Transferts thermiques en plasmas thermiques

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»

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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. 36 488 Bonne description du plasma loin des parois Très mauvais à l anode Aucune estimation du transfert thermique H transfert

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

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) 5635-5648 Valeur de h très élevée : h=10 5 W/(m 2.K -1 ) Les températures semblent plus cohérentes Estimation du transfert thermique? Modele interm

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) 883-897 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

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

Flux anodiques : Intensité constante Attention, le modèle dépend notamment de la chute de tension!! Flux anodiques (W.m -2 ) 10 8 10 7 10 6 Total flux J e (V a +Φ S ) Conduction Enthalpique Radiatif Vaporisation Ar-Fe I=200 A P=3972W D=10mm 10 5 Complet 0.00 3.00 6.00 9.00 12.00 15.00 R (mm)

4 ème solution description fine V K Liau et al, Anode boundary layer of an atmospheric free burning arc", Gas Discharges 2008, Cardiff pp173-176 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

- 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

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

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

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) 1100 1000 900 800 700 1000 1100 1200 1300 1400 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

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

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 pp1638-1648 (1967)

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

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 0 0.000 0.003 0.006 0.009 0.012 0.015 R (m) Bilan

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

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

Résultat sur les températures 50mm Mesure à l aide de 5 thermocouples 1120 1110 Résultats expérimentaux Résultats du modèle Profondeur : 6.7mm du haut d anode Intensité : 90A Temperature (K) 1100 1090 1080 Débit d eau : 4Nl/min 1070 0 5 10 15 20 Rayon (mm) Bilan Puissance totale transmise à l anode : 988W

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

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

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

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

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

Résultat en terme de flux d énergie à l anode 3.5x10 7 3.0x10 7 Résultats expérimentaux Résultats théoriques Flux à l'anode (W.m -2 ) 2.5x10 7 2.0x10 7 1.5x10 7 1.0x10 7 5.0x10 6 0.0 0 5 10 15 20 25 Rayon (mm) Bilan

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

Bibliographie (1) [1] V K Liau et al, Anode boundary layer of an atmospheric free burning arc", Gas Discharges 2008, Cardiff pp173-176 [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) 883-897 [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) 5635-5648 [4] O.H. Nertor «Heat intensity and current density distributions at the anode of high current, inert gas Arcs», Journal of applied physics, v33 pp1638-1648 (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. 36 488 [6] E Moreau&al, Modeling the Restrike Mode Operation of a DC Plasma Spray Torch., Journal of Thermal Spray Technology 15(4) (2006)

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) 5602-5611

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

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

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

Déflection + transfert d énergie Plasma: - Argon Anode: - Cuivre 80mm 90mm 90mm 5mm I 22mm 139 139 100 cellules P atm I=100A

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??

Déflection avec ou traitement de l anode 40 35 Modèle 3D Expérimental Modèle Blais 30 Déflection (mm) 25 20 15 10 5 60 80 100 120 140 160 180 200 220 Courant circulant dans le fil (A) A. Blais, P. Proulx, M.I. Boulos: J. Phys. D : Appl. Phys. 36, (2003), 488-496.

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

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