Transferts thermiques en plasmas thermiques

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1 Arc Electrique et Procédés Plasmas Thermiques Transferts thermiques en plasmas thermiques P. Freton, M. Masquère, J.J. Gonzalez LAPLACE : «Arc électrique et procédés plasmas thermiques»

2 Les enjeux de la connaissance du transfert thermique Métallurgie Projection Disjoncteurs - Coupage & soudure le flux thermique à la pièce conditionne la qualité - Projection Le flux thermique aux particules conditionne leur état thermodynamique lors du dépôt - Disjoncteurs Le flux thermique conditionne l évaporation des parois et électrode et le pouvoir de coupure des dispositifs config

3 Transfert thermique Configuration arc transféré Soufflage Cathode - + Plasma Transfert thermique Anode torche

4 Génération électrique des plasmas thermiques Configuration de torche - + Soufflage Cathode (tungstène) Transfert thermique Anode Synops

5 Synopsis : Interaction plasma - matériau Physique des plasmas Gaz Propriétés thermodynamiques Propriétés de transport Propriétés électriques Propriétés chimiques Paramètres opératoires Intensité Géométrie de tuyère Débit de gaz Vitesse de torche Vitesse du plasma Dimension du jet Puissance thermique Tension de l arc Pompage gaz environnant Interaction plasma - surface Thermique Matériau Liquide phases Solide Gazeuse Mécanique des fluides Chimie réactive Conductivité thermique viscosité Composition Réactivité Conductivité thermique Cp Composition Fusion du métériau Ejection du matériau Ressolidification Interaction plasma / liquide Interaction Phase liquide / solide Vitesse procédé Aspect traitement ZAT Procédé Comment Rendement Qualité Pollution

6 Meilleure connaissance des procédés Connaissance du Plasma nécessaire Spectroscopie Mesures électriques Mesures optiques Mesures macroscopiques Quelles mesures pour quantifier le transfert? Interaction Plasma matériaux modèle 2D/3D ETL ou deux températures Modélisation turbulente Mélange de gaz Quelles modélisations pour la prise en compte du Transfert thermique plasma - matériaux

7 Quelles modélisations pour quantifier le transfert d énergie? Modélisation «globale» Flux nul Coefficient de transfert de chaleur Modélisation plus fine Bilan entre plasma et matériau Prise en compte de gaines Quel mod

8 Quels modèles pour le transfert d énergie? Actuellement les études en modèle portent principalement sur les deux configurations ci dessous Soufflage Soufflage Cathode Plasma Anode Anode exemple

9 Configuration plasma : Exemple sur un arc libre configuration d arc libre 10 mm 50 mm fluide

10 Conservation Hypothèses ETL Fluide Equations du plasma Masse Quantité de mouvement Force de Laplace Fraction massique Influences des vapeurs Energie (en température) Effet Joule Pertes radiatives Fluide Potentiel Electrique Potentiel vecteur (champ magnétique) Electrique interface

11 Transfert thermique configuration d arc libre Modélisation fluide Interface matériau Comment prendre en compte la paroi?? On ne va s intéresser qu à l anode bilan

12 Phénomènes à l anode Flux par Conduction Flux Électrique Flux Enthalpique Flux Convectif Flux rayonné Flux rayonné Flux par Évaporation Flux par conduction Anode Comment tenir compte des parois dans les modèles?? Flux nul

13 1 ère solution : flux nul configuration d arc libre Soufflage Cathode - On ne considère pas le matériau - Flux nul en température - + Plasma T κ n = 0 Anode résultat

14 1 ère solution : flux nul Contour de température A Blais et al, Three-dimensional numerical modelling of a magnetically deflected dc transferred arc in argon, 2003 J. Phys. D: Appl. Phys Bonne description du plasma loin des parois Très mauvais à l anode Aucune estimation du transfert thermique H transfert

15 Configuration de torche 2 ème solution : coefficient de transfert - + Soufflage - On ne considère pas le matériau - coefficient de conducto - convection Anode T T κ n = h ( T T ) Pb : Quelle valeur pour h? result

16 2 ème solution : Coefficient de transfert Contour de température J P Trelles et al, "Modelling of the arc reattachment process in plasma torches", J. Phys. D: Appl. Phys. 40 No 18 (21 September 2007) Valeur de h très élevée : h=10 5 W/(m 2.K -1 ) Les températures semblent plus cohérentes Estimation du transfert thermique? Modele interm

17 T z 3ème solution : Description intermédiaire - F Lago, et al, A numerical modelling of an electric arc and its interaction with the anode: Part I. The two-dimensional model, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 No 6 (21 March 2004) Bilan à l anode mat T κ 5 kb = + jz Tmat Tpla + j z ( ΦS + VA ) Lmat ΦV z 2 e κ ( ) + ΦRP pla Température du mur Flux par Conduction Flux Électrique Flux Enthalpique Flux Convectif Flux rayonné Flux rayonné Flux par Évaporation result Anode Flux par conduction

18 Champ de température : Intensité constante Température anode (K) Température plasma (K) Ar-Fe I=200 A P=3972W D=10mm T fus =1811K T eb =3134K result

19 Flux anodiques : Intensité constante Attention, le modèle dépend notamment de la chute de tension!! Flux anodiques (W.m -2 ) Total flux J e (V a +Φ S ) Conduction Enthalpique Radiatif Vaporisation Ar-Fe I=200 A P=3972W D=10mm 10 5 Complet R (mm)

20 4 ème solution description fine V K Liau et al, Anode boundary layer of an atmospheric free burning arc", Gas Discharges 2008, Cardiff pp Développement d un modèle de gaine Ne, Na, Ni,Te,Th, vr, vz P -2 Températures - Equation de conservation des électrons et des ions - Equations fluides - Equations électriques Bilan

21 - Anode + Soufflage Discussion Solution en flux nul - Est il vraiment satisfaisant?? Solution avec coefficient de transfert - Quelle valeur de h utiliser? Solution intermédiaire - Dépendance avec la chute de tension - Problème si convecto conductif Quelles sont vos expériences?? Solution «fine» - Que se passe t il pour les gaz complexes (autre que argon)? - Maillage très raffiné

22 Validation : Quelles mesures pour le transfert d énergie? Mesures «brutes» Calorimétrie Mesure par capteurs Mesure pyrométrique Informations accessibles Flux d énergie aux parois Energie transmise température des matériaux calo

23 Mesure calorimétrique : Principe Anode Circulation d eau T e T s Ts-Te P eau D eau mesure

24 Exemple de résultats : Estimation de la puissance Arc transféré, Pression atmosphérique dans l argon 1200 On peut mesurer la puissance transmise à l eau pour trois intensités 60 A U exp = 16.5V 70 A U exp = 15.7V 90 A U exp = 15.6V Puissance transmise à l'eau (W) Puissance totale P TOT (W) Bilan Un rapport d environ 70% entre la puissance TOTALE injectée et la puissance transmise à l anode est trouvé. Cela correspond à ce que l on trouve théoriquement

25 Mesure calorimétrique Anode Information obtenue - Puissance transmise à l électrode Avantages - Simplicité à mettre en œuvre T e Circulation d eau T s Verrous -Isolation thermique du système - Précision de la mesure de température Calo avancée

26 Système calorimétrique «amélioré» : Principe (1) Injection de gaz Le système calorimétrique de «base» mesure la puissance transmise de l anode vers l eau de manière globale Pour faire une mesure locale, Nestor propose d utiliser une anode coupée en deux et de déplacer l arc au dessus de cette dernière Sortie (T s ) Mise en oeuvre Entrée (T e ) O.H. Nertor «Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas Arcs», Journal of applied physics, v33 pp (1967)

27 Système calorimétrique «amélioré» : Principe (2) P R ( ) ( ) ( ) x = 2 F r r A cos x x r dr R F ( r) = 1 π R r P x '' 2 ( x ) r 2 dx P(x) O x Grâce à une transformée d Abel, on peut obtenir la densité de flux d énergie locale résultat

28 Résultats en terme de flux d énergie 7x10 7 6x10 7 Nestor (exp): Total Flux anodiques (W.m -2 ) 5x10 7 4x10 7 3x10 7 2x10 7 1x10 7 Ar-Cu I=200A d=6.3mm R (m) Bilan

29 Système calorimétrique «amélioré» : Principe (1) Injection de gaz Informations obtenues - Puissance transmise à l électrode - Flux de chaleur à l électrode Avantages - Information locale Sortie (T s ) Thermoc Entrée (T e ) Verrous - Configuration stationnaire - axisymétrique - Difficile à mettre en place

30 Mesures par thermocouple : Principe Cathode Anode Thermocouples Pour mesurer la température dans l anode, on insère des thermocouples de type K à 3.3mm du fond de l anode en profondeur Resultat

31 Résultat sur les températures 50mm Mesure à l aide de 5 thermocouples Résultats expérimentaux Résultats du modèle Profondeur : 6.7mm du haut d anode Intensité : 90A Temperature (K) Débit d eau : 4Nl/min Rayon (mm) Bilan Puissance totale transmise à l anode : 988W

32 Mesures par thermocouple : Principe Informations obtenues Cathode - Températures dans l anode Anode Thermocouples Avantages - Données dans le matériau et pas uniquement en surface Verrous - Usinage très délicat - Méthode intrusive -Réponse des thermocouples Thermographie

33 Mesure «pyrométrique» - caméra infrarouge : Principe arc pyromètre Mesure du rayonnement de l objet sur une plage de longueur d onde ou quelques fréquences discrètes + Etalonnage + Connaissance de l émissivité atmosphère Température Resultat

34 caméra infrarouge : Exemple de mesures Electrodes : Tungstène et carbone Intensité : 20-70A Pression atmosphérique Bilan

35 Mesure «pyrométrique» - caméra infrarouge : Principe Information obtenue - Champ de rayonnement du matériau Avantages - Information sur toute une surface - Résolution en temps Verrous - Emissivité du matériau - Etalonnage - Réponse des optiques - Rayonnement du plasma Méthode inve

36 Que faire de ces températures?? Modèle direct Mesures de températures Coefficients de transport Matériau d anode Géométrie de l anode Conditions limites Refroidissement par eau Par gaz sur le coté Résultat Flux de chaleur à la surface Problème inverse

37 Résultat en terme de flux d énergie à l anode 3.5x x10 7 Résultats expérimentaux Résultats théoriques Flux à l'anode (W.m -2 ) 2.5x x x x x Rayon (mm) Bilan

38 Discussion Mesure par pyrométrie - Emissivité des matériaux - Etalonnage Méthodes inverses - Sensibilité - Modèles à développer Calorimétrie - Mise en place - Précision - Intérêt? Quelles sont vos expériences?? Mesure de température par capteur - Précision - Sensibilité

39 Bibliographie (1) [1] V K Liau et al, Anode boundary layer of an atmospheric free burning arc", Gas Discharges 2008, Cardiff pp [2] F Lago, et al, A numerical modelling of an electric arc and its interaction with the anode: Part I. The two-dimensional model, J. Phys. D: Appl. Phys. 37 No 6 (21 March 2004) [3] J P Trelles et al, "Modelling of the arc reattachment process in plasma torches", J. Phys. D: Appl. Phys. 40 No 18 (21 September 2007) [4] O.H. Nertor «Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas Arcs», Journal of applied physics, v33 pp (1967) [5] A Blais et al, Three-dimensional numerical modelling of a magnetically deflected dc transferred arc in argon, 2003 J. Phys. D: Appl. Phys [6] E Moreau&al, Modeling the Restrike Mode Operation of a DC Plasma Spray Torch., Journal of Thermal Spray Technology 15(4) (2006)

40 Bibliographie (2) [6] J J Gonzalez et al, Experimental quantification in thermal plasma medium of the heat flux transferred to an anode material, J. Phys. D: Appl. Phys. 40 No 18 (21 September 2007)

41 Conservation La prise en compte des vapeurs est elle si importante? Equations du plasma Masse Quantité de mouvement Force de Laplace Fraction massique Influences des vapeurs Energie (en température) Effet Joule Pertes radiatives Fluide Potentiel Electrique Potentiel vecteur (champ magnétique) Electrique

42 Influence des vapeurs sur les champs de température - Puissance constante Ar - Fe P=2728W D=10mm Vapeurs non prises en compte dans les propriétés

43 Étude du transfert d énergie dans une configuration 3D F r Pour créer une configuration 3D, on déflecte l arc par un champ magnétique

44 Déflection + transfert d énergie Plasma: - Argon Anode: - Cuivre 80mm 90mm 90mm 5mm I 22mm cellules P atm I=100A

45 Champ de température Ar-Cu I=100A I fil =100A d=80mm δ Était il nécessaire de modéliser l anode juste pour étudier la déflection??

46 Déflection avec ou traitement de l anode Modèle 3D Expérimental Modèle Blais 30 Déflection (mm) Courant circulant dans le fil (A) A. Blais, P. Proulx, M.I. Boulos: J. Phys. D : Appl. Phys. 36, (2003),

47 Conclusion : Modélisation Modèle hydrodynamique 2D/3D Couplage anode Prise en compte des vapeurs Estimation des différentes composantes du flux d énergie à l anode Importance de l interaction plasma Anode en 3D pour la déflection Importance des vapeurs

48 Dispositif expérimental d arc transféré Quelles mesures? Mesures spectroscopiques (température, densités électroniques) Paramètres macroscopiques (tension, intensité) Bilan calorimétrique Mesures de températures locales Pyrométrie

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