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DAILL Guillaume FOURNAUD Benoît Projet Utilisation Rationnelle de l’Énergie : D

DAILL Guillaume FOURNAUD Benoît Projet Utilisation Rationnelle de l’Énergie : DECHARGE COURONNE, APPLICATIONS ET MODELISATION Encadrants: Hamou Sadat Nicolas Dubus Énergétique Industrielle Année 2004/2005 Résumé : Ces dernières années, la communauté scientifique s’intéresse de plus en plus aux plasmas froids. En effet, les plasmas froids sont une technologie prometteuse qui tend à pénétrer un nombre croissant de domaines d’applications. Ils peuvent être généré par plusieurs procédés. Dans ce projet, seul les plasmas froids générés par décharges couronnes ont été étudié. Dans un premier temps, les configurations et les mécanismes de formation et de propagation du steamer sont exposés. Ensuite, un inventaire non exhaustif des champs d’application des plasmas froid générés par décharge couronne est effectué, parmi lesquels les traitements des effluents gazeux et les traitements de surfaces. Dans une dernière partie, un état de l’art est rapidement présenté sur les travaux visant à modéliser les phénomènes se déroulant lors de la création d’un plasma froid. Abstract: These last years, the scientific community is interested more and more in cold plasmas. Indeed, cold plasmas are a promising technology which tends to penetrate a growing number of applicability. They can be generated by several processes. In this project, only the cold plasmas generated by corona discharges were studied. Initially, the configurations and the mechanisms of formation and propagation of the steamer are exposed. Then, a non exhaustive inventory of the application’s fields of the cold plasmas generated by corona discharge is carried out, among which off-gas treatments and surface treatments. In a last part, a state of the art is quickly presented on work aiming at modelling the phenomena proceeding during the creation of cold plasma. http://kronos.fbhost.be Décharge couronne, applications et modélisation 1 SOMMAIRE Introduction................................................................................................................. 4 I. Les décharges couronnes : ................................................................................. 5 A. Les plasmas..................................................................................................... 5 B. Configuration des décharges couronnes : ....................................................... 6 C. Formation des décharges dans les gaz........................................................ 6 1. Mécanismes d’activation du gaz et paramètres fondamentaux.................... 6 2. Décharge de Townsend et critère d’auto-entretien de la décharge.............. 8 3. Loi de Paschen............................................................................................. 9 D. Propriétés spécifiques aux décharges couronnes........................................ 9 1. Caractéristique courant-tension et régimes de décharge............................. 9 2. Champ électrique et topographie de la décharge....................................... 11 E. Les décharges filamentaires.......................................................................... 12 1. Décharges pointe positive-plan ou “streamers”.......................................... 13 2. Décharges pointe négative-plan................................................................. 15 3. Décharges alternatives............................................................................... 15 4. Vent électrique et conséquences hydrodynamiques .................................. 15 II. Application des décharges couronnes............................................................... 17 A. Traitement des effluents gazeux.................................................................... 17 1. Les précipitateurs électrostatiques............................................................. 17 2. Destruction des polluants par décharges couronne ................................... 18 B. Générateurs d'ozone ..................................................................................... 19 1. Générateur avec Décharge à Couronne à Oxygène pure (CDOX) ............ 19 2. Générateur avec décharge à Couronne à coefficient réduit (RCCD) ......... 20 C. Traitement des surfaces............................................................................. 20 1. Nettoyage et érosion de surface................................................................. 20 2. Dépôt de films ............................................................................................ 21 3. Modification de la chimie de surface .......................................................... 21 4. Conclusion ................................................................................................. 22 D. Autres applications..................................................................................... 22 1. Élimination de l’électricité statique.............................................................. 22 2. Contrôle actif d’un écoulement................................................................... 23 E. Conclusion..................................................................................................... 24 III. Modélisation................................................................................................... 25 A. Mise en équation............................................................................................ 25 B. Les différentes méthodes de résolutions ....................................................... 26 1. Méthode des éléments frontières ............................................................... 26 2. Méthode des éléments finis........................................................................ 27 3. Méthode des caractéristiques..................................................................... 28 C. Exemples de modélisation ......................................................................... 29 1. Exemple faisant intervenir la BEM et la FEM[3]........................................... 29 2. Exemple faisant intervenir la méthode des différences finies[2] .................. 30 3. Conclusion ................................................................................................. 35 Conclusion................................................................................................................ 36 Bibliographie............................................................................................................. 37 http://kronos.fbhost.be Décharge couronne, applications et modélisation 2 INDEX DES FIGURES Figure I-1 Systèmes d’électrodes couramment utilisés pour la production de décharges............................................................................................................ 6 Figure I-2 Tension de claquage pour différents gaz en fonction du produit pression, distance interélectrode. ....................................................................................... 9 Figure I-3 Caractéristique courant-tension d’une décharge couronne dans l’air à pression atmosphérique (configuration pointe-plan, distance interélectrode d=13 mm). .................................................................................................................. 10 Figure I-4 Lignes isopotentiel avant (a) et 10 µs après (b) passage du streamer..... 11 Figure I-5 Topographie de la décharge couronne en configuration pointe plan........ 12 Figure I-6 Mécanisme de développement du streamer proposé par Townsend....... 13 Figure I-7 Mécanisme de propagation du streamer par photoionisation................... 14 Figure I-8 Evolution du champ réduit E/N au passage du streamer. ........................ 14 Figure I-9 Visualisation de l’hydrodynamique par introduction de fumée (a) et par simulation (b)..................................................................................................... 16 Figure II-1 Principe de fonctionnement d'un ioniseur................................................ 17 Figure II-2 Les trois fonctions d’un catalyseur déNOx standard. .............................. 19 Figure II-3 Eliminateur d'électricité statique.............................................................. 22 Figure II-4 Principe de contrôle d'un écoulement par décharge couronne................ 24 Figure III-1 Décharge Couronne grâce à un dispositif double; (1) masse, (2) électrode ionisante, (3) support métallique. ...................................................................... 31 Figure III-2 Modélisation réelle (a) et simplifiée (b) de la géométrie de l'électrode. .. 31 Figure III-3 Schéma suivi lors de la résolution numérique. ....................................... 33 http://kronos.fbhost.be Décharge couronne, applications et modélisation 3 Glossaire Pre disruptif : Etat précédant la disruption. Disruption : Claquage électrique. Steamer : Zone de fort champ et de faible conductivité où se forment les espèces excitées et les radicaux. Enduction : Action d’enduire un support textile d’un produit destiné à lui conférer des qualités particulières, à en modifier l’aspect, etc. C.O.V. : Composés Organiques Volatils. C.E.A. : Commissariat à l’Énergie Atomique. B.E.M. : Méthode des éléments frontières (Boundary Element Method). F.E.M. : Méthode des éléments finis (Finite Element Method). F.D.M. : Méthode des différences finies (Finite Difference Method). M.O.C. : Méthode des caractéristiques (Method of Caracteristic). I.A.A. : Industrie Agro Alimentaire. Gap : Distance inter électrode. http://kronos.fbhost.be Décharge couronne, applications et modélisation 4 Introduction De nos jours, les plasmas sont de plus en plus utilisés dans l’industrie. Il existe deux catégories de plasma, les plasmas dits thermiques et les plasmas dits froids. Les décharges couronnes sont un des procédés pouvant conduire à la création de ces derniers. Bien que relativement jeune, l’utilisation des techniques faisant intervenir les décharges couronnes tend à prendre de l’importance. En effet, elles sont d’hors et déjà largement utilisée dans les domaines de traitement des effluents gazeux et des surfaces. Aussi, afin de minimiser les coûts de développement, des récentes recherches essayent de modéliser les phénomènes mis en jeu. http://kronos.fbhost.be Décharge couronne, applications et modélisation 5 I. Les décharges couronnes : A. Les plasmas Dans la nature, tous les corps sont constitués à partir d'atomes (ou d'assemblages d'atomes, appelés molécules). A son tour, un atome est composé : d'un noyau central, chargé positivement, qui est un assemblage de protons et de neutrons. d'un nuage périphérique composé d'un cortège d'électrons, chargés négativement, qui tournent à des vitesses très élevées autour du noyau. A l'état solide, les atomes sont fermement emprisonnés dans un réseau rigide (comme dans la glace par exemple). Lorsque la température monte, le solide se liquéfie et passe à l’état liquide, où les atomes peuvent glisser les uns par rapport aux autres, ce qui permet au liquide d'épouser la forme d'un récipient. En continuant de chauffer, l'état gazeux est atteint : les atomes se déplacent alors librement, indépendamment les uns des autres (l'eau s'est transformée en vapeur). Enfin, à de très hautes températures (plusieurs millions de degrés), les constituants de l'atome se séparent, noyaux et électrons se déplacent indépendamment et forment un mélange globalement neutre : c'est un plasma. Un plasma est un gaz ionisé obtenu en fournissant de l’énergie à la matière par adjonction d’un champ électrique ou magnétique, ou sous forme de chaleur. Ce quatrième état de la matière, qui se retrouve dans les étoiles et le milieu interstellaire, constitue la majorité de notre univers (autour de 99 %). Il n’existe pas sur Terre à l'état naturel, si ce n'est dans les éclairs ou les aurores boréales, mais il est produit artificiellement en appliquant des champs électriques ou magnétiques suffisamment puissants pour séparer le noyau de ses électrons dans les gaz. On distingue 2 types de plasmas : Les plasmas thermiques pour lesquels les ions, les électrons et les molécules ont des températures sensiblement identiques, typiquement de l’ordre de 5 000 K à 50 000 K (utilisé notamment pour la fusion thermonucléaire). Les plasmas hors équilibre (ou « froid ») pour lesquels la température électronique (1000 K à 10000K) est supérieure à la température du gaz ambiant (généralement inférieure à 500 K). Les plasmas froids peuvent être formés par des décharges couronnes. Ces dernières sont particulièrement bien adaptées à la formation de plasmas froid car aucun autre type de décharges ne permet en effet une localisation et une distribution en énergie des espèces (électrons, molécules neutres ou ions) aussi bien définie. http://kronos.fbhost.be Décharge couronne, applications et modélisation 6 B. Configuration des décharges couronnes : Les décharges couronnes sont des décharges électriques pré-disruptives qui se développent dans l’intervalle gazeux entre deux électrodes fortement asymétriques. Parmi les configurations très variées de systèmes d’électrodes utilisés, les plus courantes sont les systèmes pointe/plan, multipointe/plan, couteau/cylindre, fil/cylindre ou cylindre/cylindre. La distance inter-électrodes est habituellement inférieure au centimètre. Figure I-1 Systèmes d’électrodes couramment utilisés pour la production de décharges. Du fait de cette dissymétrie, le champ électrique entre les deux électrodes est hétérogène. Les décharges couronne peuvent s’appliquer à des milieux gazeux variés à des pressions allant uploads/Geographie/ decharge-couronne-application-et-modelisation.pdf