Projection plasma de précurseurs liquides:

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

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

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 http://www.mettech.com/fuel_cell_coatings.htm

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

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

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

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

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

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

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. 124-135

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

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 0.1-0.5 µm 0.2-1 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.

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

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 : 10-30 ml.min -1 Diamètre des gouttes : 300 µm Vitesse : 10-35 m.s -1 Débit : 5-40 ml.min -1 Diamètre des gouttes : 5-100 µm Vitesse : 5-100 m.s -1 10

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

Injection d un jet de liquide dans un jet de plasma Plasma : Ar-H 2, 33-10 l.min -1, 500 A, 6 mm Injection : Eau, P injection = 0,25 MPa

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 10 000 K ρ Atelier plasma thermique : 3-5 juin ρ plasma 2009< 1 kg.m -3 N2 = 12.7 kg.m -3

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

Experience numérique Constantes originales Constantes/10

Diamètre des gouttes 600 500 400 300 200 Moyenne sur 3500 gouttes 100 0 0 5 10 15 20 mm

Diamètre des gouttes Experimental data 600 500 400 300 k =0,01 2 k =0,02 2 k =0,03 2 k =0,05 2 k2=1/4,5 (valeur de Tanner) 200 100 0 0mm 5mm 10mm 15mm 20mm

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