6.5.1 Etalonnage à vide
La mesure de la puissance reçu par la sonde dans la hauteur du lit est d’abord mesurée à vide, c’est à dire en l’absence de particules. Pour un rayon parfaitement collimaté, on pourrait s’attendre à une puissance reçue constante en tous points de l’axe du lit. Dans la réalité, on obtient un puissance décroissante au fur et à mesure que l’on s’écarte de la source. La courbe d’étalonnage (cf fig. 6.8) présente deux des tests les plus défavorables pour lesquels la puissance
en haut et en bas du lit sont les plus différents. Ce biais est probablement dû aux erreur d’alignement du dispositif et au fait que la diode n’est pas parfaitement collimatée. Il convient donc pour la suite de prendre soin à bien aligner et régler le dispositif optique avant chaque expérience, et de tenir compte de cette décroissance de la puissance avec la hauteur. Un bon alignement permet d’obtenir une puissance quasiment constante sur toute la hauteur du lit, la correction devient alors minime. L’écart type des valeurs est très réduit par rapport à celui obtenu sur le dispositif V1 non amélioré.
Figure 6.8 – Flux laser reçu sur la sonde dans le récepteur à vide
6.5.2 Protocole expérimental et erreurs de mesure
Afin d’obtenir les mesures les plus propres possible, certaines règles ont été établies par expérience :
– Pour vérifier que la perte de particules reste faible et n’influence pas les mesures dans le temps, la quantité de particules est pesée avant et après chaque essai ;
– Avant chaque mesure à un débit d’air donné, il faut attendre que le débit d’air contrôlé soit stable (environ une minute) et que le régime stationnaire du lit soit atteint (une dizaine de secondes) ;
En respectant les conditions ci-dessus, la figure 6.9 présente un échantillon de données brutes de perte de charge comme celles qui sont ensuite traitées et analysées dans cette thèse.
L’échantillonage des pressions se fait à une fréquence de 10 Hz, la différence de pression entre deux points est ensuite moyennée sur un temps d’intégration de plus d’une minute. A partir de cette moyenne, on en déduit la fraction volumique de particules dans la tranche de lit fluidisé concernée.
Concernant la mesure de l’extinction de la puissance radiative, le lit fluidisé est sondé de bas en haut, afin de ne pas endommager le guide de la fibre optique. La sonde est fixée à
Figure 6.9 – Perte de charge sur le premier segment du récepteur, exemple de données brutes
une hauteur donnée ; une fois la mesure faite, elle est déplacée manuellement vers le nouveau point de mesure. Avant et après chaque mesure de la puissance transmise à un débit d’air et une hauteur donnés, une mesure à vide est réalisée afin de quantifier le flux maximal pouvant atteindre la sonde, valeur qui sert ensuite de référence. Le flux transmis est relevé tous les centimètres sur l’axe médian vertical du lit fluidisé.
A titre d’exemple, la figure 6.10 présente un échantillon de données brutes représentant la puissance lumineuse captée en un point quelconque du récepteur.
L’acquisition est faite à une fréquence de 1 MHz. La valeur finale exploitée est la moyenne de ce signal sur une minute. L’étude de ce signal est présentée au chapitre 7.
Malgré un protocole expérimental adapté, les erreurs de mesures ne sont jamais nulles et il convient donc de les déterminer. Pour prendre en compte la totalité des causes possibles d’erreur, celle-ci est évaluée par un traitement statistique et quantifiée par l’écart type. Les erreurs utilisées par la suite sont définies comme égales à deux fois l’écart type, afin de contenir 95% des valeurs. L’écart type est à chaque fois évalué sur vingt réalisations de la mesure. Entre chaque réalisation, la sonde optique est repositionnée, le débit d’air coupé puis rallumé.
Concernant la mesure de la perte de charge, l’écart type est calculé entre différentes paires de prises de pression distinctes pour 3 couples hauteur de lit fixe/nombre de fluidisation re- présentatifs. D’après cette étude, l’erreur relative pour la fraction volumique de particules est compris entre +/- 2% et +/-3% de la valeur. L’erreur relative a tendance à augmenter plus l’éloignement entre les prises de pression est faible. Cette erreur provient du manomètre, des variations du débit d’air et du temps d’intégration de la moyenne.
Pour la mesure du flux transmis sur la hauteur du lit fluidisé, l’écart type est calculé pour trois hauteurs de sonde et trois couples hauteur de lit fixe/nombre de fluidisation. D’après les
Figure 6.10 – Transmission d’une puissance laser en un point de la hauteur du récepteur, exemple de données brutes
mesures, l’écart type sur le pourcentage de flux transmis varie entre 0 et 1,14. Cet écart type dépend des paramètres expérimentaux mais aussi et surtout de la position de la sonde optique dans le lit. En effet, l’écart type est maximal dans le milieu de la zone d’extinction du flux et tend vers 0 pour les transmissions très fortes et très faibles. Pour simplifier la représentation de l’erreur sur les courbes, celle-ci est considérée constante sur la hauteur du lit. L’erreur absolue est donc fixée en rapport à sa valeur la plus forte mesurée, c’est à dire +/- 2,3% (sur le flux transmis en %). Dans ce cas, la précision de la photo diode n’est pas déterminante. L’erreur globale provient plutôt de l’alignement du système optique (le jeu sur la tige), des variations du débit et probablement du temps d’intégration de la moyenne.
6.5.3 Paramètres expérimentaux étudiés
Les particules utilisées dans ces test sont des particules de carbure de silicium de 370 µm de diamètre moyen pour une distribution granulométrique de 0,7 de span. Leur masse volumique est de 3200 kg.m−3. Faute de temps, les autres granulométries disponibles de particules (730 et 130 µm) n’ont pas pu être traitées dans cette thèse. Elle le seront par contre dans un stage réalisé au laboratoire par un élève de l’école des Mines d’Albi.
La hauteur du lit fixe initial de particules, indicateur de la masse de particules introduite dans le récepteur, a été fixée à 12, 16 et 20cm suivant les essais. Cette fourchette de hauteur semble représentative des différents chargement acceptables pour ce lit fluidisé, c’est à dire maintenant le ciel du lit fluidisé dans la zone du changement de section.
suivant les essais. Cet échantillon ne représente que le début de la plage de vitesse permettant une fluidisation bouillonnante qui s’échelonne jusqu’à un nombre de fluidisation de l’ordre 8,5. Les vitesses les plus importantes n’ont pas pu être étudiées à causes de limitations techniques du dispositif. Lorsque la vitesse de l’air devient trop importante dans la colonne, un grand nombre de particules sont projetées vers le haut à une vitesse pouvant atteindre 10 fois la vitesse de fluidisation [63]. Cette vitesse est telle que le changement de section ne permet pas de protéger le hublot. La longueur de la zone élargie n’est pas assez important pour faire baisser l’énergie cinétique des particules de gros diamètre projetées vers le haut. Dans le dispositif expérimen- tal, ces particules sortent donc du récepteur. Dans un récepteur industriel, elles viendraient impacter le hublot et retomber dans le lit. Lors de sa conception, le dispositif expérimental a été dimensionné pour explorer des régimes de fluidisations ne projetant pas ou très peu de particules au niveau du hublot. Aucun système de récupération de particules tel un cyclone n’est installé, il faut donc se limiter aux petits nombres de fluidisation.
Pour explorer des valeurs supérieures du nombre de fluidisation, il faudrait modifier le prototype et accepter l’impact de nombreuses particules sur le hublot. Ceci implique pour une application industrielle de trouver un moyen de protéger le hublot des particules (par une couche d’air à grande vitesse ?) ou de démontrer que ces impacts n’ont pas d’incidence sur le fonctionnement à long terme du récepteur. Au niveau du montage expérimental, il faudrait modifier le distributeur pour permettre à de plus grand débits d’air de passer, modifier la position de l’échappement (de vertical à horizontal) et le coupler à un système de récupération de particules type cyclone.
Le tableau 6.2 présente l’ensemble des paramètres explorés. Un des essais, semblé hors contexte par rapport aux autres (hauteur de lit fixe de 19 cm et N de 3,4) a été ajouté pour valider une simulation numérique déjà réalisée qui a demandé plusieurs jours de calcul.
Table 6.2 – Paramètres expérimentaux étudiés
Taille de Hauteur du Masse de Débit d’air Vitesse de Nombre de
particules lit fixe particules (m3.h−1) fluidisation l’air
(µm) (cm) (kg) (m.s) 370 12 0,915 5,67 0,409 3 370 12 0,915 7,56 0,546 4 370 16 1,1 3,78 0,273 2 370 16 1,1 5,67 0,409 3 370 19 1,24 6,4 0,4620 3,4 370 20 1,275 3,78 0,273 2 370 20 1,275 4,73 0,18 2,5