Chauffage
Figure 3-11 Variation de la pression de vapeur saturante en fonction de la température
Nous allons voir dans la suite comment nous avons utilisé cette propriété physique d’évaporation dans la conception de notre dispositif. Tout d’abord, les mélanges gaz-traceur réalisés en sortie d’ensemenceur sont ensuite transportés dans le reste et introduits dans une cellule optique afin d’être excités par le laser. Nous allons maintenant décrire les caractéristiques de cette cellule.
3
3..22..44..33 CCeelllluulleeooppttiiqquuee
Deux types de cellule peuvent être utilisées selon notre désir de nous rapprocher plus ou moins de nos conditions expérimentales. La première cellule est de forme cylindrique de 36 cm3 de volume et peut être chauffée. La deuxième est la chambre de combustion elle même, cela nous permet de nous rapprocher au plus près de nos conditions expérimentales. Son volume est de 827 cm3 mais elle ne peut être chauffée. Pour distinguer ces deux cellules nous appellerons la première « cellule chauffée » (Figure 3-12) et la deuxième « cellule chambre » (Figure 3-14). Les deux cellules disposent d’accès optiques permettant la réalisation des mesures de fluorescence. Elles possèdent de hublots d’entrée, circulaires ou rectangulaires permettant le passage du faisceau laser sous forme de faisceau (cellule chauffée) ou de nappe (cellule chambre). Un hublot transversal rectangulaire permet de recueillir le signal de fluorescence sur une caméra. Ces hublots sont en suprasil 2 et sont conçus pour résister à de fortes pressions (jusqu’à 15 bars) et températures (environ 600°C) sans altérer la qualité du signal transmis. Dans les deux cas les hublots transversaux sont placés le plus près possible de la face d’entrée du laser afin d’éviter toute absorption du faisceau laser en amont du hublot. Ils sont relativement grands ce qui permet de vérifier l'absence d'absorption le long du trajet optique. Sur la cellule chauffée, afin de permettre l’éventuelle étude de la variation du signal de fluorescence en fonction de la température quatre résistances chauffantes sont présentes, insérées dans le bloc (Figure 3-13). Un contrôle de la température est effectué grâce à un
thermocouple placé au centre de la cellule et relié à un régulateur. Chacune des deux cellules dispose d’un capteur de pression (série 33S Keller, 0<P<10 bars, ∆P=10 mbars). Néanmoins dans la cellule possédant des résistances chauffantes, ce capteur est déporté du dispositif afin d’éviter son altération lors du chauffage de la cellule (une gamme de fonctionnement fiable imposant une température inférieure à 80°C). Une ligne d’échappement permet de vider les deux cellules et de les nettoyer par circulation de gaz.
Descriptif de la cellule chauffée :
Capteur de pression
Partie reliée à la bonbonne
Thermocouple Ligne d'échappement Robinet
Hublot Hublot
Hublot
Figure 3-12 Cellule de mesure chauffée.
Descriptif de la cellule chambre :. Nappe laser Hublot d’entrée Hublot de collection du signal P Vidange Capteur de pression Nappe laser Hublot d’entrée Hublot de collection du signal P Vidange Capteur de pression
Figure 3-14 Cellule chambre
Dans chacune de ces cellules, vont être introduit des mélanges. Ces mélanges peuvent être amenés par deux processus de mélanges différents, nous allons les décrire.
3
3..22..44..44 PPrroocceessssuussddeemmééllaannggeess::
Comme nous venons de le voir, les éléments essentiels des dispositifs d’étalonnage sont une cellule optique recueillant les mélanges à étudier et un ensemenceur permettant l’introduction de traceur liquide ou solide sous forme gazeuse. Nous pouvons néanmoins préparer les mélanges de différentes façons. L’une d’entre elle consiste à utiliser des prémélanges statiques avec la présence d’une bonbonne de mélange, l’autre utilise des mélanges en circulation à l’aide de cols soniques. Nous allons maintenant décrire en détails ces deux moyens de mélange.
Mélanges statiques :.
Le principe consiste à réaliser des mélanges calibrés préparés dans une bonbonne où différents gaz seront mélangés en proportions connues avec le traceur provenant d’un ensemenceur. Ces mélanges sont ensuite introduits dans la cellule optique thermostatée décrite ci-dessus.
Schéma général du dispositif
Le schéma de ce premier dispositif expérimental est reporté Figure 3-15. L'ensemenceur permet d'injecter le traceur sous forme gazeuse dans la bonbonne. Des mélanges gazeux calibrés peuvent être réalisés dans cette bonbonne par contrôle des pressions partielles. Une fois le mélange effectué, il est injecté dans la cellule de mesure. Le mélange soumis à l'excitation laser va émettre un signal de fluorescence. Ce signal est collecté par une caméra
CCD intensifiée 12 ou 16 bits placée à 90° de la cellule de mesure. Un filtre est placé devant la caméra afin d'être sûr de ne collecter que le signal de fluorescence. Le rayonnement issu des diffusions de Mie, Rayleigh et du laser n'est ainsi pas recueilli. Par ailleurs un diaphragme circulaire a été introduit entre le faisceau laser et la cellule de mesure afin de ne collecter que la partie la plus énergétique du faisceau.
Caméra intensifiée 12 ou 16 bits Filtre
Faisceau Laser YAG à 266 nm Accès optiques Encemenseur Azote PC d'acquisition Air Propane Bonbonne de mélange Cellule de mesure
Figure 3-15 Dispositif expérimental
La bonbonne est un des éléments importants apparaissant dans ce processus de mélange. Nous allons décrire ses caractéristiques.
La bonbonne de mélange
Robinets
Ligne reliée à la cellule de mesure
Traceur + N2
Capteur de pression
N2, air, C3H8
Thermocouple
Ligne d'évacuation
C’est dans cette bonbonne que les mélanges calibrés vont pouvoir être réalisés. C'est un réservoir cylindrique de 3534 cm3 qui dispose d’un capteur de pression mesurant des pressions comprises entre 0 et 10 bars avec une précision de 10 mbars et d’un thermocouple de type K.
Elle est reliée aux lignes d’introduction des gaz N2, air , C3H8 et traceur. Le volume de la bonbonne est assez important et les robinets d’entrée et de sortie sont le plus proche possible afin de minimiser l’influence des volumes morts lors de l’introduction des gaz. Une ligne d’échappement permet de vider la bonbonne et de la nettoyer par circulation de gaz afin d’enlever le traceur éventuellement restant. Des vannes pointeau permettent de contrôler les débits de gaz. La quantité injectée est contrôlée en utilisant la pression partielle de chaque gaz grâce au capteur de pression. Ainsi pour effectuer un mélange de richesse 1 à 4.96 bars par exemple, nous introduisons successivement, PC3H8=200 mbars puis Pair=4760 mbars avec une Ptotale=Pair+PC3H8=4960 mbars. Des mélanges calibrés à différentes pressions peuvent ainsi être réalisés. Ils vont pouvoir ensuite être injectés dans la cellule de mesure. Des injections successives permettent ainsi à partir d’un mélange unique de réaliser une série de mesures à différentes pressions.
Enfin des résistances chauffantes entourant la bonbonne peuvent être utilisées évitant ainsi une éventuelle recondensation du traceur (p 70). Un contrôle de la température est effectué à chaque manipulation grâce à un thermocouple placé au centre de la bonbonne.
Mélanges en circulation
Cette méthode de mélange est basée sur l’utilisation de mélanges calibrés en circulation dans la cellule. Ce moyen de mélange sera utilisé dans la cellule chambre. Nous allons décrire en détails les éléments de ce dispositif et son fonctionnement.
Un schéma du dispositif expérimental est donné Figure 3-17. Des mélanges calibrés de différentes pressions vont être réalisés à l’intérieur de la cellule chambre grâce à des cols soniques. L’ensemencement du propane en traceur est réalisé lors de la circulation de ce gaz dans l’ensemenceur. En sortie d’ensemenceur, ce mélange propane et traceur est combiné à l’air. Le débit de propane fixé par un col sonique est maintenu contant afin d’être sûr de toujours transporter la même quantité de traceur au cas où l’équilibre de saturation ne serait pas atteint dans l’ensemenceur. La richesse est alors fixée par le débit de dilution d’air établi par le col sonique d’air. Afin de réaliser tous les étalonnages nécessaires, plusieurs cols soniques ont été utilisés afin de recouvrir une large gamme de débits d’air et donc de richesse. Pour un mélange de richesse Φ à P bars, la procédure opératoire est la suivante. Tout d’abord la circulation d’un mélange de richesse Φ2 beaucoup plus importante que Φ et tel que :
( )
+ − Φ Φ = Φ 8 . 23 1 8 . 23 2 P Pest réalisée à pression ambiante pendant plusieurs minutes dans la chambre afin de s’assurer d’un mélange homogène. Ensuite la cellule optique remplie par ce mélange est complétée par de l’air jusqu’à P bars. La pression totale est mesurée à l’aide du capteur de pression statique. Nous avons alors réalisé un mélange de richesse Φ à P bars. Ce mélange est alors soumis à l’excitation laser à 266 nm en forme de nappe, le signal est récolté par l’intermédiaire d’une lame séparatrice passe-haut sur une caméra ICCD 16 bits devant laquelle est placée un filtre. Les mélanges sous pression ayant été soumis à l’excitation laser sont ensuite évacués par un robinet de vidange.
Laser, UV 266 nm Lame séparatrice Passe-haut Lentille sph. ICCD LIF Lentille cyl. Propane Ensemenceur AIR Cols soniques AIR Vidange P Laser, UV 266 nm Lame séparatrice Passe-haut Lentille sph. ICCD LIF Lentille cyl. Propane Ensemenceur AIR Cols soniques AIR Vidange P
Figure 3-17 Dispositif d’étalonnage par cols soniques.
Ce protocole de mélange par circulation permet de ne jamais transporter de propane pur mélangé au traceur à pression de vapeur saturante dans le dispositif. Ainsi même dans les endroits où il pourrait y avoir des conditions favorables à la recondensation (p 70) la pression partielle du traceur reste en dessous de sa pression de vapeur saturante. Il faut de plus vérifier que lors du passage du traceur dans le col sonique le phénomène de détente n’aboutissait pas à la recondensation du traceur.
Une fois ces deux dispositifs de mélange réalisés, nous devons examiner leur fiabilité.
Contrôle des mélanges :
Avant d'étudier le signal de fluorescence en fonction de la richesse, nous avons évalué la fiabilité des deux systèmes de mélange et leurs reproductibilités. Afin de s'affranchir des problèmes de quenching et de se focaliser uniquement sur la réalisation du mélange, l'air et le propane (C3H8) ont été remplacés par de l'azote (N2) qui n'a aucune influence sur le signal de fluorescence issu du traceur. (Nous développerons ces résultats p 87 et p 96). Ceci nous permet d'effectuer une vérification fiable sur une plus grande gamme de concentration le signal étant plus intense qu'avec l'oxygène. De plus une augmentation de la quantité de traceur se traduira par une augmentation du signal de fluorescence. Pour faire l'équivalence avec un mélange propane, air, nous pouvons définir une pseudo-richesse qui va servir à effectuer des mélanges calibrés dans les mêmes proportions qu'un mélange de richesse ordinaire mais sans introduction d'air et de propane.
( )
( )
( )
( )
stoe oxydant fuel oxydant fuel pseudo N r avectraceu N N r avectraceu N = 2 2 2 2φ est identifiée à la richesse