Modélisation et simulation numérique d’une micro flamme de pré mélange méthane/air

La miniaturisation des équipements électromécaniques et le besoin croissant des énergies portatives ont contribué au développement des équipements microscopiques de production d’énergie. Les domaines de sollicitation de cette technologie sont variés, la microélectronique, la biomécanique et la biologie moléculaire sont en grande partie bénéficiaires des progrès réalisés dans les techniques de la micro fabrication. Il y a encore quelques années, il était difficile de croire à la possibilité de produire une flamme dans des dispositifs de dimensions microscopiques, même si l’idée vit le jour en 1817 où Davy se proposa d’étudier les dimensions en deçà desquelles on ne pourrait avoir de flamme. En 2000 Jensen C., R. Masel, et al. ont démontré que la micro-combustion était possible, malheureusement leur brûleur n’a duré que 8 heures [1], en raison des températures très élevées des flammes. Leurs expériences les ont amenés à comprendre que l’on pouvait propager la flamme sur une vaste zone au lieu de créer un point chaud qui fait fondre les parois, ce qui a permis aux micros brûleurs suivants de durer bien plus longtemps. La possibilité d’exploiter efficacement l’énergie produite est l’objet des recherches actuelles, avec des résultats de plus en plus probants, R. Masel prétend même qu’on soit passé de l’« impossible » à la routine [2]. Le concept derrière cette nouvelle technologie est d’utiliser l’énergie spécifique très élevée d’hydrocarbures dans les micros dispositifs de combustion pour produire de l’énergie. En 2002 déjà, Fernandez Pello et A. Carlos font la remarque selon laquelle les hydrocarbures liquides ont une énergie spécifique de 45 MJ/kg, que les MEMS (Micro Electromechanical System) sont facilement transportables et parfaitement sécuritaires. Les meilleures batteries actuelles dont celles en Lithium ont une densité d’énergie de 1,2 MJ/kg. Ils conclurent qu’un MEMS, même avec une efficacité de 3% ferait concurrence avec la meilleure des batteries [3], d’où la nécessité d’aller vers cette technologie.

Modélisation et simulation numérique de la production des polluants en micro combustion 

Dans un micro réacteur, la chambre de combustion est l’élément essentiel d’un dispositif MNPG (Micro Nano Power Generator), à travers lequel l’énergie contenue dans le combustible est utilisée pour générer de l’énergie électrique, mécanique ou cinétique par la combustion. La combustion aussi bien dans les dispositifs macroscopiques que mésoscopiques donne lieu à des produits polluants, potentiellement nuisibles à l’environnement et aux humains. Il en est assurément de même pour les MNPG, mais avec peut être une ampleur moindre.

Les micros dispositifs de production d’énergie ont pour but de remplacer dans leur utilisation, les batteries et les piles dont le poids et surtout l’autonomie constituent un handicap. Ce handicap peut être comblé par les MNPGs beaucoup plus légers avec un potentiel énergétique des fois jusqu’à 20 fois supérieur. Seulement, la proximité de tels dispositifs lors de leur fonctionnement avec les utilisateurs deviendrait un inconvénient si les polluants rejetés au cours de leur utilisation étaient en qualité et en quantité nocifs.

Classement des polluants

Il existe près de deux cents substances répertoriées comme espèces nocives pour l’environnement et l’air ambiant, en voici quelques unes :
– Les hydrocarbures aromatiques polycycliques, les aromatiques et les aliphatiques sélectionnés.
– Les hydrocarbures halogénés sélectionnés
– Divers composés organiques oxygénés
– Les métaux et composés métalliques
– Les hydrocarbures aromatiques polycycliques avec l’atome d’azote dans leur structure

Les produits de combustion font partie des espèces précédemment listées et ont été identifiés et classés pour certains par les protocoles de Kyoto (1997), Montréal (1987), Londres (1990) et de Copenhague (1992) parmi les gaz à effet de serre participant au réchauffement climatique, il s’agit de:
– le dioxyde de carbone, CO2
– le méthane, CH4
– le protoxyde d’azote, N2O
– les matières fines en suspension ou matières particulaires (PM10, PM2,5)
– le H2O stratosphérique
– l’ozone troposphérique et stratosphérique, O3
– les sulfates.

De même, certaines de ces espèces ont un effet extrêmement nocif sur la santé des humains comme les matières particulaires; les particules fines pénètrent en profondeur dans les poumons; elles peuvent être à l’origine d’inflammations et de l’aggravation de l’état de santé des personnes atteintes de maladies cardiaques et pulmonaires. De plus, elles peuvent transporter des composés cancérigènes adsorbés sur leur surface jusque dans les poumons. Actuellement, les particules en suspension (ou matières particulaires) et l’ozone constituent un risque sanitaire grave dans de nombreuses villes des pays développés et en développement. On peut établir une relation quantitative entre le niveau de pollution et certains critères sanitaires tels que la mortalité.

Influence de la combustion sur la formation des polluants

La combustion a une influence sur la formation aléatoire des polluants, aussi bien par le type de combustion (riche ou pauvre), que par la qualité de la combustion (complète ou incomplète); de même on peut prendre en compte l’action des parois du réacteur sur la formation des produits de combustion. En macro combustion les parois n’interviennent qu’indirectement dans la génération d’une flamme auto entretenue, cependant en micro combustion les parois sont partie prenante de la production d’une flamme stable et par conséquent constituent un critère à considérer dans l’analyse de la production des polluants.

Parois du réacteur et formation des polluants

Dans un micro réacteur, les parois jouent un rôle très important dans la mesure où elles permettent à la fois de stabiliser la flamme produite dans le micro réacteur en réchauffant les réactifs froids entrant et en même temps en favorisant leur auto ignition. D’un autre côté les parois peuvent être à l’origine de l’extinction totale ou partielle de la flamme, car les échanges de chaleur entre l’extérieur et l’intérieur du micro réacteur fonction du ratio surface/volume(S/V) sont la clé pour la production d’une micro flamme.

Le rôle prépondérant que jouent les parois du micro réacteur est aussi à l’origine de la production des polluants dans les fumées générées. D.G. Vlachos et al. montrent que les parois influencent la production des polluants[123]; elles peuvent altérer une combustion homogène; de même, une température élevée des parois favorise la formation des oxydes d’azote (NOx). Aussi montrent-ils que des parois froides à l’origine de l’extinction de la flamme peuvent figer les réactions chimiques vers la couche limite et par là même favoriser la formation des polluants.

Les matières particulaires

Elles sont caractérisées par des fumées noires émises par des dispositifs ayant une mauvaise combustion; on les retrouve dans des dispositifs qui fonctionnent avec une combustion riche tels que les moteurs diesel. Elles sont constituées des particules de suie, d’hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) ou d’aérosols de combustibles imbrûlés. La suie consiste en des particules carbonées produites par le processus de combustion en phase gazeuse, c’est la transition de l’état gazeux à une phase solide des fumées. Il s’agit d’un artefact de la combustion de diffusion; en combustion pré mélangée la suie ne peut se former à moins que le ratio équivalent ne soit compris entre 1,7-2,0. Les particules de suie se forment dans les zones extrêmement riches en combustible. Les molécules de combustible pyrolysent, se décomposent et forment alors des composés aromatiques polycycliques de masse moléculaire élevée. Ces derniers forment éventuellement des noyaux de particules de suie qui se développent et s’agglomèrent. Une fraction substantielle de la suie formée (plus de 90 à 95%) s’oxyde à l’intérieur de la chambre de combustion

• Le coke ou les cénosphères sont des particules carbonées formées par suite de la pyrolyse directe de combustibles hydrocarbonés liquides.
• Les matières particulaires (PM) sont constituées des particules qui peuvent être collectées sur les sondes de mesure ou des instruments tels que des filtres. Elles proviennent d’une variété de sources.

Conclusion Générale

Près de deux cents publications ont été produites depuis l’année 1999 à nos jours ayant trait à la micro combustion. Toutes ces publications abordent chacune un axe de recherche précis qui a permis de voir la réalisation des prototypes de micro réacteurs, les uns plus performants que les autres. L’intégration de ces prototypes dans des dispositifs pratiques réels se fait de plus en plus, particulièrement dans le pilotage des avions miniaturisés, les micros satellites, les micros moteurs et dans la micro production d’électricité centralisée. Il faudra probablement attendre encore quelques années pour leur intégration dans des dispositifs électroniques usuelles. Les problèmes solutionnés, ayant longtemps constitué un frein à la mise en œuvre de dispositifs de MPG sont, ceux de la réduction des dimensions d’entrée des réactifs, du choix d’une cinétique chimique appropriée, la gestion de l’énergie générée dans le micro réacteur, la conversion et l’utilisation de l’énergie, la recirculation des gaz, les pertes de chaleur aux parois et aussi la destruction des radicaux libres sur les parois du micro réacteur.

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Table des matières

Chapitre 1 – Introduction générale 
1.1. Définition du sujet
1.2. Intérêts du sujet
1.2.1. Intérêt énergétique
1.2.2. Intérêt scientifique
1.2.3. Intérêt technologique
1.2.4. Intérêt économique
1.2.5. Intérêt écologique
1.3. Proposition de recherche
1.3.1. Contexte de la thèse
1.3.2. Problématiques de la recherche en micro combustion
1.3.3. Problématique du sujet de notre thèse
1.3.4. Objectifs
1.3.5. Méthodologie
1.3.6. Originalité de la thèse
1.3.7. Impacts et retombées
1.4. Organisation de la thèse
Chapitre 2 – Revue de la littérature en micro combustion 
2.1 Introduction
2.2 De la macro combustion à la micro combustion
2.2.1 Problèmes généraux de la micro combustion
2.3 Stabilité de la combustion dans les microstructures
2.4 Transfert de chaleur à travers les parois d’un microréacteur
2.4.1 La combustion homogène en phase gazeuse
2.4.2 La combustion catalytique (hétérogène)
2.4.3 La micro combustion en milieux poreux
2.5 Caractérisation des micros flammes de combustion
2.5.1 Flammes pré mélangées
2.5.2 Flammes de diffusion
2.5.3 Le mélange combustible-comburant
2.6 Conclusion
Chapitre 3 – Contraintes de production d’énergie en micro combustion 
3.1 Introduction
3.2 Modélisation expérimentale et numérique de la micro combustion
3.3 Modélisation d’une micro flamme pré mélangée
3.3.1 Caractérisation d’une micro flamme pré mélangée
3.3.2 Résultats des simulations des travaux
3.3.3 Influence de la conductivité des parois
3.3.4 Influence du débit du mélange réactif sur la stabilité de la micro flamme
3.3.5 Influence des dimensions de la paroi du microréacteur
3.3.6 Influence du type de combustible sur la stabilité de la micro flamme de combustion
3.4 Modélisation de la micro combustion non pré mélangée
3.4.1 Modèle de micro réacteur pour une flamme non pré-mélangée
3.4.2 Modèle analytique utilisé
3.5 Amélioration des micros réacteurs
3.5.1 Micros réacteurs à inversion de circulation de chaleur
3.5.2 Micros réacteurs à recirculation de chaleur à contre-courant
3.5.3 Micro réacteur catalytique
3.5.4 Micro réacteur à chauffage des parois
3.6 Conversion et utilisation de l’énergie produite dans les micros réacteurs
3.6.1 Utilisation de la micro chambre de combustion dans la conversion d’énergie
3.6.2 Micro production d’énergie électrique par le procédé thermo photovoltaïque
3.6.3 Micro production d’énergie électrique par le procédé thermo électrique
3.6.4 Micro production d’énergie de propulsion
3.6.5 Micros moteurs
3.7 Conclusion
Chapitre 4 – Analyse des flammes en micro combustion
4.1 Introduction
4.2 Analyse d’une flamme laminaire
4.3 La combustion
4.3.1 Équations régissant les écoulements réactifs laminaires
4.3.2 Différents schémas de la cinétique chimique
4.3.3 Notion de stœchiométrie
4.4 Caractérisation des flammes laminaires
4.4.1 Caractérisation d’une flamme laminaire pré mélangée
4.4.2 Caractérisation d’une flamme de diffusion
4.5 Stabilisation des flammes
4.5.1 Vitesse de réaction, extinction
4.5.2 Stabilisation par auto inflammation
4.5.3 Stabilisation sur les lèvres du brûleur
4.5.4 Stabilisation par flamme triple
4.6 Étude comparative d’une micro flamme et d’une macro flamme
4.6.1 Modélisation des échanges de chaleur dans un micro réacteur
4.7 Conclusion
Chapitre 5 – Modélisation et simulation numérique d’une micro flamme de pré mélange méthane/air
5.1 Introduction
5.2 Simulation numérique d’une flamme de pré mélange méthane/oxygène
à l’aide du logiciel Comsol 4.2a : Modèle du poster scientifique présenté à la Conférence d’Amsterdam
5.2.1 Introduction
5.2.2 Modèle et simulation
5.2.3 Résultats et discussion
5.2.4 Conclusion partielle
5.3 Effets du choix d’un modèle de cinétique chimique simplifiée à une équation globale sur la stabilité d’une micro flamme de pré mélange méthane/air
5.3.1 Introduction
5.3.2 Méthode
5.3.3 Résultats et discussion
5.4 Conclusion
Chapitre 6 – Modélisation et simulation numérique de la production des polluants en micro combustion
6.1 Introduction
6.2 La formation des polluants dans une chambre de combustion
6.2.1 Classement des polluants
6.2.2 Influence de la combustion sur la formation des polluants
6.2.3 Caractérisation des polluants
6.3 La pollution en micro et nano combustion
6.4 Évaluation numérique des polluants dans une micro flamme de pré mélange méthane/air
6.4.1 Méthodologie
6.4.2 Résultats et discussion
6.5 Conclusion
Chapitre 7 – Optimisation des dimensions d’un micro réacteur : de la micro combustion vers la nano combustion
7.1 Introduction
7.2 Réduction de dimension d’entrée des réactifs; effets sur la micro flamme
7.3 Méthodologie
7.3.1 Cinétique chimique
7.3.2 Modèle numérique
7.4 Résultats et discussion
7.4.1 Influence de l’épaisseur des parois sur la zone de réaction
7.4.2 Simulation de la nano flamme à l’aide de Comsol 4.2a
7.4.3 Nano matériaux, nano fluide et nano combustion
7.5 Conclusion
Chapitre 8 – Conclusion Générale

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