Mesures intrusives

Le prélèvement d’un échantillon gazeux à l’aide d’une sonde permet de réaliser des mesures d’espèces chimiques ex-situ (cf. partie 2.2.1. p. 51). Les techniques de Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG), de Spectrométrie de Masse (SM) et de spectroscopie InfraRouge à Transformée de Fourier (IRTF) sont les plus souvent utilisées.

L’avantage majeur de ces techniques est qu’elles permettent de mesurer un grand nombre d’espèces simultanément. Cependant, la présence de la sonde dans la flamme génère des perturbations ce qui peut poser des problèmes importants, amplifiés à haute pression où le front de flamme devient très fin.

Wang et al. (1994) ont mesuré les profils des espèces CO, CO₂, CH₄, ClHC et CH₃Cl réactions mises en jeu sont les suivantes :

CO + 3H2 CH4 + H2O CO2 + 4H2 CH4 + 2H2O

Les autres espèces ont été directement analysées à l’aide d’un second FID. Les concentrations des espèces ont été mesurées tous les 0,2 mm avec une incertitude de ± 20%. Les profils de température des flammes ont été mesurés à l’aide de thermocouples de type Pt-Pt(13%Rh).

Les mesures de températures ont été réalisées tous les 0,25 mm. Notons que dans ce travail, les thermocouples n’ont pas été recouverts par un dépôt anti-catalytique et que les pertes de chaleur par radiation du thermocouple ne sont pas prises en compte. Il est donc probable que les températures mesurées soient sous-estimées par rapport aux températures réelles.

Cependant, au cours de ces travaux, ces dernières sont présentées comme des températures relatives et sont employées dans le but de comparer l’évolution de la température entre les différentes flammes de cette étude (CH4/air Φ = 0,7 puis CH4/CH3Cl/air Φ = 0,7 avec un rapport CH3Cl/CH4 = 0,25 puis = 0,5). Cette démarche semble adaptée puisque l’ensemble des mesures a été pris dans les mêmes conditions et que, par conséquent, les erreurs introduites sur la température seront les mêmes pour toutes les flammes.

Kaiser et al. (2000) ont mesuré les profils de 11 espèces chimiques (CO, O₂, CO₂, CH₄, C₂H₂, C₂H₄, C₂H₆, C₃H₈, DiMéthyl-Ether (DME), CH₂O, HOCHO) dans des flammes CH4/air et diméthyl-éther/air. Les prélèvements ont été réalisés à l’aide d’une sonde intermédiaire (diamètre de la sonde : 6,4 mm, diamètre de l’orifice 0,03 mm, angle du sommet du cône : 80°). Les espèces CO, O2, CO2, CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H8 et DME ont été analysées par CPG (les détecteurs ne sont pas précisés) et les espèces CO, CO2, CH4, C2H2, C2H4, DME, CH2O et HOCHO ont été mesurées par IRTF. L’incertitude sur les concentrations est comprise entre 10% et 20%. L’incertitude sur la position est de ± 0,15 mm.

Les profils de température des flammes ont été mesurés avec la méthode des débits soniques (présentée dans la partie 2.3.1., p. 64), consistant à déterminer la température du milieu à partir des temps de remplissage de la sonde. Le profil de température ainsi obtenu doit être calibré. Dans cette étude, le profil est calibré en mesurant la température dans les gaz brûlés à l’aide d’un thermocouple Pt-Pt(13%Rh). L’incertitude obtenue est de ± 40 K.

Plus récemment, Biet et al. (2007) ont étudié l’influence des ajouts d’hydrogène et du CO₂ dans des flammes CH₄/air au sein du laboratoire ICARE. Pour cela, ils ont mesuré les profils de 4 hydrocarbures (CH₄, C₂H₂, C₂H₄ et C₂H₆), 2 hydrocarbures oxygénés (CH₃CHO, CH2O), 6 espèces stables (H2, CO, O2, CO2 et H2O) et un radical (OH). Les prélèvements des échantillons gazeux ont été réalisés à l’aide d’une microsonde en quartz (diamètre de la sonde : 5 mm, diamètre de l’orifice : 0,1 mm). Les espèces H₂O et CH₂O ont été mesurées par IRTF. Les hydrocarbures et les gaz stables ont été mesurés par CPG à l’aide d’un détecteur à ionisation de flamme et d’un détecteur à conductivité thermique (en anglais : Thermal

Fluorescence Induite par Laser et calibré en concentration absolue par absorption simple passage. L’incertitude est de ± 5% sur la concentration des espèces stables et des hydrocarbures, ± 10% sur la concentration de H2O, ± 20% sur la concentration de CH2O et CH₃CHO et de ± 28% sur la concentration du radical OH. Les profils de température des flammes ont été mesurés avec la méthode des débits soniques et les profils sont calibrés en mesurant la température dans les gaz brûlés à l’aide d’un thermocouple Pt-Pt(10%Rh). La résolution spatiale de l’ensemble des mesures est de 100 µm.

Ces travaux ont ensuite été complétés par l’étude de l’influence des ajouts de CO₂ et de H₂O dans des flammes CH₄/air [Matynia et al. (2009)]. Dans le cadre de ces travaux, l’analyse de la structure des flammes CH₄/air, CH₄/CO₂/air et CH₄/H₂O/air a été réalisée en milieux pauvres et riches (Φ=0,7 et Φ=1,4 respectivement). Les techniques expérimentales employées et les incertitudes mesurées au cours de cette étude sont identiques aux travaux de Biet et al. (2007).

En 2008, S. de Ferrières (2008) a étudié la structure de flammes de gaz naturel (mélanges CH4/C2H6/C3H8 (89/9/2)) /O2/N2 et l’influence d’ajout d’hydrogène à basse pression (8000 Pa) et à pression atmosphérique pour des richesses comprises entre 0,6 et 1,35.

A pression atmosphérique, les prélèvements ont été réalisés au moyen d’une microsonde en quartz (diamètre de la sonde : 3,2 mm, diamètre de l’orifice : 0,126 mm) et les gaz ont été analysés par CPG au moyen de détecteurs TCD (cas des espèces O2, N2, CO et H2) ou par spectrométrie de masse et par FID (cas des hydrocarbures de C1 à C4 : CH4, C2H6, C2H4, C2H2, C3H8, C3H6, C3H4, n- et iso-butane (C4H10), trans-but-2-ène, cis-but-2-ène, 1-butène et isobutène (C4H8), buta-1,3-diène et but-1-yne (C4H6)). Les incertitudes sont estimées entre 5 et 10% pour les espèces majoritaires telles que CH4, C2H6, O2 et N2 et entre 10 et 15% pour les espèces intermédiaires hydrocarbonées en C2, C3 et C4. La température au sein des flammes à pression atmosphérique est mesurée au moyen d’un thermocouple Pt(30%Rh)-Pt(6%Rh). L’incertitude est de ± 5% (soit ± 100 K au niveau des gaz brûlés).