Transfert de chaleur à travers les parois d’un microréacteur

Les problèmes rencontrés dans les microréacteurs sont : l’extinction locale de la flamme, le soufflement, l’éruption et l’auto maintien de la flamme. Ils sont en grande partie attribués aux pertes de chaleur à travers les parois et à l’interaction parois flamme. Dans le cadre de la micro combustion, les échanges de chaleur autour de la paroi de la chambre de combustion jouent un rôle crucial. La combustion se déroule dans une fente étroite et la flamme fait quasiment corps avec les parois internes du réacteur. Le transfert thermique est donc prépondérant, par conduction, convection et par rayonnement. En outre, il se pose un

problème spécifique de résistance de matériaux étant donné les températures élevées de fonctionnement et la localisation de la flamme qui crée des spots (point de chaud localisé). Les microréacteurs sont pour la plupart de forme cylindrique, rectangulaire et même multiforme, selon le type de flamme produite, les dimensions critiques qu’on veut atteindre et même le type de combustible. Les parois sont constituées de matériaux tels que la céramique d’aluminium [9], l’alumine polycrystalline [27], l’alumine [28-30], les tubes de quartz [31], des tubes en acier inoxydable [32].

En 2008, Li, J. et B. Zhong présentent une étude expérimentale pour évaluer la perte de chaleur à travers divers micros tubes de même diamètre (3 mm) pour une combustion du méthane/oxygène, les données sont comparées entre celles du tube en acier inoxydable et en céramique [32]. Les pertes de chaleur de la micro chambre de combustion dont le tube est en acier inoxydable sont de 22% de la chaleur totale produite. Puisque l'émissivité de paroi du tube en acier inoxydable est plus grande que celle du tube en céramique, la perte de chaleur par rayonnement était plus grande et estimée à 70% de la perte totale de chaleur. En outre, étant donné que la conductivité thermique de la céramique est inférieure à celle de l'acier inoxydable, un gradient de température le long de l’axe est plus grand que celle du tube en acier inoxydable, ce qui est désavantageux pour le transfert de chaleur et la stabilisation de la flamme le long de l’axe.

En 2011, Jejurkar, S. et D. Mishra proposent un article sur les effets de la géométrie d’une chambre cylindrique de combustion d’une flamme pré mélangée d’hydrogène/air [33], ils préconisent que la conception géométrique des micros chambres de combustion doit permettre d’équilibrer convenablement les deux processus compétitifs dans un micro

réacteur pour une performance optimale à savoir pertes de chaleur à travers les parois et chaleur dégagée par l’écoulement réactif.

En 2008, Spadaccini, C. M. et I. A. Waitz [34] classifient les micros chambres de combustion en deux catégories :

- Chambres de combustion homogène en phase gazeuse - Chambre de combustion catalytique

Les micros chambres de combustion en phase gazeuse sont limitées par des contraintes de temps de résidence qui peuvent être quantifiées en termes de nombre de Damkohler. La performance des micros chambres catalytiques est limitée par la diffusion des espèces de combustible à la surface active tel que décrit par le nombre de Péclet, les deux types de systèmes sont vulnérables aux pertes thermiques.

En 2009, Jejurkar, S. Y. et D. P. Mishra [4] proposent un tableau comparatif des chambres de combustion homogène et hétérogène.

Tableau 2.2 Comparaison de la micro combustion homogène et hétérogène[4]

Paramètres Micro-combustion

Catalytique Homogène

Surface spécifique (m2/m2) Très élevée(1500) Moins élevée Température d’opération Faible (773 K) Élevée (1473K) Flammabilité Limites larges Limites restreintes

Mise en route Facile Difficile

En 2009, Lee, I. et A. R. L. A. MD font une étude sur les différents systèmes de combustion utilisés dans les MEMS[35], la micro combustion diffère de la méso combustion ou de celle à grande échelle (macro combustion), en général. Comme les dimensions de la chambre de combustion baissent, le ratio surface sur volume (S/V) augmente. Les effets de surface (phénomènes interfaciaux) et l'échelle de temps deviennent plus importants. La recirculation de la chaleur, la combustion dans les milieux poreux et la combustion catalytique sont utilisées pour réaliser la micro combustion. Les dispositifs de micro combustion peuvent être intégrés aux systèmes thermoélectriques, thermo photovoltaïques et piézoélectriques pour les applications de puissance et de production d'énergie.

2.4.1 La combustion homogène en phase gazeuse

La combustion homogène en phase gazeuse se fait à partir d’un mélange de combustible et de comburant dans des conditions de proportion et de vitesses pouvant générer une flamme auto entretenue. Le problème principal de la micro combustion homogène à ses débuts était celui de la présence des radicaux libres issus de la matière des parois qui provoquaient l’extinction de la flamme[36, 37]. En 2003, Jensen, C., R. Masel, et al. affirmaient que la clé de la réalisation d’une micro flamme homogène résidait dans la maîtrise de la composition physico chimique des parois du micro réacteur et celle des pertes de chaleur à travers les parois. Ces problèmes ont emmené les chercheurs à proposer des traitements des parois ou même des compositions chimiques des matériaux pouvant annuler le problème d’extinction de la flamme dû aux radicaux libres[1, 38], actuellement ce problème est totalement résolu et de nouveaux matériaux qui ont vu le jour permettent la

combustion dans un espace de confinement sans qu’on ne soit obligé de procéder à un traitement de surface préalable.

2.4.2 La combustion catalytique (hétérogène)

La combustion catalytique est une combustion en présence d’un catalyseur déposé sur les parois de la micro chambre de combustion ou tout simplement participant au mélange des réactifs; le catalyseur peut être par exemple le platine ou dans une certaine mesure un autre combustible dont le rôle est juste d’activer la combustion. En 2010, Seshadri, V. et N. S. Kaisare proposent des stratégies pour des mélanges de réactifs dans des micros brûleurs catalytiques[39]. Ils font une étude numérique de l’ignition des mélanges méthane/air et propane/air dans des micros brûleurs plan avec le platine comme catalyseur et vont montrer qu’ajouter une petite quantité de propane pour la combustion du méthane/air réduit la température d’ignition. La même année, ils proposent une étude similaire en utilisant le propane pour une ignition facile du mélange hydrogène/air[40]. La température d’ignition des réactifs est plus faible et les températures générées sont moins élevées que celles de la combustion homogène, aussi peut-elle se dérouler sans flamme. En 2009, Federici, J. A., E. D. Wetzel, et al. font une étude de la stabilité des micros brûleurs catalytiques simples et à recirculation de chaleur, ils constatent que pour des micros chambres de combustion dont les parois ont une conductivité thermique élevée, la stabilité de la combustion est similaire; en revanche lorsque la conductivité thermique des parois est faible et les micros brûleurs catalytiques à recirculation de chaleur ont une meilleure stabilité[41, 42]. La micro combustion catalytique est appliquée dans plusieurs cas de figure, mais surtout lorsque les températures de fonctionnement recherchées sont moins élevées ou avoisinant 1000K[43].

2.4.3 La micro combustion en milieux poreux

La combustion en milieux poreux a lieu dans une matrice solide poreuse où on exploite les cavités du milieu pour améliorer la stabilité de la combustion. Dans ce cas de figure, elle peut être homogène ou hétérogène. Les trois modes de transfert de chaleur sont activés, la conduction, la convection et le rayonnement, ce qui améliore le préchauffage du mélange des réactifs non brûlés par les gaz chauds. Le principe de la combustion en milieu poreux s’appuie sur le concept d’excès d’enthalpie [2].