Problèmes généraux de la micro combustion

En 2002, Vican, J. et al. publient un article intitulé « Development of a microreactor as a thermal source for microelectromechanical systems power generation »[9] dans lequel il propose un micro réacteur en céramique d’aluminium de dimensions 12,5 mm x12,5 mm x 5 mm en utilisant un procédé de stéréolithographie. Le micro réacteur est formé des canaux doublés en forme de spirale afin de faciliter les échanges de chaleur élevés entre d’une part les réactifs et les produits de combustion et d’autre part l’écoulement de chaleur à travers le corps du réacteur. L’auto maintien de la combustion du mélange air/hydrogène a été prouvé au travers d’un large éventail de mélanges fuel/air de ratios équivalents compris entre 0,2 et 1 avec des puissances énergétiques développées comprises entre 2 et 16 W. Le dépôt de platine sur les parois du micro réacteur a permis l’ignition à ou proche de la température ambiante. L’auto maintien des opérations s’est fait à une température avoisinante 1700 °K et est stabilisé par une combinaison de phénomènes de réactions de surface et de phase gazeuse. La dégradation catalytique a été observée pour des

températures opératives très élevées ce qui entraîne la perte des capacités de ré ignition. En 2003, Cadou, C., T. Leach, et al. proposent une étude de la micro combustion pour les systèmes de propulsion de nano et pico satellites[10], il y ressort que le rendement des chambres de combustion à l’échelle millimétrique destinées à la propulsion des micro, nano et pico satellites est fortement influencé par l’échange de chaleur à l’intérieur de la structure de la micro chambre de combustion. Ils établissent que cet échange de chaleur peut augmenter la vitesse de combustion et l’épaisseur de la zone de réaction. La même année, Norton, D.G. et Vlachos, D.G. [11] publient les caractéristiques de la combustion et de la stabilité de la flamme à la micro échelle à travers une étude CFD (Computational Fluids Dynamics) des pré mélanges méthane /air. Un modèle CFD à deux dimensions elliptiques du micro brûleur est résolu afin d’étudier les effets sur la stabilité de la flamme des dimensions de la micro chambre de combustion, la conductivité, l’épaisseur des matériaux des parois, les pertes de chaleur externes. Ils constatent que la conductivité et l’épaisseur des parois sont très importantes, car elles déterminent le transfert de chaleur en amont, ce qui est nécessaire à l’allumage et à la stabilité de la flamme, de même ils démontrent qu’il existe une gamme étroite de vitesses d’écoulement qui permet la combustion soutenue dans un micro brûleur. D’importants gradients transversal et axial sont observés même à ces petites échelles, sous certaines conditions ainsi que des oscillations périodiques proches de l’extinction en cas de pertes de chaleur importantes à travers les parois. La même année Yang, W.M. et al. [11] mènent des recherches sur la micro combustion pour l’alimentation des micros systèmes thermo photovoltaïques. Dans l’étude expérimentale qu’ils proposent, la structure du micro système cubique d’un volume de 1 cm3, il est alimenté par de l’hydrogène et développe une puissance électrique

comprise entre 3 et 10 W. Une distribution de température élevée et uniforme le long de la paroi du micro réacteur pour avoir à la sortie une puissance électrique est préconisée. Cependant, le maintien de la combustion dans les dimensions du réacteur est fortement affecté par l’augmentation des pertes de chaleur dues à l’importance du ratio surface volume qui tend à atténuer l’ignition et à éteindre la réaction. Il ressort de leur expérience et des simulations faites qu’une température élevée et uniforme peut être obtenue le long des parois [11].

En 2004, A.H, Epstein fait l’état de l’art sur le développement technologique et commercial des micro-turbines, des MEMS dans leur globalité, il fait le constat selon lequel le rendement espéré des micros moteurs est sur un même pied d’égalité que celui des turbines à gaz des années 1940 [12]. Les systèmes thermodynamiques des micros turbines à gaz sont les mêmes que ceux des macros turbines, mais les mécanismes différent en raison des considérations d’échelle et des contraintes de fabrication. Dans la même année, Miesse, C.M. et al. publient un article fort intéressant sur la combustion à l’échelle sous millimétrique[13]; ils établissent que la micro combustion est possible si la composition de la paroi et sa structure sont soigneusement contrôlées, ils suggèrent pour cela trois solutions :

1- Les parois doivent être fabriquées à partir de matériaux qui ne détruisent pas des radicaux libres, de sorte que les réactions de combustion en phase gazeuse peuvent se produire sans entrave [13].

2- Le dispositif doit être assez bien isolé afin que la production de chaleur nette soit suffisante pour maintenir les réactifs chauds et avoir une combustion importante. 3- Afin d’éviter la perforation des parois du micro réacteur, la température de la flamme

doit être suffisamment faible par rapport à la température critique que peut supporter le matériau des parois du réacteur.

En 2004 dans une étude similaire à celle qu’ils ont produite en 2003, Norton, D.G. et Vlachos, D.G. font une étude CFD de la stabilité de la micro flamme du mélange propane/Air [14] et arrivent quasiment aux mêmes conclusions élaborées précédemment, c'est-à-dire que de gradients de température importants sont observés malgré les petites échelles de dimensions, la conductivité thermique des parois est essentielle pour la stabilité de la flamme du micro système, une gamme de vitesse permet de stabiliser la combustion dans les micros chambres. De même Norton, D.G. et Vlachos, D.G. démontrent que les dimensions du micro brûleur affectent fortement la stabilité thermique, ce que constate aussi en 2006 Leach, T.T.[15].

En 2005, Lee, P.S. et al. font une étude sur le transfert de chaleur dans des micro- canaux rectangulaires; selon les investigations expérimentales réalisées, une approche de l’analyse conventionnelle peut être utilisée pour prédire le comportement de transfert de chaleur dans ce type de dispositifs[16].