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CONCEPTION D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION INNOVANTE – LA TECHNOLOGIE T.V.C. RAPPOR

CONCEPTION D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION INNOVANTE – LA TECHNOLOGIE T.V.C. RAPPORT DE PROJET INNOVATION : S3 & S4 le 8 Juin 2010 Par le groupe 11107 : Grégoire Cane, Ying Luo, Jérôme Moiziard, Fabien Moreno, Francisco Rodriguez Prada, Thomas Tartière, Tairan Wang A l’attention de M. Thierry Schuller Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 1 SOMMAIRE I. OBJECTIF DU PROJET ................................................................................................................................................... 5 1.1. LE CONTEXTE .................................................................................................................................................... 5 1.2. IMPACT ENVIRONNEMENTAL ET SANITAIRE DES POLLUANTS DE LA COMBUSTION ............................................................. 6 LES OXYDES D’AZOTE (NOX) ........................................................................................................................................ 6 LE MONOXYDE DE CARBONE (CO)................................................................................................................................. 6 LES SUIES ................................................................................................................................................................. 7 1.3. L’EVOLUTION DE LA LEGISLATION .......................................................................................................................... 7 1.4. DEFINITION D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION...................................................................................................... 10 1.5. LES DIFFERENTES ETAPES DE NOTRE PROJET ........................................................................................................... 10 II. LES TECHNOLOGIES ACTUELLES DE CHAMBRE DE COMBUSTION (C.C.) ................................................................................ 12 2.1. LE FONCTIONNEMENT GENERAL .......................................................................................................................... 12 2.2. AVANTAGES / INCONVENIENTS .......................................................................................................................... 13 2.3. IDENTIFICATION DES SOURCES D’EMISSION DE POLLUANTS ....................................................................................... 15 CAS DES OXYDES D'AZOTE .......................................................................................................................................... 16 PARAMETRES DE FORMATION DES NOX ........................................................................................................................ 17 III. L’IDEE DE LA TRAPPED VORTEX COMBUSTION (T.V.C.) ................................................................................................... 20 3.1. FONCTIONNEMENT D’UNE CHAMBRE DE COMBUSTION FONDEE SUR LA TECHNOLOGIE TVC ............................................ 20 3.2. ASPECTS PHYSIQUES DE LA FORMATION DE VORTEX DANS UNE CAVITE ........................................................................ 21 3.3. LES DIFFERENTES GENERATIONS DE T.V.C. ........................................................................................................... 23 3.4. AVANTAGES ET INCONVÉNIENTS DE LA TECHNOLOGIE T.V.C................................................................................ 26 IV. LE DIMENSIONNEMENT DE NOTRE SYSTEME ................................................................................................................... 27 4.1. DESIGN GENERAL ............................................................................................................................................ 27 4.2. CHOIX DES CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT NOMINALES ..................................................................................... 27 CALCUL DES DEBITS .................................................................................................................................................. 27 CHOIX D’UNE RICHESSE DE FONCTIONNEMENT ............................................................................................................... 28 CALCUL DU NOMBRE DE REYNOLDS.............................................................................................................................. 29 4.3. DETERMINATION DES GRANDEURS CLES ............................................................................................................... 29 DETERMINATION DES RAPPORTS DE DIMENSIONNEMENT .................................................................................................. 29 Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 2 CONSERVATION DE LA PUISSANCE VOLUMIQUE ............................................................................................................... 29 RESUME DES EQUATIONS : ......................................................................................................................................... 30 4.4. POSITIONNEMENT DES INJECTEURS ..................................................................................................................... 31 4.5. DIMENSIONNEMENT DE L’ENTREE ET SORTIE PRINCIPALES ........................................................................................ 33 ENTREE D’AIR .......................................................................................................................................................... 33 CHOIX DE LA LONGUEUR TOTALE DE LA CHAMBRE ........................................................................................................... 34 V. SIMULATION NUMERIQUE – PARTIE 1 : ÉCOULEMENT SANS COMBUSTION ........................................................................... 35 5.1. PRESENTATION DE LA MFN (OU CFD : COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS) .............................................................. 35 5.2. INTERETS DE LA MFN DANS NOTRE PROJET .......................................................................................................... 35 5.3. MISE EN ŒUVRE DES SIMULATIONS ..................................................................................................................... 35 UTILISATION DE GAMBIT ........................................................................................................................................... 36 UTILISATION DE FLUENT ............................................................................................................................................ 36 5.4. QUELQUES PROBLEMES RENCONTREES ................................................................................................................. 37 VI. REALISATION D’UN PROTOTYPE ................................................................................................................................... 38 6.1. BUT DU PROTOTYPE ......................................................................................................................................... 38 6.2. DESIGN ET REALISATION DU PROTOTYPE ............................................................................................................... 38 6.3. TECHNIQUES DE MESURE ET DE VISUALISATION ...................................................................................................... 40 6.4. ESSAIS SUR PROTOTYPE..................................................................................................................................... 41 MONTAGE EXPERIMENTAL ......................................................................................................................................... 41 6.5. TRAITEMENT INFORMATIQUE DES SEQUENCES VIDEOS............................................................................................. 43 EXEMPLES DE TRAITEMENTS ....................................................................................................................................... 43 LIMITATIONS DU LABORATOIRE : ................................................................................................................................. 45 1 ERE ACQUISITION : FLUX PRINCIPAL MAXIMAL ................................................................................................................ 45 2 EME ACQUISITION : REPARTITION FLUX PRINCIPAL/INJECTION FUEL .................................................................................... 46 3 EME ACQUISITION : REPARTITION FLUX PRINCIPAL/INJECTION FUEL/INJECTIONS AIR SECONDAIRES ............................................ 48 CONCLUSION : CE QUE NOUS ONT APPORTE CES EXPERIMENTATIONS .................................................................................. 50 VII. REALISATION DE LA C.C. FINALE .................................................................................................................................. 51 7.1. EVALUATION DE LA TEMPERATURE DE FLAMME ..................................................................................................... 51 7.2. CAHIER DES CHARGES DE NOTRE CHAMBRE ET DU DISPOSITIF .................................................................................... 53 Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 3 7.3. CHOIX DES MATERIAUX ..................................................................................................................................... 54 7.4. DESIGN GENERAL DE LA CHAMBRE ...................................................................................................................... 54 7.5. FABRICATION DE LA CHAMBRE ET MONTAGE ......................................................................................................... 56 VIII. MISE EN PLACE DU DISPOSITIF ET DU PROTOCOLE EXPERIMENTAL ....................................................................................... 58 8.1. MISE EN PLACE DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL ....................................................................................................... 58 8.2. PROTOCOLE EXPERIMENTAL ............................................................................................................................... 63 IX. ANALYSE DES RESULTATS ET CONCLUSION SUR LE FONCTIONNEMENT DE NOTRE CHAMBRE ...................................................... 64 9.1. RESULTATS EXPERIMENTAUX .............................................................................................................................. 64 9.2. LIMITES D'ALLUMAGE ....................................................................................................................................... 64 9.3. CARACTERISTIQUES DE LA COMBUSTION ............................................................................................................... 65 9.4. CONCLUSION SUR LES ESSAIS REALISES ................................................................................................................. 70 9.5. SIMULATION NUMERIQUE ET COMPARAISON AUX RESULTATS EXPERIMENTAUX ............................................................ 72 X. CONCLUSION DE NOTRE TRAVAIL DE L’ANNEE................................................................................................................. 77 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................................................................ 78 ANNEXES ........................................................................................................................................................................ 80 ANNEXE 1 : PROGRAMME DE CALCUL DE LA TEMPERATURE ADIABATIQUE ................................................................................ 80 ANNEXE 2 : GAMME DE DEBITS TESTES SUR LA CHAMBRE DE COMBUSTION .............................................................................. 82 Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 4 REMERCIEMENTS Notre deuxième année à l’école Centrale Paris touche à sa fin. Celle-ci a été rythmée par notre projet innovation entrepris en septembre et venant succéder à un projet Enjeu dédié aux chambres de combustion de micro turbines. Ce projet fut pour nous tous très instructif autant sur le plan scientifique qu’humain. Il n’aurait jamais pu être réalisé sans l’aide des encadrants et autres intervenants. Nous remercions tout particulièrement Thierry Schuller du laboratoire EM2C qui fut un des initiateurs du projet. Il nous a accompagné en tant qu’encadrant du projet et a su nous guider sur le plan théorique et nous orienter vers les bonnes personnes. Nous remercions grandement les techniciens du laboratoire EM2C qui nous ont permis, grâce à leurs compétences techniques, d’avancer rapidement sur nos réalisations pratiques. Sans Alain Walton, Erika Jean-Bart, Sid Bouamama et Samira El Ghazi, aucune de nos expériences n’aurait pu être mené à bien. Merci à Daniel Durox, du laboratoire EM2C, qui nous a apporté ses lumières concernant la visualisation des écoulements par nappe Laser et l’analyse de nos résultats. Merci aux chercheurs et aux thésards du laboratoire EM2C pour nous avoir présenté leur travail. Cela nous a permis d’avoir une meilleure idée des contraintes qu’une chambre de combustion en fonctionnement pouvait présenter. Nous n’oublierons pas non plus l’aide précieuse que nous a fournis Amar Lamraoui dans la fabrication pratique de notre chambre. Merci à l’Ecole Centrale pour nous avoir offert un tel cadre de travail et les crédits nécessaires à la réalisation du projet. Nous remercions aussi Nasser Darabiha et Benoit Fiorina pour leur encadrement du cours de Modélisation de la Combustion. Ils nous ont permis de comprendre les difficultés et les enjeux de l’utilisation de la simulation numérique. Merci à ce dernier pour son encadrement des projets innovations pour le département Énergie ainsi qu’à tous les membres du jury qui ont eu l’obligeance de se déplacer. Nous savons que vous saurez juger notre travail et notre implication à sa juste valeur. Finalement, nous remercions tous du fond du cœur nos familles qui seront toujours présentes pour nous aider. Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 5 I. OBJECTIF DU PROJET 1.1. LE CONTEXTE L’une des technologies les plus intéressantes pour utiliser des ressources énergétiques de moindre qualité comme le pétrole ou le charbon pour la génération d’électricité se nomme IGCC (Integrated Gasification Combined Cycle ou Cycle combiné à gazéification intégrée). Il s’agit d’un type de centrale électrique utilisant des carburants solides tels que le charbon. Ces centrales se caractérisent par une opération de gazéification, qui convertit la matière première en un gaz combustible (gaz de synthèse ou syngas) pour alimenter une centrale électrique à cycle combiné. Les turbines à gaz disponibles sur la marché ont été initialement développées pour l’utilisation de gaz naturel mais en les utilisant dans des centrales IGCC on cherche désormais à y brûler des syngas (gaz de synthèse), riche en hydrogène et à faible valeur calorifique (100-300 BTU/scf contre 800 à 1200 BTU/scf pour le gaz naturel). Cela entraine l’augmentation de la masse du flux dans l’engin et peut poser problème, la plupart des turbines à gaz ne pouvant supporter cette surcharge. Une centrale à gazéification intégrée a des niveaux d’émission de polluants locaux tels que les SO2, NOx, ozone, mercure, microparticules et composés organiques, plus bas que les meilleures centrales à chaudière, approchant le niveau d’une centrale au gaz naturel. Les Dry Low NOx (DLN) combustors obtiennent des émissions de NOx inférieures à 10 ppm ( partie par million, sec, à 15% d’oxygène) avec du gaz naturel. Ils reposent sur le principe de pré-mélange de l’air et du gaz naturel qui diminue la température de la flamme et par là même freine la formation de NOx. Ce principe ne peut être utilisé avec le syngas, à cause de la haute teneur en hydrogène et du risque de retour de flamme dans le système d’injection. Ainsi, les émissions de NOx des chambres de combustion à syngas sont au mieux entre 10 et 20 ppm. Une méthode de post-combustion pourrait être utilisée pour aller plus loin vers la diminution des NOx. Mais la méthode SCR la plus répandue est efficace pour les gaz naturels sans sulfure, alors que les syngas en contiennent. Rapport de Projet Innovation S3 & S4 – Gr. 11107 – École Centrale Paris 6 La récente technologie Trapped Vortex Combustion pourrait apporter une réponse à ce problème, en améliorant l’efficacité, la réduction des émissions, la stabilité de flamme, la diversité des carburants et le coût des turbines à gaz IGCC. Initialement développé pour le secteur aéronautique, ce n’est qu’au début des années 2000 que l’intérêt de ce système est apparu pour des applications industrielles comme l’incinération, la génération d’électricité ou le chauffage industriel. En 2005, des taux d’émissions de NOx inférieurs à 3 ppm ont ainsi été atteints avec une uploads/Science et Technologie/ conception-chambre-de-combustion.pdf