[PDF] Dépoussiérage Electrostatique pour Les Particules Submicroniques

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UNIVERSITE JOSEPH FOURIER - GRENOBLE 1

THESE

Pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L'UNIVERSITE JOSEPH FOURIER

Discipline :

Energétique physique

présentée et soutenue publiquement par

Hailong PANG

Le 18 Décembre 2006

Directeurs de Thèse :

Pierre ATTEN

Jean-Luc REBOUD

JURY :

M. Antonio CASTELLANOS Rapporteur

M. Lucian DASCALESCU Rapporteur

M. Pierre ATTEN Examinateur

M. Jean-Pascal BORRA Examinateur

M. Jean-Pierre KERADEC Examinateur

M. Jean-Luc REBOUD Examinateur

DEPOUSSIERAGE ELECTROSTATIQUE POUR LES PARTICULES

SUBMICRONIQUES EN ATMOSPHERE USUELLE (TERRE) ET

RAREFIEE

A mes parents...

v R

Reemmeerrcciieemmeennttss

Ce travail s'est déroulé au Laboratoire d'Electrostatique et de Matériaux Diélectriques de Grenoble, laboratoire mixte du CNRS et de l'Université Joseph Fourier (UJF). Ce document est l'aboutissement de trois ans de travail qui m'ont profondément marqué et formé

à la recherche scientifique.

Je tiens à exprimer mes remerciements à tous ceux avec qui j'ai eu la chance de travailler depuis plus de trois années et, en particulier, à : Monsieur Olivier LESAINT, directeur du LEMD, qui m'a accueilli au sein de son laboratoire ; Madame Nelly BONIFACI chargée de recherche au CNRS qui m'a conseillé et m'a fait profiter de ses dispositifs expérimentaux. Messieurs François MONTANVERT, Jean Pierre BAROUX et Christophe POLLET

techniciens du LEMD qui m'ont aidé dans la réalisation des différents dispositifs pilotes...

C'est avec une sincère reconnaissance que j'adresse tous mes remerciements à mes directeurs de thèse, Messieurs Pierre ATTEN, Directeur de Recherches au CNRS et Jean-Luc REBOUD Professeur à l'UJF. Je remercie Monsieur Pierre ATTEN pour ses conseils judicieux qu'il n'a cessé de me prodiguer avec beaucoup de patience et le soutien moral dont

j'ai toujours bénéficié auprès de lui. Sa compétence scientifique et ses encouragements m'ont

été très utiles tout au long de ce travail. Je tiens à remercier aussi tous les membres du LEMD que je ne cite pas mais à qui je pense, chercheurs, techniciens, secrétaires..., les uns pour leurs conseils et leur savoir-faire,

les autres pour leur présence de tous les jours ; merci de votre amitié et de votre gentillesse.

Je ne peux évidemment pas oublier ma tante et sa famille qui a dû apporter ses encouragements pendant trois ans de travail... vii

Résumé

Ce travail concerne la manipulation de particules submicroniques au-dessus de panneaux

solaires par les dépoussiéreurs électrostatiques et par les rideaux électriques à onde

stationnaire en atmosphère usuelle (Terre) et raréfiée (Planète Mars) ainsi que l'étude de

l'influence de la turbulence sur l'efficacité de collecte de la poussière dans les électrofiltres. A

partir de la détermination des caractéristiques des décharges électriques dans l'air et dans le

gaz carbonique à pressions variées, un dépoussiéreur électrostatique particulier est conçu et

réalisé pour être utilisé dans les conditions de l'atmosphère de Mars et protéger les panneaux

solaires du dépôt de poussière. Une autre technique, celles des rideaux électriques à onde

stationnaire, est étudiée en vue d'enlever les couches de poussière déposées. Il est montré que

ce sont des décharges à barrière diélectrique qui permettent de charger et de soulever les

particules qui sont ensuite éjectées de la zone soumise au champ électrique. Ces deux techniques pourraient augmenter substantiellement la durée de vie des panneaux solaires sur Mars dans les conditions idéales en atmosphère calme. Mais en présence de vents ou de

tempêtes leur efficacité paraît très limitée. Les expériences sur l'influence de la turbulence de

l'écoulement gazeux dans les électrofiltres ont confirmé que la collecte des poussières diminue quand le taux de turbulence augmente. Le résultat le plus original obtenu en étudiant l'influence de la concentration en particules du gaz empoussiéré porte sur l'origine de la

turbulence dans les électrofiltres qui est due principalement à l'action de la force de Coulomb

sur les fines particules chargées dont la vitesse de migration sous l'effet du champ est faible.

Abstract This work concerns the handling of submicron particles above solar panels using electrostatic

precipitators and standing-wave electric curtains in usual atmosphere (Earth) and rarefied atmosphere (Mars) as well as the study of the influence of turbulence on the collection efficiency of dust in electrostatic precipitators. From the determination of electric discharges characteristics in air and carbon dioxide under various pressures, a particular electrostatic precipitator is designed and built up to be used under the conditions of Mars atmosphere in order to hinder or reduce the dust deposition on the solar panels. Another technique, based on standing-wave electric curtains, is studied in order to remove the deposited dust layers. It is shown here that, indeed, dielectric barrier discharges exist which make it possible to charge and to lift the particles that then escape from the zone subjected to the electric field. These two techniques should substantially increase the life-time of solar panels on Mars under the ideal conditions of calm atmosphere. But in the presence of winds or storms their efficiency appears to be very limited. Experiments on the influence of turbulence of the gas flow in the electrostatic precipitators confirmed that the dust collection decreases when the rate of turbulence is increased. The most original result obtained through the study of the influence of particles concentration of dusty gas deals with the origin of turbulence in electrostatic precipitators : turbulence is mainly due to the action of the Coulomb force on the space charge associated with the fine particles whose drift velocity under the effect of the field is low. ix

Nomenclature

Notations

C c

Facteur de Cunningham

c m nombre/m 3

Concentration moyenne de particules

c n nombre/m 3

Concentration de particules

d m distance inter-électrodes D m Diamètre du tube D g m 3 /s Débit volumique du gaz d p m Diamètre de particule (poussière) D t m 2 /s Diffusivité turbulente e C Charge élémentaire d'un électron (1,60210 -19 C) E

V/m Champ électrique

F DEP

N Force diélectrophorétique

F e

N Force électrique (Coulomb)

F f

N Force de frottement visqueux

f n

Fraction des particules

F VdW

N Force de Van der Waals

g m/s 2

Accélération de la gravité

I

A Intensité du courant

i A/m Courant de décharge par unité de longueur d'électrode émissive I mesure

A Intensité du courant de mesure

I réf

A Intensité du courant de référence

K B

Constante de Boltzmann (1,38110

-23 J/K) K E

N·m

2 /C 2

Constante électrostatique (9×10

9

N·m

2 /C 2 K EHD m 2 /V·s Mobilité électrohydrodynamique (EHD) K i m 2 /V·s Mobilité des ions Kn

Nombre de Kundsen

K p m 2 /V·s Mobilité de particule L m Longueur des électrodes de collecte m kg Masse moléculaire x M Rapport de la mobilité EHD sur la mobilité électrique m i kg Masse d'ions m p kg Masse de la particule n

Nombre de charge

n e Concentration des particules à l'entrée d'électrofiltre N EHD

Nombre électrohydrodynamique

n i m -3

Concentration des ions par m

3 n s Concentration des particules à la sortie d'électrofiltre p

Pa Pression

Pe

Nombre de Peclet

q

C Charge électrique de la particule

q s

C Charge électrique de saturation

r m Rayon de particules (sphère) R J/K·mol Constante universelle des gaz parfait (8,314 J/K·mol) R cylindre m Rayon du cylindre collecteur Re

Nombre de Reynolds

r fil m Rayon du fil ionisant S m 2

Surface des électrodes de collecte

t

°C Température

T

K Température

t c s Temps de charge U g m/s Vitesse moyenne du flux gazeux V

V Potentiel ou tension appliqué

V a

V Tension d'amorçage

V appl

V Tension appliqué

V c V Tension de claquage sur l'électrode ionisante V d

V Tension de décharge

V DBD V Tension de décharge à barrière diélectrique v m/s Vitesse d'agitation thermique moyenne de molécule du gaz V s

V Tension seuil sur l'électrode ionisante

w E m/s Vitesse de migration des particules wquotesdbs_dbs11.pdfusesText_17

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