Projection plasma de précurseurs liquides:

Dimension: px

Commencer à balayer dès la page:

Download "Projection plasma de précurseurs liquides:"

Edgar Fleury
il y a 8 ans
Total affichages :

1 Projection plasma de précurseurs liquides: Une introduction à la modélisation du traitement du matériau liquide Cécile Marchand, Gilles Mariaux, Christophe Chazelas Michel Vardelle, Armelle Vardelle

matériau liquide Cécile Marchand, Gilles Mariaux,

2 Plan 1- Rappels : la taille des gouttes à l impact? 2- Traitement thermique du matériau liquide 3- Fragmentation du matériau liquide Fragmentation secondaire Quel modèle dans les conditions plasma Atelier Atelier plasma plasma thermique : 3-5 : 3-5 juin 2009 juin 2009

matériau liquide Fragmentation secondaire Quel modèle dans les

3 Projection plasma de précurseurs liquides: Pourquoi? Elaboration de : Dépôts finement voire nano structurés (<100 nm) à l échelle des grains et ou des lamelles qui constituent le dépôt Dépôts minces < 50 µm Suspensions Dépôt de zircone yttriée réalisé à partir d une suspension Solutions 100 µm

grains et ou des lamelles qui constituent le dépôt Dépôts minces < 50 µm Suspensions

4 La microstructure du dépôt Elle dépend de la taille des briques élémentaires de leur traitement dans le jet de plasma Fracture d un dépôt de Zircone yttrié réalisé à partir d une solution Lamelle Dépôt Chen, D.; Jordan, E. H.; Gell,M., SCT 2008, 202

Fracture d un dépôt de Zircone yttrié réalisé à partir d une

5 Paramètres contrôlant la taille des gouttes? Propriétés et conditions d injection du liquide Jet de liquide, fragments, train de gouttes, gouttelettes atomisées Vitesse et taille à l injection Propriétés du liquide: densité, viscosité, tension de surface Conditions opératoires de la torche plasma Vitesse,Température,Enthalpie Propriétés du gaz: transfert au matériau Traitement du liquide dans le jet de plasma

gouttelettes atomisées Vitesse et taille à l injection Propriétés du liquide: densité, viscosité,

6 Paramètres contrôlant la taille des gouttes? Deux difficultés : ❶ Injection et pénétration du matériau liquide dans le jet de plasma ❷ Comportement hétérogène des gouttes dans le cœur et la périphérie du jet architecture du dépôt taux de déposition reproductibilité du procédé Similar problems in conventional powder plasma spraying But with liquid feedstock, they are aggravated because of the low specific density of droplets

hétérogène des gouttes dans le cœur et la périphérie du jet architecture du dépôt taux de déposition

7 Traitement du matériau dans le jet de plasma Particules solides Quantité de mouvement Chaleur Accélération Chauffage du solide Fusion Evaporation Masse Réactions chimiques: oxidation,décarburation etc

8 Traitement du matériau dans le jet de plasma Particules solides Liquide Quantité de mouvement Chaleur Masse Accélération Chauffage du solide Fusion Evaporation Réactions chimiques: oxidation,décarburation etc Déformation Fragmentation Accélération Chauffage du liquide Evaporation du solvant? Fusion de la phase solide Evaporation du matériau fondu

chimiques: oxidation,décarburation etc Déformation Fragmentation Accélération

9 Traitement du matériau dans le jet de plasma Particules solides Liquide Quantité de mouvement Chaleur Masse Accélération Chauffage du solide Fusion Evaporation Réactions chimiques: oxidation,décarburation etc Déformation Fragmentation Accélération Chauffage du liquide Evaporation du solvant Description de la transformation goutte - solide? Fusion de la phase solide Evaporation du matériau fondu

oxidation,décarburation etc Déformation Fragmentation Accélération Chauffage du liquide Evaporation

10 Traitement thermique d une solution Solution : en général sels métalliques ou précurseurs organométalliques dissous dans un solvant M. Gell et al, JTST, 2008, Vol. 17(1), p

11 Traitement thermique d une solution Baki &Cetegen., JTST décembre 2009 Concentration uniforme du soluté Évaporation solvant Précipitation en volume Particule solide Particule fondue Supersaturation proche de la surface Coque imperméable Coque perméable Évaporation solvant Précipitation en surface formation de coques solides Coque imperméable

Précipitation en volume Particule solide Particule fondue Supersaturation proche de

12 Traitement thermique d une suspension Suspension : Particules microniques ou nanométriques en suspension dans un solvant avec additifs Particules nanométriques Vaporization particules 1-4 µm 1-3 µm Vaporization du solvant Particules micrométriques Explosion des agrégats Morceau d agrégat µm µm Particule fondue 1-4 µm Vaporization du solvant Particule fondue P. Fauchais, V. Rat, C. Delbos, J.F. Coudert, et al IEEE Trans. on Plasma Science, 33 [2] (2005) 920.

Particules micrométriques Explosion des agrégats Morceau d agrégat 0.1-0.5 µm 0.

13 Traitement du matériau dans le jet de plasma Particules solides Liquide Quantité de mouvement Chaleur Masse Accélération Chauffage du solide Fusion Evaporation Réactions chimiques: oxidation,décarburation etc Déformation Fragmentation Accélération Chauffage du liquide Evaporation du solvant? Fusion de la phase solide Evaporation du matériau fondu

14 Injection du liquide dans le jet de plasma Injection mécanique Jet de liquide Train de gouttes Diamètre injecteur ~ 150 µm Pression dans réservoir : 0,2 0,8 MPa Injection pneumatique liquide gaz d atomisation (argon, azote) Caractéristiques des gouttes Débit : ml.min -1 Diamètre des gouttes : 300 µm Vitesse : m.s -1 Débit : 5-40 ml.min -1 Diamètre des gouttes : µm Vitesse : m.s -1 10

atomisation (argon, azote) Caractéristiques des gouttes Débit : 10-30 ml.

15 Le contrôle de la taille des gouttes : un problème complexe Atomisation primaire dispersion du liquide par le jet de plasma Atomisation Secondaire : Fragmentation des gouttes Dispersion des gouttes Vaporization Vaporisation Coalescence

jet de plasma Atomisation Secondaire : Fragmentation des

16 Injection d un jet de liquide dans un jet de plasma Plasma : Ar-H 2, l.min -1, 500 A, 6 mm Injection : Eau, P injection = 0,25 MPa

17 Injection de gouttes dans le jet de plasma Plasma core Nozzle axis 30 mm

18 Variation temporelle des propriétés du jet de plasma dans le plan d injection du liquide Densité de momentum T T+T/5 T+2T/5 T+3T/5 T+4T/5 Viscosité totale

19 Fragmentation aerodynamique des gouttes Elle est contrôlée, en grande part par la différence de vitesse entre le gaz et le liquide et les propriétés du liquide, en particulier sa tension de surface Nombre adimensionnel de Weber Fluid momentum density We = ρ U 2 d fluid's inertia forces For single droplets moving in a transverse, plasma high-velocity and droplet jet σ surface breakup tension occurs forces when We > 6 The diameter of the fragmented droplets is inversely proportional to the fluid momentum density ρ. U2 ρ : fluid density U : velocity difference between d : droplet or stream diameter σ : surface tension

moving in a transverse, plasma high-velocity and droplet jet σ surface breakup tension occurs forces when We > 6 The diameter of the fragmented droplets is

20 Régimes de fragmentation de gouttes Bag breakup: We<100 Stripping (shear): 100 We<350 Catastrophic (surface wave) breakup: We 350 Pilch & Erdman, Int. Multiphase Flow., 13, 6, 1987

21 Régimes de fragmentation de gouttes Bag breakup: We<100 TAB Model for low We O Rourke, 1987 Stripping (shear): 100 We<350 t b : breakup time Catastrophic (surface wave) breakup: We 350 Wave Model for We>100 Reitz, 1982 Pilch & Erdman, Int. Multiphase Flow., 13, 6, 1987

22 Modèles de fragmentation? Quelle est la validité des modèles - proposés dans la littérature, - implémentés dans les codes commerciaux Pour les conditions de projection plasma? Tous ces modèles incluent des paramètres et des constantes déterminés à partir de considérations théoriques et/ou à partir de données expérimentales établies dans des condition très différentes de celles de la projection plasma

23 Conditions expérimentales Sulzer Metco F4 plasma Torch Torch Nozzle diameter Arc current Argon Flow rate Hydrogen flow rate 6 mm 500 A 33 slm ( g/s) 10 slm Mechanical injection : Liquid injection 12 mm Liquid Injection nozzle exit diameter water 250 µm Nozzle 6 mm Reservoir pressure _ 0.2 MPa

24 Injection de gouttes dans le jet de plasma Plasma core Nozzle axis 30 mm

25 Interactions gouttes/jet de plasma We = 29 Bag break-up We = 215 Stripping break-up We = 300 Stripping-catastrophic break-up We = 650 Catastrophic break-up

26 Régimes de fragmentation de gouttes Bag breakup: We<100 Stripping (shear): 100 We<350 t b : breakup time TAB Model for low We O Rourke, 1987 ETAB Model Tanner, 1998 Catastrophic (surface wave) breakup: We 350 Wave Model for We>100 Reitz, 1982 Pilch & Erdman, Int. Multiphase Flow., 13, 6, 1987

27 Calculation of droplet injection, acceleration and break-up Main assumptions 3-D steady plasma flow no interaction between drops turbulent dispersion of drops modification of drop-particle transfer coefficients forces: drag, Archimede no drop evaporation no loading effect Governing equations trajectory and acceleration drop deformation and break-up: ETAB model CFD software: Code-Saturne

28 ETAB model dn dt ( t) We 80: We > 80: = 3K n( t) K K = k 1 ω = k2ω We n (t) = m( t) = m0 3K t e b n( t) r : droplet radius n(t) : number of product droplets m : droplet weight K : proportionality constant ω : instability growth rate t b : breakup time Liquid feedstock Injection Experimental conditions used for validation of ETAB Model (Schneider, 1995) Fuel P injection = 300 bars d 0 ~ d injector = 150 µm v 0 = 183 m.s -1 Operating conditions for injection of liquid in plasma jet Solution: Dissolved metal salt in water P injection ~ 5 bars d 0 ~ d injector = 300 µm v 0 ~ 30 m.s -1 Atmosphere N 2 P N2 = 15 bars Plasma gas T plasma = 300 K K ρ Atelier plasma thermique : 3-5 juin ρ plasma 2009< 1 kg.m -3 N2 = 12.7 kg.m -3

29 Experience numérique Injection de gouttes de différentes taille et vitesse Calcul de la frgmentation des gouttes pour différents jeux de constantes du modele de Tanner

30 Experience numérique Constantes originales Constantes/10

31 Diamètre des gouttes Moyenne sur 3500 gouttes mm

32 Diamètre des gouttes Experimental data k =0,01 2 k =0,02 2 k =0,03 2 k =0,05 2 k2=1/4,5 (valeur de Tanner) mm 5mm 10mm 15mm 20mm

33 Quelques remarques de conclusion Le traitement des précurseurs liquides est plus complexe que celui de particules solides Il est très sensible aux fluctuations du jet de plasma et à toute dérive du procédé Le modèle de fragmentation, si nécessaire, doit être choisi avec précaution Autant que faire se peut, les résultats du modèle doivent être validés par des données expérimentales

Documents pareils

Analyse de la dynamique d un lit fluidisé gaz-solide en interaction acoustique avec son système de ventilation : comparaison théorie/expérience.

Analyse de la dynamique d un lit fluidisé gaz-solide en interaction acoustique avec son système de ventilation : comparaison théorie/expérience. F.BONNIOL, C. SIERRA, R. OCCELLI AND L. TADRIST Laboratoire