Étude des effets de l'assistance électrique à la
combustion sur ses émissions gazeuses
Mémoire
Yaël Bourgeois
Maîtrise en génie mécanique - avec mémoire
Maître ès sciences (M. Sc.)
Étude des effets de l’assistance électrique à la
combustion sur ses émissions gazeuses
Mémoire de Maitrise en Génie Mécanique (M. Sc.)
Yaël Bourgeois
Sous la direction de :
Résumé
Ce mémoire de maitrise de recherche en génie mécanique relate les essais menés au laboratoire de combustion de l’Université Laval entre mai 2016 et septembre 2018 sur l’assistance électrique à la combustion du point de vue des émissions gazeuses.
La combustion a été effectuée avec deux types de combustible : du propane gazeux et de la biomasse solide. Pour l’étude sur le propane, deux brûleurs ont été utilisés. Le premier est un brûleur simple générant une flamme de diffusion d’entraînement laminaire où seul le débit de propane est contrôlé. Le deuxième est un brûleur annulaire « coflow » où le débit d’air circulant dans l’anneau extérieur et le débit de propane dans le cylindre intérieur peuvent tous les deux être réglés séparément. Dans le cas de la combustion de biomasse, un appareil de chauffage a été fourni par le partenaire industriel du projet.
L’assistance électrique a été implémentée de deux façons différentes :
• A travers un champ électrique généré par l’application d’une différence de potentiel entre plusieurs jeux d’électrodes aux formes variées. Cette différence de potentiel est établie entre deux bornes avec une amplitude allant de 5 kV à 20 kV et un courant alternatif sinusoïdale allant de10 kHz à 20 kHz. • En faisant circuler l’air d’alimentation de certaines zones de combustion dans un générateur de
décharge à barrière diélectrique (DBD) cylindrique d’une puissance maximale de 150 W à une fréquence de 8.2 kHz.
Pour l’échantillonnage des émissions, une suite de trois appareils de mesure a été utilisée à des fins d’analyse des gaz d’échappement. Un spectromètre Infrarouge, couplé à un détecteur d’ionisation de flamme et un détecteur d’oxygène, permet d’obtenir de manière relativement précise des informations sur les principales molécules gazeuses que composent les gaz d’échappement émanant de nos différents brûleurs avec ou sans activation de l’assistance électrique. Les protocoles d’essais sont réalisés surmesure pour chaque brûleur et type d’assistance électrique étudiée, afin de s’adapter aisément aux contraintes techniques propres à chacun. Une attention particulière a été portée aux émissions de monoxyde de carbone (CO), d’oxydes d’azote (NOx) et
autres polluants atmosphériques ou gaz nocifs pour l’être humain dans nos essais, à une époque où les considérations environnementales sont au cœur de nombreux projets.
Au travers des deux types d’assistance électrique et des différents brûleurs, les émissions de CO ont systématiquement été réduites lors de son activation, indépendamment de la fréquence de la décharge
électrique responsable. Jusqu’à 70% de réduction fut observé sur les essais au propane, et jusqu’à 30% sur les essais concernant la biomasse.
En outre, sur les essais au propane, une explication a été avancée pour faire la lumière sur le phénomène. Il semblerait que l’énergie apporté par le champ électrique soit utilisée en partie pour franchir la barrière d’énergie d’activation de certaines réactions limitantes de combustion, entrainant la diminution du CO dans les gaz résiduels observée. On a pu mettre en évidence que ce CO a été transformé en CO2 et que, le cas échéant, la
modification de l’équilibre de réaction a permis d’augmenter l’efficacité de la combustion en réduisant la concentration en composés organiques volatiles (y compris le propane imbrûlé) dans les gaz d’échappement et en y augmentant la teneur en vapeur d’eau : l’autre principal produit de la combustion avec le CO2. Les
émissions de NOx sont également réduites par l’activation du champ électrique sur la combustion de propane.
Par ailleurs, un découplage des émissions CO/NOx semble avoir été mis en évidence dans l’un de nos scénarios
d’essais, offrant une approche prometteuse pour des applications industrielles où les compromis entre CO et NOx sont très présents et contraignants.
La structure du front de flamme a également montré être sensible aux variations de l’assistance électrique, particulièrement dans le cas des champs électriques. Le front de flamme est affecté par les directions principales des lignes de courant. Cet effet s’apparente beaucoup au « vent ionique » traditionnel; nos essais ont montré que la plage de fréquences originelles de ce mécanisme (<100 Hz) peut être élargie à des fréquences bien supérieures (de l’ordre de la dizaine de kilohertz). Un mécanisme a été proposé pour expliquer cet effet dans nos essais en se basant sur l’utilisation d’une partie de l’énergie apportée par le champ électrique pour entrainer les ions de la flamme dans la direction du gradient croissant d’intensité de la différence de potentiel électrique aux bornes des électrodes, et ce, même en présence d’un champ oscillant.
Abstract
This Master’s degree thesis reports the tests that were conducted at Laval University combustion laboratory between May 2016 and September 2018 on electrically assisted combustion from gas emissions standpoint. Combustion was performed with two types of fuel: gas propane and solid biomass. For the study related to propane, two burners were used. The first is a simple burner producing a laminar entrained diffusion flame for which only the propane flowrate is controlled. The second one is an annular coflow burner where the airflow in the outer cylinder and the propane flow in the inner one can both be controlled separately. For the part on biomass combustion, a home-heating appliance was provided by the industrial partner for this project.
The electrical enhancement of the flame was implemented in two different ways:
- Through an electric field generated by an electric potential difference applied between pairs of electrodes of various geometries. The sine wave function electric potential difference is set between a pair of electrodes with an amplitude ranging from 5 kV to 20 kV and 10 kHz to 20 kHz: and
- By circulating the combustion air of the heating appliance through a 150 W - 8.2 kHz dielectric barrier discharge generator prior to its injection in the stove.
For gas sampling purposes, three in-line analysers were used to monitor flue gas. An InfraRed spectrometer coupled to a flame ionisation detector and an oximeter allows the obtention of relatively precise information on the major gas molecules emitted during combustion and their evolutions with and without electrical enhancement. The test protocols were tailored for each experiment in order to adapt to the technical challenges raised by each.
Focus was brought to carbon monoxide (CO), nitrogen oxides (NOx) and other major atmospheric pollutants or
harmful gas to humans in our tests, in a time where environmental considerations are at the heart of many projects.
For both types of electrical assistance and the various burners, CO emissions were systematically reduced when activated, regardless of the discharge frequency. Up to 70% reductions were registered on propane tests, and up to 30% reduction on biomass tests.
Additionally, for the tests on propane, an explanation was provided to shine some light on the phenomenon. It seems that the energy supplied by the electric field is used in parts to overcome the activation energy barrier for
some limiting reactions in the combustion mechanism, leading to a diminution of CO in the exhaust gas. Measurements provided evidence that this CO was transformed into CO2, and that, when relevant, the
modification of this chemical equilibrium lead to a diminution in organic compounds (including unburned propane) and an elevation in the water vapor concentration (the other main product of combustion reactions) in the exhaust gas. NOx emissions were also reduced by the activation of the electric field on propane combustion.
Moreover, a decoupling of CO/NOx emissions seemed to be identified in one of the cases studied: hinting a
promising approach for industrial applications where CO and NOx emissions trade-offs are numerous and
constraining.
The flame front structure also showed signs of being sensitive to the variations of the electric assistance, particularly in the case of applied electric fields. The flame front is shifted in the dominant direction of the electric current streamlines. This effect is very similar to the traditional understanding of the “ionic wind”; our study has shown that the common frequency range of this effect (<100 Hz) can be widened to higher frequencies (few kHz). A mechanism was proposed to explain this phenomenon in our tests, based on using parts of the energy provided by the electric field to transfer momentum to the ions in the flame in the direction of the increasing electric potential difference gradient, even with an oscillating field.
Table des matières
Résumé ... ii
Abstract ... iv
Table des matières ... vi
Liste des figures, tableaux, illustrations ... viii
Figures ... viii
Tableaux ... x
Liste des abréviations, sigles, acronymes ... xi
Acronymes ... xi
Lettres Latines ... xii
Lettres grecques ... xiv
Remerciements ... xvi
Avant-propos ... xvii
Introduction ... 1
0.1 Cadre de l’étude ... 1
0.1.1 Historique ... 1
0.1.2 Organisation des travaux menés ... 2
0.2 Revue de littérature ... 3
0.2.1 L’origine de l’affinité ... 3
0.2.2 Mise en lumière du vent ionique ... 4
0.2.3 Autre couplage Combustion/EHD ... 5
0.3 Méthodologie ... 6
0.3.1 Débitmètre à effet Coriolis ... 7
0.3.2 Débitmètre basé sur un compteur d’essai de type humide ... 7
0.3.3 Analyseur de gaz ... 8
0.3.4 Génération et contrôle du champ électrique ... 11
Chapitre 1 : Assistance à la combustion de propane en régime laminaire par champ électrique alternatif ... 12
1.1 Résumé ... 12
1.2 Abstract ... 12
1.3 Corps de l’article ... 13
1.3.1 INTRODUCTION ... 13
1.3.3 RESULTS AND DISCUSSION ... 18
1.3.4 CONCLUSION AND PROSPECTS ... 27
1.3.5 REFERENCES ... 28
1.3.6 FIGURES ... 30
Chapitre 2 : Assistance électrique à la combustion de flamme de propane coflow ... 33
2.1 Résumé ... 33
2.2 Abstract ... 33
2.3 Corps de l’article ... 34
2.3.1 INTRODUCTION ... 34
2.3.2 RESULTS AND DISCUSSION ... 36
2.3.3 CONCLUSION AND PROSPECTS ... 40
2.3.4 REFERENCES ... 41
2.3.5 TABLES ... 43
2.3.6 FIGURES ... 44
Chapitre 3 : Essais particuliers et ouverture sur la combustion de biomasse ... 48
3.1 Essais particuliers sur le propane ... 48
3.1.1 Réflexion sur la géométrie et position des électrodes ... 48
3.2 Ouverture sur la combustion de biomasse ... 49
3.1.2 Résultats et discussion des essais particuliers ... 50
3.2 Incidence sur la combustion de biomasse ... 51
3.2.1 Changements sur le couplage Combustion/EHD ... 51
3.2.2 Réalisation des brûlées de biomasse ... 54
3.2.3 Résultats de la campagne de brûlée avec/sans air ionisé au secondaire ... 55
Conclusions ... 59
Bibliographie ... 61
Annexe A : Données de calibration du débitmètre Coriolis CMFS010M ... 62
Liste des figures, tableaux, illustrations
Figures
Figure 0.1 : Schéma du montage de l’actuateur à plasma DBD
Figure 0.2 : Moyenne des forces, des phases, des angles et de la puissance mesurée Figure 0.3 : Schéma du capteur d’oxygène
Figure 0.4 : Diagramme électrique du dispositif de génération et de contrôle du champ électrique Figure 1.1: Experiment A burner schematic
Figure 1.2: Experiment A 15-kV flame front under different conditions: a. No Field, b. 10 kHz, c. 15 kHz, d. 20 kHz, e. Snapshot of the electric field streamlines
Figure 1.3: Carbon monoxide concentration minima reached in Experiment A when electric field is activated (dark grey) vs averaged emissions for the same period with no electric field (light grey). a. Amplitude is set to 5kV – b. Amplitude is set to 10 kV – c. Amplitude is set to 15 kV – d. Amplitude is set to 20 kV. Error bars represent the standard deviation.
Figure 1.4: Developing degree of ionic wind with time and corresponding AC frequency (Kim et al. [10]). Figure 1.5: Comparing reference flame with no field (left), 5 kV-10 kHz (centre) and 10 kV-10 kHz (right). The dash line represents the equidistant plane from either electrode.
Figure 1.6: Details of the measurements involved in the resultant force calculation: a. No Field – b. 15 kV-20 kHz – c. 15 kV-10 kHz. Dashed line represents the theoretical laminar flow limit upon exiting the burner
Figure 2.1: Electrode configuration for Experiments A and B
Figure 2.2: Experiment A with combustion at different conditions: a. No Field b. 5 kV c. 10 kV d. 15 kV e. 3D streamlines of electric field for the experimental configuration f. Long exposure taken at 20 kV – 20 kHz, where the chromatic and spatial alterations of the flame front are clearly visible, as well as some of the ionised gas discharge (orange-pink lines) as it moved on the right of the flame.
Figure 2.3: Carbon monoxide and unburned Propane concentration minima reached in Experiment A when electric field is activated vs averaged emissions for the same duration with no electric field. a. Amplitude is set to 5kV – b. Amplitude is set to 10 kV – c. Amplitude is set to 15 kV – d. Amplitude is set to 20 kV
Figure 2.4: CO2 and water vapor concentration maxima reached during electric field activation in experiment A vs. averaged emissions during the same period with no stimulation. a. Amplitude is set to 5kV – b. Amplitude is set to 10 kV – c. Amplitude is set to 15 kV – d. Amplitude is set to 20 kV
Figure 2.5: Experiment B with combustion at different conditions: a. No Field b. 20 kV – 20 kHz c. / d. Close-up of long exposures taken at 20 kV - 20 kHz to monitor the flickering of the ionised gases generated by a discharge with attempt to identify specific species with their characteristic emission spectrum.
Figure 2.6: Carbon monoxide and unburned Propane concentration minima reached in Experiment B when electric field is activated vs averaged emissions for the same period with no electric field. a. Amplitude is set to 5kV – b. Amplitude is set to 10 kV – c. Amplitude is set to 15 kV – d. Amplitude is set to 20 kV
Figure 2.7: NOx concentration maxima reached during electric field activation in experiment B vs. averaged emissions during the same period with no stimulation. a. Amplitude is set to 5kV – b. Amplitude is set to 10 kV – c. Amplitude is set to 15 kV – d. Amplitude is set to 20 kV
Figure 3.1 : Photos du brûleur : Cas n°1 (gauche) – Cas n°2 (centre) - Cas n°3 (droite) Figure 3.2 : Résultats des simulations COMSOL : a. Cas n°1 – b. Cas n°2 – c. Cas n°3
Figure 3.3 : Photos du brûleur avec champ électrique activé : Cas n°1 (gauche) – Cas n°2 (centre) - Cas n°3 (droite)
Figure 3.4 : Agrandissement du Cas n°1
Figure 3.5 : Exemple de fluctuations observées pendant l’activation du champ électrique Figure 3.6 : Définition des zones de combustion de biomasse
Tableaux
Table 1.1: Diffusion coefficients of the propane-oxygen mixture calculated for all three methods Table 1.2: Comparison for different OPs of AC electric field with their effects on the flame front Table 2.1: Characteristics for all Experiments
Table 2.2: Single carbon balance in exhaust gas for Experiment B under varying amplitudes and frequencies Tableau 3.1 : Résultats de la campagne d’essais de combustion avec DBD sur l’air du secondaire et comparaison avec le même dispositif sans activation de la décharge. Les résultats des essais sans altération du système d’air du secondaire.
Liste des abréviations, sigles, acronymes
Acronymes
A/F : Air-to-Fuel ratio, rapport air-carburant CA : Courant Alternatif
CC : Courant Continu
CCME : Conseil Canadiens des Ministres de l’Environnement
CEA : Chemical Equilibrium Application, application d’équilibre chimique
CEMS : Continuous Emission Monitoring System, système de suivi en continu des émissions COV : Composés Organiques Volatils
RDDC-V : Recherche et Développement pour la Défense du Canada - Valcartier DBD : Décharge à Barrière Diélectrique
DLE : Dry-Low Emission, faibles émissions sèches EHD : Électro Hydro Dynamique
EPFL : École Polytechnique Fédérale de Lausanne
FID : Flame Ionisation Detector, détecteur d’ionisation de flamme
FTIR : Fourier Transform InfraRed, Transformée de Fourier en Infra Rouge GIEC : Groupe Intergouvernemental d’experts sur l’Évolution du Climat ONU : Organisation des Nations Unies
PMMA : Poly Methyl MethAcrilate, polyméthacrylate de méthyle ppmC : Parties Par Millions en Carbone
Lettres Latines
𝑎 : absorptivité (fonction de la longueur d'onde) 𝐴 : absorbance de l'échantillon
𝑏 : longueur de chemin optique parcouru
𝑐 : concentration de l'échantillon en molécules d'absorptivité à la longueur d'onde balayée 𝐷𝑂/𝑃 : coefficient de diffusion propane-air
𝐸 : champ électrique
𝐸𝐹𝐿𝑜𝑟𝑒𝑛𝑡𝑧 : énergie transmise par la force de Lorentz
𝐹𝐿𝑜𝑟𝑒𝑛𝑡𝑧 : force de Lorentz
𝐼 : intensité de rayonnement à la sortie de l'échantillon 𝐼𝑂 : intensité du rayonnement pénétrant dans l'échantillon 𝑘𝐵 : constante de Boltzmann
𝐿 : longueur caractéristique (ici le diamètre du brûleur) 𝑚 : masse molaire moléculaire
𝑀𝑂 : masse molaire de l'oxygène 𝑀𝑃 : masse molaire du propane 𝑛𝑖 : densité numérique d'ions
𝑛𝑡 : densité numérique totale de particules 𝑃 : pression
𝑃𝐹𝐿𝑜𝑟𝑒𝑛𝑡𝑧 : puissance de la force de Lorentz
𝑅𝑒 : nombre de Reynolds 𝑟𝑗 : diamètre intérieur du brûleur
𝑇 : température ou transmittance 𝑇𝐶 : température critique
𝑡𝐶 : temps caractéristique du vent ionique 𝑡𝑑𝑖𝑓𝑓𝑢𝑠𝑖𝑜𝑛 : temps caractéristique de diffusion
𝑡𝑟𝑒𝑠𝑖𝑑𝑒𝑛𝑐𝑒 : temps caractéristique de résidence
𝑢̅ : vitesse moyenne horizontale des particules dans la flamme 𝑣̅ : vitesse moyenne verticale des particules dans la flamme 𝑉𝐶 : volume critique
𝑧 : nombre de collisions par unité de temps 𝑧𝑓𝑙𝑎𝑚𝑒 : hauteur de la flamme
Lettres grecques
𝛺𝐷 : intégrale adimensionnelle de collision par diffusion 𝜀𝑂 : potentiel de Lennard-Jones de l'oxygène
𝜀𝑃 : potentiel de Lennard-Jones du propane
𝜎 : diamètre de collision (longueur caractéristique de l'espèce ou du mélange considéré, ici propane, air ou propane-air)
“To say that nothing is true, is to realize that
the foundations of society are fragile, and
that we must be the shepherds of our own
civilization. To say that everything is
permitted, is to understand that we are the
architects of our actions, and that we must
live with their consequences, whether
glorious or tragic.” -AC-
Remerciements
Lorsque je me suis embarqué dans ce projet, je n’aurais pu imaginer les rencontres, les joies, les contrariétés et le temps qui allait passer...
Plus de trois ans après, nous voici à son aboutissement, et des remerciements sont de mises.
Tout d’abord, merci à Alain deChamplain, et Smail Kalla, pour m’avoir fait confiance sur ce projet et sur les nombreuses activités qui ont rythmées mes années au laboratoire de combustion, et pour m’avoir permis de m’épanouir dans les domaines qui m’intéressaient.
Merci à Anthony Munoz pour avoir été un ami autant qu’un collègue sur ce projet. Sans son soutien, ses questions toujours pertinentes, et son oreille qui a su m’écouter parler de combustion, de plasma, de vent ionique sans sourciller, dur à dire ce qu’il serait advenu de moi et de ma santé d’esprit. Pour ces bières au comptoir du Fou Aeliés, ces discussions de travail où Scott n’était jamais loin, ces moments passer à attendre une dépanneuse un dimanche matin et j’en passe, merci.
Merci à Maxime Coulaud pour sa disponibilité malgré ses propres échéances, ses conseils et son expérience précieuse pour mener un tel projet à terme. Vraiment.
Merci à mes amis restés en France et qui ont parfois traversé la rivière pour passer quelques instants avec moi, ou parfois seulement sur Discord ou Skype, ces moments passés avec vous m’ont aidé à venir à bout de tous les obstacles.
Merci à toutes les personnes que j’ai rencontré ici, et qui m’ont permis de grandir durant ces années au Québec et de découvrir pleins de gens formidables, Rose, Marie, Juliette, leurs parents et Daniel, la bande de p’tits vieux au gratin (Debby, Edith, Vlad et Phil, c’est vous ça), ma gang du volley trop nombreux pour tous les mentionner ici, et toutes celles et ceux que j’oublie sûrement dans ces quelques lignes, trop courtes pour vous faire tous justice.
Merci enfin à ma famille, mes frères, mes parents, mes premiers supporters et mes meilleurs critiques, sans vous cette aventure ne serait probablement jamais arrivée en premier lieu.
Avant-propos
Ceci est un mémoire de maitrise par insertion d’articles. Les deux articles de publications intégrés aux chapitres 1 et 2 ont été entièrement rédigés par l’étudiant Yaël Bourgeois, auteur de ce mémoire. Les coauteurs au titre de leur contribution en ce qui concerne les révisions critiques et de leur participation plus ou moins prononcée aux essais expérimentaux et à l’analyse des données de ces publications sont Anthony Munoz (Meng), professionnel de recherche au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval, Smail Kalla (PhD), professionnel de recherche au laboratoire de combustion de l’Université Laval, et Alain de Champlain (PhD), directeur de recherche du laboratoire de combustion de l’Université Laval.
La publication figurant au chapitre 1 de ce mémoire a été soumise le 3 décembre 2019 à la revue « Combustion and Flame », et est toujours en cours de revue depuis le 7 décembre 2019. La version qui figure dans ce mémoire correspond à la version initiale soumise à l’éditeur de la revue le 3 décembre.
La publication figurant au chapitre 2 de ce mémoire a été présentée par l’étudiant sous une forme condensée lors du « Internationnal Symposium on Sustainable Aviation » en mai 2018 qui se tenait à Rome, en Italie. Sa forme plus évoluée, présente dans ce mémoire est en attente de validation de la part de l’ensemble des coauteurs avant sa soumission.
Introduction
0.1 Cadre de l’étude
Le dernier rapport du GIEC de 2019 (Groupe Intergouvernemental d’experts sur l’Évolution du Climat fondé par l’ONU en 1988) montre que le consensus reste inchangé quant à l’attention à apporter au réchauffement climatique et au rôle des émissions gazeuses anthropiques sur cette évolution. Les activités reposant sur la combustion d’un carburant, présentes à tous les niveaux de notre société dans la génération d’énergie thermique, électrique ou motrice, représentent une part non négligeable de ces émissions nocives pour l’environnement (près des ¾ des émissions en équivalents CO2 pour le Canada1). Les normes qui régulent ces
émissions sont spécifiques aux différents domaines concernés, notamment sur la combustion de biomasse ou encore les turbines à gaz, mais aussi aux pays ou regroupement de pays. De ce fait, les efforts menés pour réduire ces émissions sont orientés dans des domaines variés. Dans le cadre qui nous intéresse, l’idée initiatrice du projet de recherche a été de vouloir influer sur les produits gazeux de combustion sans altérer fondamentalement l’environnement matériel dans lequel se déroule la combustion. La préservation de la géométrie de la chambre de combustion, des différentes entrées d’air primaires et/ou secondaires et de la nature de l’écoulement du mélange carburant/comburant a été un facteur clé dans la mise en place du projet de recherche. Pour ce faire, les travaux se sont portés sur l’assistance électromagnétique à la combustion, vaste domaine dans lequel les considérations de stabilisation de la flamme et d’assistance à l’ignition ont été relativement bien explorées, mais où les problématiques concernant les émissions gazeuses restent peu étudiées.
0.1.1 Historique
C’est en 2013 que les travaux débutent au laboratoire de combustion de l’Université Laval dans l’exploration des champs électriques avec les travaux de S. Farhat sur les actuateurs de plasma à décharge à barrière diélectrique (DBD) de surface pour la stabilisation d’écoulement de couche limite. Ces travaux ont mené conjointement avec le Centre de Recherches de Valcartier (CRDV) et l’École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). Le plasma est généré par une différence de potentiel électrique entre deux électrodes de cuivre (70 μm d’épaisseur) placées de part et d’autre d’une plaque mince (3 mm d’épaisseur) de poly méthacrylate de méthyle (PMMA), tel que représenté sur la figure2 ci-contre.
1 Rapport d’inventaire national 1990-2017 : La déclaration du Canada à la convention-cadre des Nations-Unies sur les changements climatiques
2Figure tirée de la présentation de Farhat à la 96ème Canadian Chemistry Conference and Exhibition en mai 2013 Figure 0.1 : Schéma du montage de
Une corrélation entre la force de portance générée par la décharge de plasma et le duo fréquence-amplitude du signal sinusoïdal appliqué aux bornes des électrodes est identifiée par ces travaux préliminaires. La croissance de la décharge de plasma s’effectue proportionnellement à l’accroissement de la fréquence du champ électrique établi entre les électrodes. Un optimum est obtenu autour de la région 10 kHz-20 kHz entre la puissance de la décharge de plasma mesurée par la force de portance créée par le vent ionique résultant et la puissance électrique consommée par le système (voir figure 0.23
ci-contre). De ces travaux est née l’idée de faire interagir la décharge de plasma issue du champ électrique avec une zone de combustion. Plusieurs applications sont imaginées pour cette combustion hybride particulièrement dans le potentiel de réduction des émissions gazeuses et particulaires.
0.1.2 Organisation des travaux menés
L’étude présentée dans ce mémoire de maitrise en génie mécanique effectuée au laboratoire de combustion de l’Université Laval à Québec, de l’été 2016 à l’automne 2018 intervient dans ce cadre. Pour ce faire, deux façons de coupler le champ électrique à la combustion ont été sélectionnées pour la réalisation de tests.
Dans le premier cas, et celui qui constitue le cœur des travaux du projet de la maitrise rapportés dans ce mémoire, le champ électrique est appliqué directement à la zone de combustion d’une flamme de propane. Ce champ est généré par une différence de potentiel électrique alternatif sinusoïdal à des fréquences allant de 10 kHz à 20 kHz, et des amplitudes de 5 kV à 20 kV. La géométrie des électrodes est adaptée à la nature de l’expérimentation et à la topologie du brûleur : plaque en aluminium, grillage en acier ou tige en tungstène. Pour cette première série d’essais, les brûleurs permettent d’obtenir une combustion par entraînement d’air4 (le
brûleur dispose d’un seul cylindre pour apporter et contrôler le débit de propane, l’air nécessaire à la combustion est acheminé par diffusion naturelle) ou bien une combustion co-annulaire5 (les débits d’air et de propane sont
3Figure tirée de la présentation de Farhat à la 96ème Canadian Chemistry Conference and Exhibition en mai 2013
4Voir Section 1.3.2 Experimental Method 5Voir Section 2.3.2 Experimental Method
0 5 10 15 20 25 30 35 0 5 10 15 20 25 30 Power input Phase angle N or m al ized for ce (m N /m ) Driven voltage (kVpp) Force 0 5 10 15 20 25 30 35 0 20 40 60 80 100 Phas e angl e (deg) Driven voltage (kVpp) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Power delivered N or m al ized Pow erinp ( W/ m ) Driven voltage (kVpp) 0 5 10 15 20 25 30 35 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2 kHz 5 kHz 10 kHz 40 kHz N or m al ized Pow erde l ( W/ m ) Driven voltage (kVpp) Figure 0.2 : Moyenne des forces, des phases, des angles et de la puissance mesurée
tous les deux imposés par l’expérimentateur; le cylindre intérieur achemine et contrôle le propane, le cylindre extérieur achemine et contrôle l’air).
Dans le second cas, le champ électrique est appliqué en amont de la combustion, sur l’air entrant dans une chambre de combustion. Pour cette seconde partie de l’étude, le but était d’appliquer les résultats des travaux menés par Farhat et ceux de la première partie de la présente étude à cas de figure concret. La problématique a été soumise par le partenaire industriel du projet, SBI International, fabricant d’appareils de chauffage à combustible solide pour les professionnels et les particuliers. Il s’agissait de déterminer si les effets du champ électrique observés dans la première partie de la présente étude pouvaient être reproduits sur un instrument de chauffage à biomasse vendu au grand public, compte tenu de la modification du protocole expérimental qu’une telle application impliquait. À cet effet, un dispositif similaire à un ioniseur d’air a été conçu et fabriqué pour concentrer le champ électrique alternatif sur l’air alimentant l’appareil de chauffage.
Les chapitres 1 et 2 de ce mémoire synthétisent les travaux menés sur la première partie de l’étude, présentant notamment les résultats de l’étude sur le plan de la modification du front de flamme et des émissions gazeuses. Une approche simple a également été formulée pour expliquer l’origine des modifications, tant visuelles que sur les émissions gazeuses, de la combustion assistée par champ électrique oscillant dans la gamme de fréquence et d’amplitude de notre étude. Le chapitre 3 de ce mémoire regroupe les travaux d’ouverture en vue d’applications concrètes des résultats précédents portant sur le contrôle accru du taux de mélange de la flamme ainsi qu’un aperçu succinct des essais réalisés sur l’appareil de chauffage à biomasse fourni par le partenaire industriel du projet.
0.2 Revue de littérature
De nombreuses études font mention de l’utilisation de champs électromagnétiques en combustion. Que cela soit de simples champs, des décharges électriques ou encore de la génération de plasma, les usages ne manquent pas. Les domaines d’application couvrent principalement l’assistance à l’ignition, la stabilisation de la combustion et la réduction des émissions particulaires dans une certaine mesure.
0.2.1 L’origine de l’affinité
C’est en 1947 qu’est formalisé l’équation principalement responsable de la génération d’ions univalents positifs dans le mécanisme de la combustion d’hydrocarbures par Calcote [1], i.e la réaction de chimiionisation du cation formyle CHO+ :
Dès lors, avec l’approfondissement des connaissances des mécanismes de combustion, de nombreuses autres espèces ioniques ont été identifiées lors de la combustion d’hydrocarbures tels que les ions CH3+, H3O+ et C3H3+
par exemple. Dans ses travaux, MacLatchy [2] compare les différentes méthodes utilisées pour obtenir une estimation de la densité ionique des flammes d’hydrocarbures notamment de méthane (CH4) et de propane
(C3H8) en présence d’air, à pression atmosphérique. À l’aide d’un dispositif expérimental simple comprenant
une sonde de Langmuir et un brûleur de type Bec Bunsen rectangulaire, il mesure des densités ioniques de l’ordre de 1011 ions/cm3 au travers de la zone de combustion. La sonde est montée sur un support rotatif entrainé
par un moteur à vitesse variable, et balaie périodiquement la zone de combustion. Le courant résultant de l’interaction entre les ions de la flamme et la sonde est affiché sur un oscilloscope. Sa méthode permet également de connaitre la distribution spatiale de la densité ionique de la flamme; l’épaisseur de la mi-hauteur du pic de densité ionique est en accord avec les épaisseurs de front de flamme mesurées ou calculées dans des conditions de combustion équivalentes. Le reste de la littérature fait état de densité allant de 1010 à
1011 ions/cm3 (Calcote [3], Wortberg [4], Goodings et coll. [5]. C’est cette densité ionique élevée, due à la
création d’espèces chargées au sein de la combustion, qui explique la susceptibilité de la flamme aux champs électromagnétiques. Les mécanismes proposés incluent l’ionisation thermique, l’ionisation due à l’excitation électronique ou translationnelle et la chimiionisation comme mentionnée précédemment (Starikowskii [6], Fialkov [7]).
La combustion assistée par champ électromagnétique a montré de nombreux effets en termes de stabilisation de flamme décrochée, de réduction de formation de carbone et d’augmentation de la vitesse de flamme, usant à la fois de champ de courant direct (DC) (Vandenboom et coll. [8], Hu et coll. [9]) et/ou de courant alternatif (AC) (Saito et coll. [10], Criner et coll. [11]).
0.2.2 Mise en lumière du vent ionique
Le mécanisme le plus étudié à ce jour détaillant l’influence d’un champ électrique sans décharge sur la combustion est celui du vent ionique. Le phénomène de décharge à barrière diélectrique, décharge coronaire ou autre type de décharge n’est pas l’objet de nos travaux et sera seulement brièvement abordé dans la prochaine sous-section afin de comprendre l’approche sur la combustion de biomasse. Le cœur des travaux de recherche repose sur l’exposition de la flamme à un champ électrique pour observer comment les particules chargées générées par les réactions de combustion (les mécanismes les plus complets comme GRI-Mech 3.0 référencent 325 réactions6 élémentaires avec les tables thermodynamiques et constantes associées).
6 Gregory P. Smith, David M. Golden, Michael Frenklach, Nigel W. Moriarty, Boris Eiteneer, Mikhail Goldenberg, C. Thomas Bowman, Ronald K.
Selon le mécanisme du vent ionique, les espèces chargées présentes au sein de la flamme sont sujettes aux forces volumiques à distance d’origine électromagnétique et acquièrent un moment d’inertie qu’elles transfèrent aux restes des particules neutres de la flamme par collisions successives, affectant l’ensemble de la structure. L’altération du front de flamme se ferait donc en accord avec la ou les directions principales du champ électrique initial, modifiant par le fait même les réactions de combustion à la suite du bouleversement des équilibres de réactions. Une autre approche envisage les collisions entre les ions et électrons accélérés par la force de Lorentz et les particules neutres comme sources de radicaux libres générés en amont de la zone principale des réactions de combustion, ce qui aurait aussi pour conséquences la modification des dynamiques de réactions et l’équilibre du front de flamme. Si l’existence des effets électro-hydrodynamiques (EHD) du vent ionique est largement acceptée, la contribution des espèces radicalaires aux effets mentionnés ci-avant à l’application d’un champ électrique est encore débattue selon l’analyse de Starikowskii après une étude extensive de la littérature sur le sujet [6].
La constante de temps 𝑡𝑐 caractéristique de ce vent ionique a été proposé d’abord par Kono et coll. [12], puis par Kim et coll. [13] de la façon suivante :
t c i
n
t
n z
=
et 2 4 B P z mk T
= ,avec 𝑧 le nombre de collisions par unité de temps, 𝑛𝑡 la densité numérique totale de particules, 𝑛𝑖 la densité numérique d’ions, 𝑇 la température, 𝑃 la pression et 𝑘𝐵 la constante de Boltzmann. En considérant un diamètre de collision σ d’environ 4.0x10-10 m et une masse moléculaire moyenne de 4.65x10-26 kg (pour un mélange
CH4/Air stœchiométrique), la constante de temps correspondante 𝑡𝑐 est de 16.4 ms pour Kim et coll. [13] (~10 ms pour le calcul de Kono et coll. [12]). La réponse en fréquence du vent ionique est donc comprise entre 60 et 100 Hz.
Sur la base de ces études précédentes, les travaux de ce mémoire se sont portés sur un domaine fréquentiel supérieur à 100 Hz, pour faire le lien avec les travaux préliminaires menés au laboratoire et tenter de faire la lumière sur les observations de Belhi [14]. Ce dernier a montré que des fréquences de l’ordre du kHz avaient un plus grand impact sur la stabilisation de la flamme, due à la plus rapide alternance de potentiel électrique. D’après ces travaux, corroborés expérimentalement par Criner [15], la répétition de la différence de potentiel électrique entre les électrodes aurait un impact plus important que l’amplitude de cette différence de potentiel.
0.2.3 Autre couplage Combustion/EHD
Dans le cas de la combustion de biomasse présentée au chapitre 3, l’appareillage fourni par le partenaire industriel du projet prohibe la simple exposition de la zone de combustion à un champ électrique comme au
chapitre 1 ou 2. De fait, la fonction principale de la fournaise est de fournir une masse thermique suffisante pour chauffer une pièce, et non simplement brûler le combustible. L’implantation des électrodes, câbles et autres composants électriques nécessaires à la mise en place d’un champ électrique pose un certain nombre de problèmes techniques. Parmi eux, et non des moindres, le fait que l’enceinte de combustion atteigne des températures internes allant jusqu’à 800 K et des températures de surface avoisinant les 500 K rend le design compliqué.
Dans ces conditions, la recherche s’est tournée vers une autre méthode pour assister la combustion. Les objectifs de cette partie étaient de réduire la part d’émissions gazeuses et particulaires dans les émissions de la solution de chauffage à biomasse fournie par le partenaire du projet. En effet, ces émissions sont soumises à de sévères régulations de la part du Conseil Canadien des Ministres de l’Environnement (CCME) énoncées dans le National Emission Guideline for Comercial/Industrial Boilers and Heaters par exemple. De ce fait la solution est venue de concilier les recherches sur le dispositif de champ électrique appliqué au propane, avec des solutions présentées par Urashima et coll. [16]. Les travaux rapportés dans cette publication parlent du traitement des gaz d’échappement par des technologies de plasma non thermique (générés à pression ambiante). Dès lors, sur la base du design présenté par Chang et coll. [17], le projet s’est tourné vers l’investigation des effets qu’aurait l’envoi d’air ionisé (ayant été soumis à une DBD) dans certaines zones de combustion de l’appareil de chauffage à biomasse étudié.
L’air ayant circulé dans une enceinte l’exposant à une DBD va se charger en ozone (O3) et autres composés
radicalaires hautement réactifs. Selon plusieurs études, l’ozone aurait un effet catalysant sur certaines réactions de la combustion (Tachibana et coll. [18]) ; en se décomposant de manière exothermique, il produit un surplus d’espèces radicalaires qui vont réagir avec les molécules d’hydrocarbures et ainsi initier les réactions en chaine du mécanisme de combustion. D’autres études (Tang et coll. [19] notamment) montrent quant à elles tandis que l’activation de l’air (ou ionisation) améliorerait l’efficacité de la combustion en termes de température de flamme et de luminescence. Dans notre étude, ce sont les effets sur les émissions gazeuses et particulaires qui vont être observés lorsque l’on alimente une partie de la combustion de la biomasse avec de l’air ionisé.
0.3 Méthodologie
L’essence des travaux rapportés dans ce mémoire est issue de l’utilisation de concert de plusieurs instruments de mesure. Chacun de ces instruments possède des contraintes d’utilisation différentes, en termes de fréquence d’échantillonnage de données notamment. Ce sont ces contraintes qui ont guidé la création du protocole expérimental dans chacun des cas de l’étude réalisée, et présentés dans les chapitres subséquents de ce mémoire.
La mesure du débit gazeux d’air ou de propane joue un rôle fondamental pour la compréhension des phénomènes de combustion. Pour se faire, deux types d’appareils ont été utilisés dépendant de leur plage d’utilisation respective par rapport à l’ordre de grandeur estimé du débit mesuré. Ces derniers sont présentés ci-après.
L’autre élément crucial pour la réussite de l’étude menée pour ce projet est l’analyseur de gaz permettant de connaitre la nature et concentration des gaz d’échappement issus de la combustion. C’est appareil est constitué de trois éléments distincts : un spectromètre infrarouge, un moniteur d’oxygène et un détecteur à ionisation de flamme. Ces trois instruments sont présentés avec leurs spécificités respectives dans les sections suivantes. Enfin, le dernier élément indispensable à l’étude est l’appareillage de génération du courant électrique sinusoïdal qui est appliqué à la zone de combustion; ainsi que le dispositif nécessaire de mesure et de contrôle de ce champ électrique, qui seront présentés par la suite.
0.3.1 Débitmètre à effet Coriolis
Dans le cas de l’étude menée dans le chapitre 2 sur le brûleur à coflow, le débit d’air devait être mesuré indépendamment de celui de propane. Pour cela, un débitmètre à effet Coriolis a été utilisé. Son principe de fonctionnement repose sur la création des forces de Coriolis au sein du tube en U dans lequel circule le fluide dont on souhaite connaitre le débit. Le tube est porté à sa fréquence de résonnance par un excitateur électromagnétique. Dès lors qu’un fluide quelconque circule dans le tube, la déformation engendrée est enregistrée par une série de capteurs. La nouvelle fréquence de résonnance du tube au passage du fluide donne une mesure directe de sa masse volumique. Le déphasage entre ce signal et celui imposé par l’excitateur donne une mesure directe du débit massique du fluide. Cette versatilité dans la mesure permet d’utiliser un débitmètre à effet Coriolis avec un minimum d’étalonnage préalable tout en conservant une incertitude connue (inférieure à plus ou moins 0.3 % de la mesure). Les données de calibration de l’appareil utilisé dans le montage (CMFS010M) sont disponibles en Annexe A.
0.3.2 Débitmètre basé sur un compteur d’essai de type humide
Pour mesurer de faibles débits, le débitmètre à effet Coriolis précédemment présenté n’offrait pas de données de calibration satisfaisante (plage d’utilisation comprise entre 0.2 et 21 g/s). Le débit de propane envisagé pour assurer un écoulement laminaire dans la première étude a été déterminé autour de 10-2 g/s. Il a donc fallu se
tourner vers un appareil mécanique pour mesurer ce débit. Cet appareil est un compteur d’essai de type humide. Le principe de fonctionnement repose sur l’utilisation d’un tambour rotatif creux composé de plusieurs compartiments ayant un volume connu. Le tambour est placé dans une enceinte hermétique remplie par un liquide (de l’eau dans notre cas) jusqu’à un niveau prédéfini. Lorsque le gaz circule dans le compteur, il remplit
successivement les compartiments entre son point d’entrée et son point de sortie. Le liquide intérieur sert à boucher les compartiments remplis du gaz à mesurer. Comme le volume des compartiments est connu, la rotation du tambour peut être indexée pour connaitre le volume total de fluide qui a circulé dans le compteur en tout instant.
Pour en déduire une mesure de débit, il suffit de connaitre le temps écoulé depuis le début de la circulation du gaz jusqu’au débit souhaité. Pour faciliter la mesure, un encodeur à pas magnétique a été ajouté au montage. Fixé sur l’axe de rotation du tambour, l’encodeur peut compter 512 incréments pour une rotation et permet l’acquisition d’un signal analogique de la vitesse de rotation du compteur, à l’instar d’un tachymètre. Ce signal est échantillonné à 100 Hz et traité par une interface LabVIEWTM réalisant une moyenne glissante des 25
mesures de vitesse les plus récentes. Cela permet de mesurer des débits de 0.01 g/s avec une incertitude relative de plus ou moins 10 %.
Cette incertitude sur la mesure a été obtenue et un montage a été réalisé plaçant le débitmètre à effet Coriolis en série avec le compteur d’essai de type humide. Le but désiré est d’aligner la droite d’étalonnage des mesures du compteur avec les données du débitmètre à effet Coriolis dont l’incertitude de mesure est connue à partir de 0.2 g/s, afin d’en déduire l’incertitude aux plus bas débits lors des mesures subséquentes pendant les essais.
0.3.3 Analyseur de gaz
L’ensemble du matériel d’échantillonnage des émissions gazeuses produites par la combustion étudiée est composé de trois différents appareils, traités par la suite logicielle Calcmet produite par la compagnie GasmetTM,
qui a également produit deux des appareils de mesure utilisés, le troisième provenant de SiemensTM.
Concernant la calibration des différents capteurs, sur les recommandations des différents manufacturiers des appareils utilisés, un ensemble de trois gaz de grade 5.0 (pur à 99.999 %) a été assemblé : du diazote (N2), du
dihydrogène (H2) et un mélange de propane (C3H8) et de diazote (N2) qui constitue le gaz étalon.
0.3.3.1 Spectromètre infrarouge
Les spectromètres infrarouges (IR) sont couramment utilisés dans différents domaines de la chimie (synthèse organique, polymère, pétrochimie entres autres). Leur utilisation permet de déterminer la structure des molécules présentent dans un solide, un liquide ou un gaz dans notre cas grâce à l’absorption caractéristique des molécules dans l’IR. En effet, le spectre IR correspond au spectre vibratoire des molécules : lorsqu’exposées à un rayonnement IR, les molécules échantillonnées absorbent une partie de ce rayonnement à des longueurs d’onde qui leur sont spécifiques. Cette absorption se traduit par une modification du moment dipolaire des molécules et par une élévation de leur niveau d’énergie vibrationnelle. La fréquence du pic d’absorption dépend de la différence d’énergie de niveaux d’énergie vibrationnelle consécutifs, tandis que le
nombre de pics varie le degré de liberté vibratoire de la molécule. Avec ces paramètres, le logiciel de traitement de l’appareil est à même de déterminer la nature des molécules échantillonnées sur l’intégralité du spectre par comparaison avec les spectres connus enregistrés dans sa bibliothèque. Finalement, pour déterminer la concentration de l’espèce identifiée on utilise la loi de Beer :
(
)
(
)
log
I
O/
I
=
log 1 /
T
= =
A
abc
IO est l’intensité du rayonnement IR pénétrant dans l’échantillon, I est l’intensité du rayonnement IR à la sortie
de l’échantillon, A est l’absorbance de l’échantillon, T sa transmittance, a l’absorptivité (fonction de la longueur d’onde), b la longueur du chemin optique parcouru et c la concentration de l’échantillon en molécules d’absorptivité a à la longueur d’onde balayée.
La particularité des spectromètres IR à transformée de Fourier réside dans leur capacité à pouvoir balayer l’entièreté du spectre simultanément, ce qui réduit considérablement le temps de mesure, et permet d’avoir une fréquence d’échantillonnage plus élevée qu’un spectromètre IR dispersif. Notre système est le CEMS II de la compagnie GasmetTM (Continuous Emissions Monitoring System II) : la source IR est une tige de carbure de
silicium (SiC) chauffée à 1550 K et la séparatrice est en séléniure de zinc (ZnSe). Cela donne une plage spectrale allant de 700 à 4200 cm-1 avec une résolution recommandée de 8 cm-1 ou 4 cm-1 à une vitesse de 10
0.3.3.2 Moniteur d’oxygène
La mesure du taux d’oxygène dans l’échantillon s’effectue dans un appareil dédié par la méthode de pression paramagnétique oscillante. Les molécules de dioxygène sont paramagnétiques; dès lors que deux gaz avec des teneurs différentes en dioxygène se rencontrent en présence d’un champ magnétique, une différence de pression née entre eux. L’un de ces gaz est le gaz à échantillonner, l’autre est du diazote ; introduits à deux endroits différents (cf. schéma ci-contre), ils se rencontrent dans une zone où règne un champ magnétique externe. Un capteur de micro écoulement enregistre le courant transverse produit par la différence de pression d’origine paramagnétique. Ce capteur est composé de deux grilles métalliques plaquées de nickel couplées à deux résistances additionnelles pour former un pont de Wheastone. Le courant transverse oscillant résultant du différentiel de pression induit par effet paramagnétique modifie la résistance électrique entre les deux grilles. Cela conduit à un décalage du pont qui est directement dépendant de la concentration en dioxygène du gaz échantillonné.
0.3.3.3 Détecteur à ionisation de flamme
Le détecteur à ionisation de flamme permet de connaitre la concentration totale de composés organiques volatils (COV) dans le gaz échantillonné. Le principe de fonctionnement est simple, et repose sur la mesure du courant produit par l’impact d’ions sur des plaques collectrices reliées à un capteur de courant (un picoampèremètre dans notre cas). Lors de la combustion du gaz échantillonné avec du dihydrogène, les ions créés par le mécanisme de combustion sont entrainés par un champ électrique généré entre deux électrodes. La cathode est l’injecteur du mélange, ce qui permet de repousser les ions carbonés positifs vers les plaques collectrices. Le capteur mesure le nombre d’impacts par unité de temps, et transforme ce stimulus en courant, proportionnel à la quantité d’ions produits. Une calibration préalable grâce à la combustion du gaz étalon permet de comparer la valeur du signal produit par le gaz échantillonné à une référence et d’en déduire la teneur globale en COV de l’échantillon.
Cette valeur est utilisée dans notre étude pour assurer un suivi des espèces carbonées lors de l’activation du champ électrique dans les différentes études réalisées. La variation des COV est comparée à l’évolution des autres composés carbonés, majoritairement le monoxyde de carbone (CO) et le dioxyde de carbone (CO2), pour
tenter d’expliquer les phénomènes affectant la combustion en présence de champs électriques. Le suivi des atomes de carbone dans les différentes molécules permet de formuler des hypothèses sur les transformations
Figure 0.3 : Schéma du capteur d’oxygène
subies et les modifications engendrées par la présence du champ électrique. Sa limite de détection est de 0.1 ppmC et sa précision est de 4 % de l’échelle lue. Il dispose de quatre échelles ajustables au choix. Comme on utilise le propane comme gaz de calibration, on exprime les unités du résultat en ppmC3H8 et il faut donc
multiplier la lecture par 3 dans les feuilles de calculs des émissions polluantes pour obtenir un résultat en ppmC.
0.3.4 Génération et contrôle du champ électrique
Le signal sinusoïdal envoyé aux électrodes est généré par ordinateur et envoyé à travers une carte d’acquisition National Instruments PCI-6040E (DAQ). Ce signal est ensuite amplifié grâce à un amplificateur de puissance audio QSC RMX 2450, puis délivré à deux transformateurs haute puissance-haute fréquence de la compagnie Corona Magnetics Inc., reliés chacun à une électrode, comme on peut le voir sur le montage ci-contre. Ce choix de deux transformateurs distincts permet de diviser par deux la charge de puissance du signal dans chaque branche du montage reliée à une électrode, et augmenter ainsi la robustesse du montage et préserver les équipements. La boucle de contrôle du signal est assurée par un oscilloscope digital à phosphore 3014 de la compagnie Tektronix, connecté à une sonde à haut-voltage Textronix P6015A pour un suivi en temps réel du champ électrique.
Pour balayer une large plage de fréquence et d’amplitude pour nos recherches, nous avons choisi 12 points d’opération répartis uniformément de 5000 V à 20000 V et de 10000 Hz à 20000 Hz. Chacun de ces points d’opération est répété un total de 4 fois en suivant le même protocole : 40 s d’activation du champ électrique entrecoupé de période de « repos » de 2 minutes où le champ électrique est coupé pour permettre aux transformateurs et résistance de puissance de refroidir. Ce processus est répété sur plusieurs jours afin de limiter les dépendances environnementales (humidité, température, pression) sur la nature des résultats. Ces résultats sont par la suite moyennés pour chaque point d’opération, et comparés les uns aux autres pour identifier les tendances dans les émissions gazeuses qui sont la cause directe de l’activation intermittente du champ électrique. Cette méthode permet de limiter l’influence des conditions ambiantes ainsi que le bruit du signal lié à l’analyseur de gaz pour mieux identifier les tendances d’émissions gazeuses.
Figure 0.4 : Diagramme électrique du dispositif de génération et de contrôle du champ électrique
Chapitre 1 : Assistance à la combustion de propane
en régime laminaire par champ électrique alternatif
AC Electric Field to Enhance Combustion (ACEC) of a Laminar Propane Flame
Yaël Bourgeois
1, Smail Kalla
1, Anthony Munoz
2, Alain deChamplain
11Department of Mechanical Engineering, Combustion Laboratory Université Laval, 2 Department of Mechanical Engineering, Hydraulic Machine Laboratory Université Laval,
1065 avenue de la médecine, Québec, QC, G1V 0A6, Canada
1.1 Résumé
Les décharges électriques et magnétiques ont été de plus en plus utilisées dans le monde ces dernières années dans les processus de combustion pour une combustion plus propre et plus efficace, qui bénéficient à la fois à l’environnement et aux industries. Dans cette étude, l’effet d’un champ électrique sur la combustion est observé. Le cas d’étude est constitué d’une flamme laminaire (Re~101) de diffusion d’entraînement au propane soumise
à une différence de potentiel électrique entre deux électrodes. Le champ électrique de courant variable (AC) allant de 5 kV à 20 kV et de 10 kHz à 20 kHz est appliqué à l’aide d’électrodes en plaques carrées. Une importance altération du front de flamme est observée, l’effet montrant une dépendance en fréquence et en amplitude. Les hautes fréquences semblent atténuer le déplacement du front de flamme, dû à l’accélération plus importante des ions (pente plus raide du signal sinusoïdal lors du changement de polarité des électrodes) qui mènent à des pertes de moment plus importantes. Les émissions de monoxyde de carbone (CO) ont montré être réduites dès que le champ électrique est appliqué au travers des électrodes. Une estimation rapide de l’énergie transférée sous forme de collisions entre les particules chargées en mouvement dans le front de flamme et les particules neutres montrent que celle-ci pourrait être suffisante pour surmonter la barrière limitante d’énergie d’activation de la réaction d’oxydation du CO en CO2, expliquant ainsi la diminution de concentration
en CO mentionnée précédemment.
1.2 Abstract
Application of electric and magnetic fields have been increasingly used worldwide over the last decades in combustion processes for cleaner and more efficient combustion with benefits to both the industry and the environment. In this study, the effect of the electric field on combustion is demonstrated. Test case consists of a laminar (Re~101) entrained propane-air diffusion flame subjected to an electric potential difference between two electrodes. The variable (AC) electric field ranging from 5 kV to 20 kV and from 10 kHz to 20 kHz is applied using square electrodes. Strong spatial modification of the flame front is observed, the effect being sensitive to both amplitude and frequency. High frequencies seem to inhibit the flame front displacement, due to higher ion
acceleration (steeper sine wave slope upon electrode polarity reversal) leading to higher momentum losses. CO emissions were shown to decrease whenever the AC electric field was applied through the electrodes. A quick estimation of the energy transferred from charged particles moving in the flame front to neutral species through collisions would be enough to overcome the limiting activation energy barrier of COoxidation to CO2, thus
explaining the aforementioned CO emission reduction.
1.3 Corps de l’article
1.3.1 INTRODUCTION
The objective of this study conducted in 2016 is to assess the effect of an electric field on the structure and emissions of propane flames. Here, a special attention is given to flame gas emissions, particularly CO and NOx
in view of potential applications in aeronautics and astronautics.
It is now currently understood that the reaction primarily associated to ionic generation in a flame as discussed by Calcote [1] is:
CH•+O• CHO++e− (1)
Since then, several other ionic species such as CH3+, H3O+, C3H3+ have been shown to be produced during the
combustion of hydrocarbon fuels. Many suggestions have been made to explain the high levels of ionization in flames (concentration of positive ions have been found to range between 1010 and 1011 ions/cm3 as reported by
MacLatchy [2]). The proposed mechanisms include thermal ionization, ionization due to translational or electronic excitation, as well as chemiionization (Starikowskii [3], Fialkov [4]). The high concentration of electronically charged species thus makes the flame susceptible to electromagnetic stimulation. Through electrically stimulated combustion, stabilized lift-off flames, reduced carbon formation and increased flame velocity are among the main effects that have been observed, using both direct current (DC) (Vandenboom et al. [5], Hu et al. [6]) and/or alternating-current (AC) (Saito et al. [7], Criner et al. [8]).
The most studied and understood mechanism for electric stimulation of the flame front is the “ionic wind” effect. The ions in the flame respond to electric body forces to gain in momentum; because of successive collisions with neutral molecules in the flame, that gain in momentum is transferred to the whole flame structure, shifting the flame front according to the electric streamlines, hence affecting the combustion reaction. Another theory is that the collisions of accelerated ions and electrons due to Lorentz force with neutral species generate radicals. These radicals are produced upstream of the actual effective reaction zone, also shifting the reaction dynamics and flame front. While the existence of the electro hydrodynamic effect of the ionic wind is widely accepted, the contribution from radical species to the overall effects of an applied electric field is still debated [3]. The resulting
ionic wind, however, has been demonstrated to be efficient at very low frequencies. The time constant 𝑡𝑐 proposed by Kono et al. [9], and later Kim et al. [10] is:
t c i n t n z = and 2 4 B P z mk T
= (2) (3)with z the number of collisions per unit time, 𝑛𝑡 the number density of total particles and 𝑛𝑖 the number density of ions, 𝑃 the pressure, 𝑇 the temperature and 𝑘𝐵 the Boltzmann constant. Assuming the collision diameter σ at ~4.0x10-10 m, the average molecular weight 𝑚 of particles at 4.65x10-26 kg/particle (for a stoichiometric
methane/air mixture), then the corresponding time constant 𝑡𝑐 is 16.4 ms (~10 ms found by Kono et al. [10]). Under these assumptions, the frequency response is 60 Hz. Since this applies to the case of an AC discharge, the available time to maintain the same polarity for the ionic wind to be fully developed is half the resident time of ionic species. It implies that the AC frequency should be lower than ~100 Hz.
Based on these previous studies, the present study mainly focused on frequencies higher than 100 Hz, so that any other effects on flame behaviour and emissions would not be concealed by a powerful ionic wind. Moreover, Belhi [11] hinted that higher frequencies (>1 kHz) had a stronger impact on flame stabilization, due to the faster repetition of the electric potential difference. They also concluded that the quick electric potential repetition had a stronger influence than higher amplitude. These observations were corroborated by experimental studies conducted by Criner [12]. More recently, Park et al. [22] conducted observations of non-premixed laminar diffusion flame under similar conditions (horizontal AC electric field at 1 kHz frequency) and have shown that the flame was indeed affected by the electric field and skewed towards both electrodes.
In this study, debuted in 2016, the effects of an AC field on the gas emissions of diffusion flames are investigated, but with a wider frequency range than available studies have covered, as well as flame front spatial alterations resulting from the electric field activation. Those flames are generated by a candle-like burner under laminar conditions. Hereafter, the experimental setup will be specified and the experimental observations under the specific Voltage-Frequency pairs that were chosen. Additionally, emission results from measurements done with a Fourier Transform InfraRed (FTIR) spectrometer gas analyser will be discussed. The idea is to further demonstrate the direct effect from the applied electric field. The burner is based on a preliminary design, with inherent flaws that will be further discussed after presenting results. Using the COMSOLTM Multiphysics software,
simulations of the test case AC electric potential difference show the potential benefit for the electric field applied to different flame regions. Looking at the uniformity and direction of the current streamlines, the geometry of the electrodes could thus be adapted to better fit the flame flow.
1.3.2 EXPERIMENTAL METHOD
For the experiment, the candle-like burner features a 4.2 cm inner diameter PyrexTM cylinder filled with glass
beads alternating with a honeycomb (5 mm cell pseudo-diameter and 4 cm in height). The glass beads have a 0.6 cm diameter and serve as a pressure loss inducing system, to maintain laminar conditions at high fuel flows, whereas the honeycomb prevents any swirl from developing between the entrained ambient air and fuel flow. The cylinder is mounted on an axially fed propane nozzle. The total axial height including the PyrexTM cylinder
is 28.5 cm for the experimental setup as shown in Figure 1.1. The exhaust from the burner is channelled into a 60 cm long by 12 cm diameter quartz tube acting as a chimney before being evacuated into a vent hood. The propane mass flow is measured by a mechanical Wet Test Meter from GCA/PRECISION SCIENTIFIC, coupled to an EMS22D51-B28-LS5 magnetic step encoder acting as tachometer from Bourns Inc. with 512 pulses per revolution. The encoder delivers a 5 V pulse signal for analysis through a LabVIEWTM interface that yields a
moving average of the last 25 readings for better noise control on the measurements. It allows to spread the range of propane flow rates from 2 to 20 mg/s with an uncertainty of 1 mg/s. For the present experiment, the propane flow rate is set to 12 mg/s.
To assess the Reynolds number (Re) of the flow at this propane flow rate, the exhaust gas velocity must be calculated, as the experiment entails an entrained flame where the controlled propane flow rate does not solely determine the global flow rate, hence the global velocity. To this effect based on phenomenological observations (Kuo [20]), the diffusion time and residence time of the species can be calculated as:
vL
Re
=
(4) 2 / 2 j diffusion O P r t D = and flame residence z t v = (5)(6)where 𝑣̅ is the mean particle vertical velocity in the flame, 𝐿 is the diameter, 𝜈 is the kinematic viscosity of the fluid, 𝑟𝑗 is the port radius of the burner, 𝐷𝑂/𝑃is the diffusion coefficient for the propane-oxygen mixture at flame temperature (~1 000 K) and 𝑧𝑓𝑙𝑎𝑚𝑒 is the flame height.
Under the current experimental conditions, the entrained flame is not subjected to any stress or constraint, which can be translated to the diffusion time and residence time being on the same order of magnitude. Thus, we can obtain Equation 7: 2 / 2 j flame O P r v z D
(7)The left-hand term can also be perceived as the total volumetric flow rate of the flame, dependent on the flame height and the diffusion coefficient of the burning propane-oxygen mixture. As the flame height can be measured, the only remaining unknown, the diffusion coefficient, was calculated by three methods giving very similar results. The first two methods use the diffusion coefficient equation as defined by Reid et al. [13]:
3 2 / 1 2 2 / / 0.002667 O P O P O P D T D PM
= (8)where 𝐷𝑂/𝑃 is the afore-mentioned diffusion coefficient in cm2/s, 𝑇 is the absolute temperature in Kelvin, 𝑃 is the pressure in bar, 𝜎𝑂/𝑃 is the characteristic length of the propane-oxygen mixture in Angstrom and 𝛺𝐷 is the dimensionless diffusion collision integral. Furthermore:
1 / 1 1 2 O P O P M M M − = +
with 𝑀𝑂, 𝑀𝑃 the molecular weight of oxygen and propane, (9)
( )
exp(
)
exp( )
exp(
)
D B A C E G DT FT HT T = + + + and / B O P k T T
= (10)(11)Equation (11) is tabulated as a function of 𝑘𝐵𝑇 𝜀𝑂/𝑃
⁄ with 𝑘𝐵 the Boltzmann constant and 𝑇 the temperature. The Lennard-Jones potential [14] and its accurate relation are taken from Neufeld et al. [15] with the coefficients: A=1.06036, B=0.15610, C=0.19300, D=0.47635, E=1.03587, F=1.52996, G=1.76474 and H=3.89411
Usually, those relations are used to determine the following potentials:
1 2 / O P O P B B B k k k
= and / 2 O P O P
= + (12)(13)Values for Lennard-Jones potentials 𝜀 𝑘 𝐵
⁄ and 𝜎 for propane and oxygen are tabulated from viscosity data with a method shown by Svehla [16].
In case the values of the Lennard-Jones (L-J) potentials are not available for the species concerned, the second method used to determine the diffusion coefficient was to approximate those potentials using critical temperature (𝑇𝐶) and volume (𝑉𝐶) values for the species:
