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Projet de Physique P6

STPI/P6/2018 - #18

Une représentation simplifiée d'une flamme de four industriel verrier

Étudiants :

Dylan Casey

Julie-Marie Teurnier

Romain Cizeau

Vivien Ramage

Simona Marcovanu

Inès Tarhini

Enseignant-responsable du projet :

David HONORÉ

2

Date de remise du rapport : 18/06/2018

Référence du projet : STPI/P6/2018 - #18

Intitulé du projet : Une représentation simplifiée d'une flamme de four industriel verrier Type de projet : Bibliographie, modélisation physico-chimique

Objectifs du projet : L'objectif de ce projet est d'arriver à représenter de façon simplifiée une

flamme de four industriel verrier, et ce en faisant une modélisation de cette flamme qui prend en

compte divers facteurs tels que le diamètre de l'injecteur, la nature du gaz injecté ou encore la

géométrie du four. Il faut donc arriver à faire une comparaison des différents résultats obtenus

avec la modélisation lorsqu'on fait varier tous ces facteurs. Mots-clefs du projet : Jet turbulent, Gaz, Four, Brûleur 3

Table des matières

Remerciements ................................................................................................................................ 6

I. Introduction ................................................................................................................................... 7

II. Méthodologie / Organisation du travail ......................................................................................... 8

II.1) Diagramme de Gantt ............................................................................................................. 8

II.2) Répartition des tâches ........................................................................................................... 8

III. Travail réalisé et résultats ............................................................................................................ 9

III.1) Recherches, études, documentation, description ................................................................. 9

III.1.1) Étude de la géométrie des Fours verriers ...................................................................... 9

III.1.1) a) Présentation globale d'un four industriel verrier et d'un brûleur ............................. 9

III.1.1) b) Distinction entre Four régénératif et Four récupératif ............................................. 9

III.1.1) c) Distinction entre Fours à brûleurs latéraux et Fours à boucle .............................. 10

III.1.1) d) Brûleur Double Impulsion Gaz ............................................................................. 11

III.1.2) Etude du combustible et développement d'un outil polyvalent. .................................... 11

III.1.3) a) Combustion traditionnelle à l'air ........................................................................... 12

III.1.3) b) Combustion à l'air enrichi .................................................................................... 12

III.1.3) c) Oxy-combustion ................................................................................................... 12

III.1.4) Modélisation du champ de vitesses du jet turbulent confiné ........................................ 13

III.2) Résultats de l'étude ............................................................................................................ 16

III.2.1) Modélisation d'une flamme de brûleur simple .................................................................. 16

III.2.2) Modélisation d'une flamme de brûleur Double Impulsion Gaz ......................................... 17

III.2.2) a) Modélisation simplifiée du brûleur Double Impulsion Gaz .................................... 17

III.2.2) b) Exploitation des résultats : ................................................................................... 18

IV. Conclusions et perspectives ...................................................................................................... 20

IV.1) Apports personnels ............................................................................................................. 20

IV.1.1) Vivien .............................................................................................................................. 20

IV.1.2) Inès ......................................................................................................................... 20

IV.1.3) Simona ............................................................................................................................ 21

IV.1.4) Julie-Marie ....................................................................................................................... 21

IV.1.5) Dylan ............................................................................................................................... 21

IV.1.6) Romain ............................................................................................................................ 21

IV.2) Conclusion générale sur le travail réalisé et perspectives .................................................. 22

V. Bibliographie .............................................................................................................................. 23

VI. Annexes .................................................................................................................................... 24

VI.1) Calculs caractéristiques sur le méthane (Julie-Marie & Dylan) ........................................... 24

4

Remerciements

Avant de débuter ce rapport, nous tenons à remercier notre enseignant responsable du projet, David Honoré, pour son partage de connaissances et ses précieux conseils pendant toute

la période du projet. Nous voulons également témoigner notre gratitude pour son soutien et sa

patience qui nous ont permis de mener ce projet à bon port. 5

I. Introduction

Dans le cadre de notre dernier semestre de cycle préparatoire à l'INSA de Rouen, nous avons nous avons été amenés à travailler en groupe sur un Projet Physique. Notre projet portait sur la représentation simplifiée d'une flamme de four industriel verrier.

Nous nous sommes pour cela intéressés à l'étude du jet turbulent à la sortie de l'injecteur

de gaz à l'intérieur du four. Pour arriver à le modéliser correctement, nous avons dû étudier

l'impact de différents facteurs sur le jet, tels que le diamètre de l'injecteur, la composition des gaz

injectés, la géométrie des fours, etc. Dans une première partie, nous allons décrire le déroulement du projet durant ce semestre au niveau de la méthodologie et de la répartition des tâches au sein du groupe. Dans la deuxième partie du rapport, nous allons donc essayer de répondre à la question de

l'impact en décrivant les résultats de nos études (réalisées en binôme) pour en faire une synthèse.

6

II. Méthodologie / Organisation du travail

II.1) Diagramme de Gantt

Afin de répartir au mieux le travail à accomplir, nous avons réalisé le diagramme de Gantt

suivant : II.2)

Répartition des tâches

Pour commencer le partage du travail, nous avons commencé à faire des recherches sur

les divers points à traiter. Les éléments que nous trouvions en premier nous étaient attribués par la

suite.

Les colonnes du diagramme précédent représentent la répartition des tâches originales ;

cependant, certaines tâches demandant plus de temps que prévu, les tâches ont été ré-

attribuées, et certaines n'ont pas pu être réalisées : -Romain et Vivien ont pris en charge les parties en bleu ; -Dylan et Julie-Marie les parties en violet ; -Inès et Simona les parties en jaune ; -Les parties en vert ont été réalisées en commun ;

-Les parties en rouge représentent la dernière étude réalisée, qui a menée aux résultats

que nous vous présentons ici ; -Les parties en blanc sont celles n'ayant pas pu être traitées. 7

III. Travail réalisé et résultats

III.1) Recherches, études, documentation, description III.1.1) Étude de la géométrie des Fours verriers III.1.1) a) Présentation globale d'un four industriel verrier et d'un brûleur Le verre possède de nombreuses applications, des simples vitres aux vitrocéramiques et à

la fibre optique, en passant par les ampoules et récipients en verres. Cette large diversité oblige

alors les industriels à adapter leurs fours et leurs caractéristiques en fonction du type de

production souhaitée. Certaines de ces dernières seront détaillées un peu plus loin dans ce

rapport. Néanmoins, l'idée générale d'un four verrier reste sensiblement la même, c'est-à-

dire, dans la plupart des cas, un flot de matière circulant dans une enceinte et devant être porté à

très haute température. Pour cela, on chauffe le milieu au moyen d'une grande flamme, générée à

partie d'un brûleur. Un brûleur peut être schématisé par un injecteur central, dans lequel est envoyé le combustible, entouré d'un injecteur annulaire, duquel est expulsé le comburant (voir image ci- contre).

Illustration 2: Schéma d'un brûleur à gaz llustration 1:Four verrier et flamme de brûleur

III.1.1) b) Distinction entre Four régénératif et Four récupératif Ces deux types de fours fonctionnent sur un système de récupération de la chaleur des gaz de combustion afin de préchauffer le comburant d'entrée, en général de l'air.

Le four régénératif présente des chambres de combustion réparties de part et d'autre du

four, qui contiennent un matériau réfractaire qui absorbe la chaleur, et son fonctionnement est

cyclique. Pendant qu'une partie des chambres est chauffée par les gaz d'échappement provenant

du processus de combustion, l'autre préchauffe l'air de combustion entrant. Les brûleurs atteignent

ainsi une température élevée, qui peut varier entre 1200 et 1400° C.1 Au bout de 20 à 30 minutes, le cycle du four est inversé, et l'air de combustion passe à

travers les chambres chauffées au préalable par les gaz d'échappement. 30 à 60 secondes sont

nécessaires pour l'inversion de brûleur. Cette durée se doit d'être la plus courte possible, afin

d'éviter un trop fort refroidissement du four. 2

Le four récupératif fonctionne sur un système de préchauffage de l'air introduit par les gaz

d'échappement, à l'aide d'un échangeur de chaleur, installé à l'intérieur du brûleur.

Les gaz d'échappement de la combustion y échangent leur chaleur avec l'air d'entrée, via

une paroi métallique, avant de monter dans une cheminée d'évacuation. La température de l'air

1 http://ietd.iipnetwork.org/content/regenerative-furnaces

2 https://www.lehigh.edu/imi/teched/GlassProcess/Lectures/Lecture03_Hubert_industglassmeltfurnaces.pdf

8

préchauffé atteint 750°C avec cette technique. 3 Cette température est plus faible que la

température précédente, qui concernait le four régénératif, cependant ce dernier nécessitait une

inversion de cycle et davantage de maintenance. Le four récupératif est donc moins coûteux que

le four régénératif, mais aussi moins efficace.

Illustration 4: Schéma d'un four régénératif Illustration 3: Schéma d'un four récupératif

L'avantages de ces deux types de fours réside dans leur faculté à hautement préchauffer le comburant d'entrée, rendant ainsi le processus de combustion très efficace. III.1.1) c) Distinction entre Fours à brûleurs latéraux et Fours à boucle

On distingue les fours à boucle des fours à brûleurs latéraux par la position des brûleurs

dans le four :

Pour un four à brûleurs latéraux, 4 et 8 brûleurs peuvent être disposés le long du four, tout

comme les chambres de combustion. La température de préchauffage de l'air est généralement de

l'ordre de 1200 - 1400 ºC. Les fours à brûleurs latéraux sont notamment utilisés pour fabriquer du

verre flotté, de la vaisselle, du verre pour l'éclairage ou de la fibre de verre, et sont généralement

de grande taille.4 Illustration 5: Four à bûleurs latérauxIllustration 6: Four à boucle Dans un four à boucle, les chambres de combustion sont adjacentes, situées à une extrémité du four, chacune avec un seul orifice. La trajectoire des gaz dans le four prend une forme en U, d'où l'idée de " boucle » dans le four. La flamme émanant du brûleur peut pratiquement s'étendre sur la totalité du four. Le gaz de combustion peut rester plus longtemps dans le four, augmentant son rendement de 10%.5

Le four à boucle est donc plus rentable que le four à brûleurs latéraux, et plus économe

en énergie. Il est principalement utilisé pour fabriquer de la vaisselle et des récipients en verre et

est davantage adapté aux fours de taille modérée. 6

3 https://www.bdfindustriesgroup.com/products/melting-furnace-rigenerative-recuperative-furnace/4 http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/GLS_Adopted_03_2012.pdf

5 http://ietd.iipnetwork.org/content/end-fired-furnaces

9

III.1.1) d) Brûleur Double Impulsion Gaz

Les brûleurs Double Impulsion Gaz (DIG) se distinguent des brûleurs classiques par le fait

qu'ils utilisent des jets coaxiaux afin d'obtenir une meilleure précision. En effet, Le DIG comprend

deux arrivées concentriques de gaz combustible : une arrivée haute pression, au niveau du conduit central, caractérisé par un fort débit et une arrivée basse pression, au niveau du conduit annulaire, caractérisé par un débit plus faible. Le débit d'injection peut être modifié à l'aide d'une valve, installée sur le brûleur, et un manomètre permet de faire varier la pression dans les injecteurs. En répartissant le gaz en quantités différentes dans les deux conduits, on peut alors réguler les impulsions des jets. La force du brûleur peut ainsi être commandée, permettant de faire varier la longueur de flamme jusqu'à 30% sans même changer le bec du brûleur.7 Illustration 7: Extrémité d'un brûleur DIG III.1.2) Etude du combustible et développement d'un outil polyvalent. Dans un premier temps, nous avons cherché des informations sur les différents gaz. Les

caractéristiques de ces éléments pris en compte dans nos calculs sont le PCI (Pouvoir Calorifique

Inférieur) - qui symbolise la quantité de chaleur dégagée lors de la combustion du dit matériau en

supposant l'absence d'eau condensée et donc en excluant la possible chaleur récupérée dans les

vapeurs - et la masse molaire du gaz (en g/mol).

Ensuite, à l'aide de ces deux données, nous avons développé un outil polyvalent de calcul

des caractéristiques d'un gaz pour des caractéristiques de four données. Ainsi, à partir de la

puissance de four voulue ainsi que des caractéristiques de l'injecteur ou encore des conditions de

pression et de température à l'intérieur du four, il nous a été possible de calculer diverses

caractéristiques importantes du gaz, telles que le pouvoir comburivore (en considérant l'air comme

comburant), les pouvoirs fumigènes secs et humides ou encore la vitesse d'injection nécessaire en

gaz et en air afin d'obtenir les caractéristiques de four attendues. Il est aussi possible de faire

varier le facteur d'air, c'est-à-dire la proportion d'air dans le gaz.

Ces calculs ont tout d'abord été effectués en utilisant du méthane pur comme combustible,

dont l'équation de combustion est la suivante :CH4+2O2→CO2+2H2OEn considérant l'air comme comburant et non l'O2 pur, l'équation se transforme comme

suit :

CH4+2(O2+79

21N2)→CO2+2H2O+279

21N2Enfin, avec considération du facteur d'air λ, on obtient l'équation suivante :

CH4+2λ(O2+79

21N2)→CO2+2H2O+2λ79

21N2+2(λ-1)O2Le détail contenant tous les calculs effectués sur le méthane est à retrouver en annexe.

Le même raisonnement a ensuite été appliqué à d'autres gaz combustibles tels que le H2

ou le CO, qui possèdent les équations de combustion suivantes :

2CO+O2→2CO2

2H2+O2→2H2OPour finir, le raisonnement a été étendu à des mélanges de gaz, contenant les gaz suivants

: CH4 ; CO ; H2 ; N2 ; CO2

7 http://www.directindustry.fr/prod/eclipse/product-21978-873847.html#product-item_452933

10 Au final, l'outil suivant, sous forme de tableur a été obtenu. Exemple d'utilisation du tableur de calcul des caractéristiques du combustible A l'aide de cet outil, diverses comparaisons entre les combustibles ont pu être effectuées.

En faisant varier la proportion de chaque gaz dans le mélange, nous avons pu arriver à diverses

conclusions. Nous avons en effet remarqué que le méthane pur semble être le meilleur

combustible en terme d'efficacité pure. De plus, plus l'on s'éloigne de ce gaz, moins bon sera le

combustible, et donc plus une vitesse d'injection élevée sera nécessaire. Le N2 et le CO2 ont tout

deux une influence purement négative, du fait qu'il s'agisse de gaz inertes. Enfin, un gaz pur fera

généralement un meilleur combustible. III.1.3) Etude de l'impact du Comburant sur la formation d'une flamme Une flamme peut être obtenue en faisant réagir un combustible, tel du méthane, avec du comburant, tel l'air, selon la relation de combustionCH4+2O2↔ CO2+2H2O

Or, en fonction de la quantité de comburant introduite, et plus précisément selon la quantité

d'oxygène introduit, la longueur de la flamme peut varier. Nous allons donc étudier dans cette partie 3 cas de combustions distincts afin de déterminer l'impact du comburant sur la flamme.

III.1.3) a) Combustion traditionnelle à l'air

La combustion à l'air est la méthode la plus simple et d'obtenir une flamme. Les

hydrocarbures (carbone et hydrogène) réagissent avec l'oxygène contenu dans l'air pour former du

dioxyde de carbone et de l'eau, et une flamme est produite. Cependant, une partie de l'énergie produite est perdue, car le diazote (N2) de l'air n'entre pas en jeu dans la formation de la flamme. De plus, les hydrocarbures réagissent partiellement avec le diazote, pour former des oxydes d'azotes ( NOx) malheureusement toxiques. L'azote représentant plus de 70 % des produits de la combustion avec l'air, il est préférable de limiter sa proportion lors de la combustion.8

III.1.3) b) Combustion à l'air enrichi

Afin de diminuer les émissions de

NOxtout en augmentant le rendement de la réaction, la

proportion d'oxygène de l'air peut être élevée : c'est ce que l'on appelle l'enrichissement en air.

Cela permet une augmentation de la température de flamme et une diminution de la proportion d'azote dans le comburant. La formation de

NOxva aussi s'en trouver réduite.

III.1.3) c) Oxy-combustion

Dans le cas d'une oxy-combustion, le comburant est constitué uniquement d'oxygène. Cela permet ainsi d'éviter toute formation de

NOxet d'augmenter le rendement thermique.

Des brûleurs ont été développés afin d'appliquer l'oxy-combustion ; la société ©Oxypyr a

8 Abou BÂ, OXYCOMBUSTION AVEC PRECHAUFFAGE DES REACTIFS POUR LA VALORISATION DES GAZ A BAS POUVOIR

CALORIFIQUE, http://www.coria.fr/spip.php?action=dw2_out&id=1189 11 ainsi conçu des brûleurs oxygaz, de puissance variant de 50 kW à 5 MW. 9 La consommation de

combustible et les émissions de CO2ont ainsi été considérablement réduites, jusqu'à 50%, tout

comme la production de NOx. Le rendement du four est ainsi multiplié par 2 grâce à la mise en place de tels brûleurs. ©Oxypyr a d'ailleurs installé en Chine deux brûleurs Oxypyr de type F (3MW), dont la flamme est ajustable en changeant manuellement la buse de gaz. L'installation de ces brûleurs a ainsi permis de réduire la durée du processus de fusion du verre, de 25 à 23 heures. 10 III.1.4) Modélisation du champ de vitesses du jet turbulent confiné Nous avions comme objectif la modélisation d'un jet turbulent libre et pour cela, nous

devions modéliser le champ de vitesses du gaz dans l'air. Dans notre étude, nous voulions arriver

à trouver la hauteur à partir de laquelle le gaz suffisait et on pouvait brûler tout le gaz, et nous

voulions être capable de calculer la vitesse en tout point pour des paramètres donnés. Tout d'abord, nous avions modélisé la vitesse d'un jet de gaz dans une atmosphère

constituée du même gaz, puis pour modéliser la flamme nous avons modifié notre modélisation à

celle d'un jet de gaz combustible (comme le méthane) qui se développait dans de l'air

atmosphérique. Grâce aux explications de notre professeur, nous avons compris que pour un jet, il y avait

échange de quantité de matière entre les bords du jet et son extérieur et que ces interactions

créent des sortes de "tourbillons» qui entraînent l'air qui est autour; il y a mélange entre le jet et

son environnement et en terme de combustion, il y a échange entre le gaz et l'air. Dans notre représentation simplifiée du jet turbulent (turbulent pour dire qu'il y a beaucoup

d'échange avec son extérieur), nous considérons ce dernier comme un cône se propageant, et

nous voulions représenter la vitesse du jet en tout point donc pour une hauteur zet une position rdonnée : Pour l'évolution de la vitesse, au début la variation de la vitesse se fait sur les bords mais

après les échanges deviennent de plus en plus larges et la vitesse à gauche et à droite diminue.

Jusqu'à une certaine hauteur la vitesse initiale

U0au centre reste constante puis après cette

hauteur le jet s'étend et même au milieu la vitesse diminue. Cette hauteur correspond au cône

potentiel, dont la longueur est donnée par Lcp=6,25×D0, avec D0le diamètre de l'injecteur.

Donc, à

r=0la vitesse est égale à U0tant qu'on est dans le cône potentiel et à partir de Lcp, le centre interagit avec l'environnement. La vitesse à (r=0)est donnée par la formule:

U(z,r=0)=U0×kz×(D0

z), avec kz=6,259 https://www.messergroup.com/minerals/cement/messer-hardware?inheritRedirect=true#anchor6

12 Ensuite, l'évolution de la vitesse à une position (r,z)donnée correspond à la formule suivante:

U(z,r)=U(z,r=0)×e-kr(r

z)² =(U0×kz)×D0 z×e-kr(r

z)², avec kr=2×kz²=78,125Tout d'abord, nous avions commencé par travailler sur un tableur (LibreOffice Calc) afin de

construire une matrice qui, pour une position (r,z)donnée, donnait la vitesse du gaz correspondante, obtenue avec la formule de la vitesse globale. Nous avions réussi à construire notre matrice sur tableur, mais nous nous sommes vite rendues compte que ce n'était pas la meilleure option pour modéliser notre champ de vitesses graphiquement.

Après quelques recherches nous avons décidé d'effectuer notre modélisation en

programmant les équations de la vitesse sur Matlab, même si nous n'avions pas utilisé ce logiciel

auparavant. A l'aide de nos recherches sur internet et avec l'aide de notre encadrant nous sommes parvenues à modéliser notre jet turbulent libre, notre programme sur Matlab permettait de

représenter le champ de vitesses de notre jet, et prenait comme données le diamètre de l'injecteur,

la vitesse et la masse volumique du gaz combustible. Le champ de vitesses était donc modifié si

l'on modifiait l'une de ces valeurs, le but étant de les faire varier afin de pouvoir effectuer plusieurs

modélisations et les comparer entre elles pour pouvoir représenter l'impact de ces différents

facteurs sur la flamme. Cependant, afin de modéliser ce champ de vitesses pour un jet dans une

atmosphère constitué d'un autre gaz, nous devions apporter une légère modification de notre

équation de vitesse globale, qui prenait désormais en coefficient les masses volumiques du gaz combustible (le méthane par exemple) R0et celle de l'air, Ra. La formule de la vitesse devenait alors :

U(z,r)=U(z,r=0)×e-kr(r

z)² =(U0×kz)×D0 z×e-kr(r z)² RaEnfin, afin de modéliser la concentration de gaz combustible dans l'air il fallait modifier dans nos calculs la valeur de notre constante kxqui devenait 5 pour la concentration au lieu de

6,25 pour la vitesse. Nos calculs prenaient également en compte la concentration du gaz

combustible dans un mélange gaz combustible/air à la stoechiométrie. En effet, on obtenait à quel

pourcentage du gaz étudié dans le jet on arrivait à tout brûler, ce pourcentage étant égal à

1 1+Va, 13

avec Vale pouvoir comburivore du gaz étudié, fourni par Julie-Marie et Dylan. Par exemple, pour le

méthane pur le pouvoir comburivore étant de 9.52, on obtenait qu'à un pourcentage de 10% de

méthane tout le gaz était brûlé; afin de trouver la longueur de flamme et donc la hauteur à laquelle

tout le gaz est brûlé, il suffisait de chercher cette valeur de pourcentage de gaz dans le jet dans le

champ de concentrations obtenu sur Matlab, ce dernier obtenu en utilisant la formule suivante :

U(z,r)=U(z,r=0)×e-50(r

z)² =(U0×5)×D0 z×e-50(r z)² RaNous avons obtenu à partir de cette formule et avec la fonction contour sur Matlab avec laquelle on pouvait tracer des lignes de niveau correspondant à la concentration du gaz combustible dans le jet, une modélisation de la concentration du gaz combustible qui donnait la

forme de la flamme et qui nous permettait donc d'obtenir la hauteur à laquelle tout le gaz a été

brûlé comme on peut le voir :

Modélisation effectuée pour du méthane pur avec R0=0.29 (masse volumique méthane pur), U0=100m/s et D0=10 mm

Il suffit donc de changer ces valeurs de vitesse initiale à la sortie de l'injecteur et de la

masse volumique (qui dépend donc du gaz choisi), ainsi que la valeur du diamètre de l'injecteur

dans notre programme sur Matlab pour effectuer plusieurs modélisations et les comparer entre elles.

III.2) Résultats de l'étude

III.2.1) Modélisation d'une flamme de brûleur simple A l'aide du programme sur Matlab donnant le champ de concentrations du jet, nous avons

effectué pour un brûleur simple (et donc une répartition R=1) et un même diamètre D0=10mm, une

comparaison entre une longueur de flamme pour du méthane pur et celle obtenue pour un mélange de gaz contenant 70% de méthane CH4 et 30% de CO2. Comme nous pouvons le voir, la longueur de flamme est bien supérieure pour du méthane pur (499mm) que pour le mélange

(383mm) ce qui est logique: plus la concentration de méthane dans le jet est élevée, plus le jet

brûle mieux. 14

Modélisation du champ de concentrations pour du méthane pur avec un brûleur simple et un diamètre d'injecteur de

10mm

Modélisation du champ de concentrations pour un mélange (méthane 70%, CO2 30% avec un brûleur simple et un

diamètre d'injecteur de 10mm) Nous avons également modélisé le champ de concentrations pour le gaz de composition CH4 15%, CO2 30%, CO 30%, H2 20% et N2 1% mais la présence forte de CO2 et CO entraîne

un fort débit massique de gaz, d'où le fait que D1 doive être augmenté pour avoir des valeurs de

vitesses cohérentes. III.2.2) Modélisation d'une flamme de brûleur Double Impulsion Gaz III.2.2) a) Modélisation simplifiée du brûleur Double Impulsion Gaz

Nous avons cherché, dans le cadre de notre projet, à modéliser un brûleur de type DIG par

un brûleur à jet simple. Ainsi nous pourrions obtenir une équation de la flamme associée à un tel

brûleur. Afin d'obtenir l'équation de la flamme, on va utiliser les expressions de différents débits (massiques et volumique) définis ci-dessous: · est le débit volumique à pression et volumes constants en , avec P la puissance du four en kW et PCI le pouvoir calorifique inférieur du gaz en . 15

· est le débit massique en g.s-1

On note R la répartition du gaz dans le brûleur DIG, tel que:

· représente la fraction de gaz présente dans l'injecteur 1 central (de diamètre <)

· (1-) représente la fraction du gaz présente dans l'injecteur 2 annulaire (de diamètre )

Ainsi, on peut exprimer et les débits massiques respectifs des injecteurs 1 et 2, en fonction du débit massique équivalent d'un injecteur de brûleur simple.

On a , et

Les vitesses des deux gaz de chaque injecteur sont notées U1 et U2.

De manière générale, (1)

On a donc et

On peut noter les impulsions G1 et G2 liées à chaque injecteur tel que : et En posant , avec l'impulsion équivalente d'un brûleur simple, on peut alors

obtenir la vitesse équivalente d'un combustible injecté par un brûleur simple. En effet, bien

que cette impulsion varie en fonction de la répartition du gaz, l'exprimer en fonction de R nous permet de déterminer les vitesses associées aux combustible.

On trouve et donc, en simplifiant par ,

En remplaçant et par leurs valeurs on détermine alors :

La longueur de la flamme associée dépend principalement de la vitesse du combustible introduit,

du diamètre de l'injecteur, et de l'impulsion et de la concentration associées à la flamme. Afin de

déterminer cette longueur, on va chercher exprimer le diamètre équivalent du brûleur DIG en

fonction de la répartition R. On a d'après (1). En remplaçant par sa valeur précédemment obtenue on obtient :

On peut alors, à l'aide du diamètre équivalent et de la concentration à la stoechiométrie,

obtenir la longueur de la flamme. En effet, la concentration à la stoechiométrie nous donne la position dans le four de la zone de combustion optimale et donc la position de la flamme. (Avec

L'intérêt principal du four Double Impulsion Gaz réside dans sa flexibilité. En effet, ce type de

brûleur nous permet de faire varier la proportion de combustible dans l'injecteur central et annulaire, et donc de modifier la vitesse du gaz, sans pour autant changer le diamètre de 16

l'injecteur. Avec un brûleur simple, il aurait été impossible de faire varier la vitesse avec une

méthode similaire ; il faudrait forcément changer le diamètre de l'injecteur.

III.2.2) b) Exploitation des résultats :

Dans cette partie, le combustible utilisé correspond à du méthane pur.

Nous avons tout d'abord étudié l'impact de la répartition du gaz Rdans les injecteurs sur la valeur

du Deqet de Ueq, ainsi que sur la longueur de la flamme associée. Puis nous nous sommes intéressés à l'influence des valeurs de D1et D2sur Deq, Ueq, et sur la longueur de flamme. On se restreint aux cas où Ueqest comprise entre 20 et 100 m/s pour rester dans un intervalle cohérent de valeurs de vitesses.

Les valeurs de

Rpour lesquelles Ueqétait inférieure à 20m.s-1 ou supérieure à 100m.s-1 n'ont pas été prise en compte, car elles n'étaient pas cohérentes.

On peut remarquer, dans les 3 cas, que

Ueqaugmente et Deqdiminue quand Raugmente. Ces

résultats sont logiques : iPour R=0, la totalité du gaz est injecté dans la couronne annulaire, le diamètre équivalent est élevé et le débit associé faible, donc la vitesse associée est réduite (car Vitesse= Débit Volumique

Section ).

iPour R=1, la totalité du gaz est injecté au centre. Le diamètre équivalent est donc faible et le débit associé élevé, donc la vitesse associée augmente. 17

À D1fixé (cas ①et ②), l'augmentation de D2influe sur la longueur de flamme pour des faibles

valeurs de R, c'est-à-dire quand le combustible est majoritairement injecté dans la couronne annu- laire, ce qui est cohérent. D'après les résultats des cas ①et ② où

D2passe de 20 à 50 mm de

diamètre, cela provoque une baisse légère de la longueur de flamme.

D2fixé, (cas ② et ③), l'augmentation de D1a un fort impact sur la vitesse du gaz et donc

sur la longueur de flamme. En effet, pour une variation de diamètre de 10mm de

D1, les vitesses

associées chutent drastiquement. Les vitesses pour une faible valeur de

Rne sont plus satisfai-

santes. Il faut donc s'intéresser aux cas où

Rest proche de 1. La longueur de flamme augmente

dans ce cas, au détriment de la vitesse du gaz. D'après nos résultats, pour le méthane, la valeur du diamètre

D1se doit d'être compris entre 10 et

20 mm pour obtenir une vitesse cohérente. Concernant la longueur de flamme, on vérifie bien que

sa longueur peut varier de 30% à l'aide du dispositif de double impulsion, le cas ① l'illustre

parfaitement : si l'on souhaite obtenir une vitesse comprise entre 50 et 100 m.s-1 alors la flamme peut varier entre 499mm et 665mm. Les résultats sont donc cohérents. L'étude du brûleur Double Impulsion Gaz nous a permis de montrer sa flexibilité. En effet,

ce type de brûleur nous permet de faire varier la proportion de combustible dans l'injecteur central

et annulaire, et donc de modifier la vitesse du gaz, sans pour autant changer le diamètre de

l'injecteur. Avec un brûleur simple, il aurait été impossible de faire varier la vitesse avec une

méthode similaire ; il faudrait forcément changer le diamètre de l'injecteur.

Ainsi, le brûleur DIG confère un réel intérêt pour les industriels souhaitant obtenir une

longueur de flamme bien précise. Si un industriel souhaite changer de combustible, il peut alors

ajuster la répartition de ce dernier entre les deux injecteurs, pour obtenir une flamme de longueur

similaire à celle qu'il aurait eue avec l'ancien combustible. 18

IV. Conclusions et perspectives

IV.1) Apports personnels

IV.1.1) Vivien

quotesdbs_dbs45.pdfusesText_45

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