de la tuyère sur le rendement, L = 100
mm. Reformage de l’essence
Comme évoqué dans le chapitre 4 à l’aide du modèle d’écoulement, cet effet est sans doute lié à la présence d’un champ de vitesses élevées (et donc des temps de séjours réduits, défavorables à la réalisation de la réaction) dans le cas où la tuyère comporte un CD. La seconde observation a concerné l’aspect visuel de la zone réac- tionnelle : le fait d’utiliser une tuyère dépourvue de CD permet de créer un phéno- mène développé, semblable à une flamme, alors que la zone réactionnelle apparaît beaucoup plus confiné dans l’autre cas (voir figure 5.4).
5.2 Influence de la géométrie
Sans Convergent-Divergent Avec Convergent-Divergent
Phénomène développé Phénomène confiné
FIG. 5.4: Photographie de l’extrémité de la tuyère sans et avec CD, L = 100 mm. Refor- mage de l’essence
Suite à ces résultats, nous avons décidé de tester une tuyère plus courte (L =75 mm) et ne comportant pas de CD. Nous avons ainsi obtenu des performances légère- ment supérieures, mais surtout un phénomène quasi-continu avec un volume réac- tionnel bien marqué, comme nous pouvons l’observer figure 5.5.
FIG. 5.5: Photographie de la zone réactive lors du reformage autotherme de l’essence et
oscillogramme correspondant. L = 75 mm. O/C = 1.06
Le dernier paramètre que nous avons décidé de faire varier a été le diamètre in- terne de la tuyère (6 et 8 mm, figure 5.6). Là encore, un compromis doit avoir lieu : un diamètre important assure des temps de séjour importants, alors qu’un faible dia- mètre permet de stabiliser l’arc par effet paroi. Une valeur de 8 mm semble conve- nable.
Les caractéristiques de la tuyère permettant d’améliorer les performances dans les conditions O/C voisin de 1, H2O/C = 0.37, débit essence égal à 0.13 g/s et puis- sance électrique d’environ 1100 Watts sont donc les suivantes : longueur de 75 mm, diamètre interne de 8 mm et absence de CD. Nous obtenons notamment un arc bien développé sur l’ensemble de la longueur et un régime quasi-continu dans cette confi- guration.
FIG. 5.6: Influence du diamètre interne de la tuyère sur le rendement. O/C = 0.9, H2O/C
= 0.37. Reformage de l’essence
5.2.2 Étude de l’injection d’air en post-tuyère
Dans la démarche d’amélioration de la stabilité et de la conversion, il nous a paru intéressant d’étudier l’injection d’air en sortie de tuyère, afin de pouvoir isoler les ef- fets liés à l’oxydation partielle de ceux liés au vaporeformage. Le fait d’injecter l’air à la sortie de la zone plasma permettrait de plus d’éviter les instabilités observées, liées aux phénomènes d’oxydation brusque. La tuyère que nous avons choisie est re- présentée sur la figure 5.7. L’influence de l’injection d’air a ensuite été évaluée sur la figure 5.8 : bien que des taux de conversion intéressants aient été obtenus, les valeurs de rendement étaient globalement assez faibles et cette solution n’a pas été retenue.
FIG. 5.7: Photographie et plan (dimensions en mm) de la tuyère permettant l’injection
d’air en post-tuyère