Étude du rayonnement émis par un plasma d'argon en présence de vapeur métallique

Au cours des dernières années, les plasmas thermiques ont suscité un intérêt de plus en plus grandissant. La technologie des plasmas présente beaucoup d'avantages par rapport aux flammes traditionnelles (Fa• 1) comme: facilité de mise en route et d'arrêt, densité d'énergie qui n'est pas limitée comme une flamme par la nature des gaz de combustion, propriétés de transport supérieures à celles des gaz de combustion du fait des dissociations, température qui n'est pas limitée ... Les principales applications industrielles de la technologie des plasmas peuvent être classées comme suit: 1. Synthèse chimique: production de silicium, d'acétylène ... 2. Traitement des matériaux solides en milieu plasma: chauffage des particules, sphéroïdisation, projection de revêtement protecteur, fusion, refusion, purification des métaux, métallurgie extractive, frittage, production de poudre ultrafine ... Les techniques de projection par plasma sont basées sur l'injection des particules solides dans un jet de plasma afin de les chauffer et les fondre. L'évaporation de ces particules contamine le plasma avec les vapeurs et modifie par la suite ses coefficients de transport de courant électrique de la chaleur et de la quantité de mouvement (Ab•.l) et surtout la puissance émise sous forme de rayonnement (Es• l). Ce changement des propriétés du plasma affecte le transfert d'énergie à l'intérieur du plasma et entre le plasma et le milieu extérieur et les profils de température dans le plasma peuvent être profondément modifiés (Pr•2). Par ailleurs, il est établi expérimentalement que l'injection de vapeur métallique dans un plasma abaisse sa température de 1000, 2000 voir même 3000 K (Ch•l). Cette chute de température s'explique en général par les modifications des propriétés de transport du plasma mais surtout par les pertes radiatives qui sont très importantes même en présence de très faible pourcentage de vapeur métallique. L'explication de ce phénomène est un des nombreux objectifs de cette étude qui traite le rayonnement émis par un plasma en général et celui émis par un plasma ensemencé de vapeur métallique en particulier. L'étude du rayonnement émis par un plasma est un sujet qui attire depuis toujours l'attention des chercheurs qui s'intéressent à la caractérisation des plasmas sans avoir à les perturber. Pour le milieu "plasma" ce rayonnement constitue une perte d'énergie et selon les applications ce phénomène peut être considéré comme bénéfique (refroidissement rapide des arcs de disjoncteurs, lampe de puissance ....) ou comme néfaste (perte d'énergie dans certains réacteurs à plasma, rendement des torches, érosion des parois ...). Ainsi, l'étude du transfert radiatif dans les plasmas thermiques constitue un problème important tant pour les travaux de modélisation mathématique des plasmas que pour les études expérimentales des caractéristiques des plasmas et de leurs utilisations technologiques. Les travaux de modélisation nécessitent la connaissance des pertes radiatives qui interviennent dans toute équation de bilan d'énergie pour pouvoir accéder aux températures dans le plasma. Les études expérimentales utilisent le rayonnement émis comme moyen de diagnostic du plasma. En effet à partir de l'émissivité d'une raie et du fond continu adjacent par exemple, on peut remonter à la température et à la densité électronique en tout point du plasma. L'étude du rayonnement est un travail très complexe pour différentes raisons. Tout d'abord, les données des différents processus d'émission ou d'absorption sont quelquefois mal connues (section efficace de photoionisation, facteur de Biberman-Schluter ...). Ensuite, l'absorption et l'émission du rayonnement en un point quelconque du plasma dépend non seulement de la température locale mais aussi de la température de toutes les régions du plasma avoisinant. Les régions chaudes sont très émissives et perdent de l'énergie sous forme de rayonnement émis surtout dans la bande ultra-violette. Les régions froides récupèrent cette énergie par absorption et un certain équilibre s'établit entre les différentes zones du plasma. Il apparaît donc que l'étude générale du rayonnement émis par un plasma comprend deux étapes distinctes: la première étape consiste à déterminer le coefficient d'émission local du plasma, c'est-à-dire la puissance rayonnée par unité de volume et par unité d'angle solide. Ce coefficient d'émission est fonction de la nature du gaz ou vapeur et des valeurs locales de la pression, de la température et des densités de particules atomiques. La deuxième étape consiste à étudier le transfert de ce rayonnement vers le milieu extérieur. En passant à travers le plasma, ce rayonnement peut être totalement ou partiellement absorbé et il faut donc déterminer la part qui s'échappe réellement du plasma. Cette absorption du rayonnement n'est pas une fonction uniquement des paramètres locaux mais dépend aussi du profil de température et de la géométrie du plasma. Il faut noter que compte tenu des propriétés des plasmas, le rayonnement n'est pas absorbé de la même manière dans tout le spectre. Par exemple, le rayonnement ultra-violet est en général plus fortement réabsorbé que le rayonnement visible. Plusieurs méthodes existent pour étudier le rayonnement émis par un plasma. En spectroscopie atomique par exemple on utilise le rayonnement émis par une seule raie pour déterminer la température dans le plasma. Une étude relativement précise est souhaitée et la résolution de l'équation de transfert radiatif est nécessaire (Ve• 1). L'énergie monochromatique récupérée à l'extérieur du plasma peut être calculée par la résolution de l'équation de transfert pour un profil de température obtenu expérimentalement par exemple. Cette méthode très précise et élégante n'est pas pratique et ne peut être applicable à l'étude du spectre en entier émis par un plasma. Une autre méthode dite "approximation de diffusion" existe et est décrite en détail par Siegel (Si• l) et Lowke (Lo• 1). Pour tenir compte de l'absorption du rayonnement dans l'étude de transfert radiatif, cette méthode est envisageable. Cependant elle n'est utilisable en pratique que si le rayonnement émis par le plasma est essentiellement continu (Lo•2). Ceci n'est pas le cas des plasmas car le rayonnement dû aux raies est généralement prépondérant. La méthode la plus pratique dans l'étude globale du rayonnement est celle proposée par Drawin (Dr•l), Iron (lr• 1) et a été utilisée par Lowke (Lo• 1) et Rahmani (Ra•l). Elle repose sur la notion de facteur de fuite /\ pour tenir compte de l'auto-absorption du rayonnement. Cette méthode a l'avantage de traiter une raie dans son ensemble et de déterminer la part de l'énergie absorbée pendant la traversée d'une tranche du plasma par les photons. Cependant elle demande la connaissance des paramètres atomiques de chaque raie (profil d'émission, largeur à mi-hauteur, probabilité d'émission spontanée ...). Pour mettre en évidence l'importance de la présence de vapeur métallique sur le rayonnement total émis par un plasma nous avons appliqué cette méthode à un plasma d'argon ensemencé de vapeur métallique de fer dans un pourcentage allant de 0 à 100% molaire pour différentes températures et pressions. Les résultats ont servi pour l'étude du chauffage et l'évaporation d'une particule plongée dans un plasma, le flux de chaleur qu'elle reçoit est responsable de l'augmentation de sa température de surface. L'énergie reçue par la suite sert à évaporer la matière qui diffuse et forme un nuage de vapeur autour de la particule. Cette vapeur métallique modifie à son tour les propriétés et en particulier l'émission radiative du plasma au voisinage de la panicule. Le problème de transfert de chaleur à une particule plongée dans un plasma a été traité par plusieurs auteurs (Yo•l), (Bo•l), (Sh•l), (Xi•l), (Pf•l) ... mais personne jusqu'à présent n'a étudié l'effet des pertes radiatives du nuage entourant la particule sur le transfert de chaleur à cette dernière. En effet comme nous l'avons montré (Es• l) et en accord avec des études expérimentales (Ch• l) un plasma d'argon ensemencé de vapeur métallique perd beaucoup d'énergie par rayonnement. Cette perte d'énergie au niveau du nuage de vapeur entourant la particule conduit au refroidissement du plasma et par conséquent diminue le transfert de chaleur à la particule (Es•4). Cet effet est étudié dans le dernier chapitre de ce travail

Modelisation d'un plasma d'oxygene homogene et stationnaire a la pression atmospherique 2000 K < T < 15000 K

CNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueSIGLEFRFranc

Étude du rayonnement émis par un plasma d'argon en présence de vapeur métallique

Au cours des dernières années, les plasmas thermiques ont suscité un intérêt de plus en plus grandissant. La technologie des plasmas présente beaucoup d'avantages par rapport aux flammes traditionnelles (Fa• 1) comme: facilité de mise en route et d'arrêt, densité d'énergie qui n'est pas limitée comme une flamme par la nature des gaz de combustion, propriétés de transport supérieures à celles des gaz de combustion du fait des dissociations, température qui n'est pas limitée ... Les principales applications industrielles de la technologie des plasmas peuvent être classées comme suit: 1. Synthèse chimique: production de silicium, d'acétylène ... 2. Traitement des matériaux solides en milieu plasma: chauffage des particules, sphéroïdisation, projection de revêtement protecteur, fusion, refusion, purification des métaux, métallurgie extractive, frittage, production de poudre ultrafine ... Les techniques de projection par plasma sont basées sur l'injection des particules solides dans un jet de plasma afin de les chauffer et les fondre. L'évaporation de ces particules contamine le plasma avec les vapeurs et modifie par la suite ses coefficients de transport de courant électrique de la chaleur et de la quantité de mouvement (Ab•.l) et surtout la puissance émise sous forme de rayonnement (Es• l). Ce changement des propriétés du plasma affecte le transfert d'énergie à l'intérieur du plasma et entre le plasma et le milieu extérieur et les profils de température dans le plasma peuvent être profondément modifiés (Pr•2). Par ailleurs, il est établi expérimentalement que l'injection de vapeur métallique dans un plasma abaisse sa température de 1000, 2000 voir même 3000 K (Ch•l). Cette chute de température s'explique en général par les modifications des propriétés de transport du plasma mais surtout par les pertes radiatives qui sont très importantes même en présence de très faible pourcentage de vapeur métallique. L'explication de ce phénomène est un des nombreux objectifs de cette étude qui traite le rayonnement émis par un plasma en général et celui émis par un plasma ensemencé de vapeur métallique en particulier. L'étude du rayonnement émis par un plasma est un sujet qui attire depuis toujours l'attention des chercheurs qui s'intéressent à la caractérisation des plasmas sans avoir à les perturber. Pour le milieu "plasma" ce rayonnement constitue une perte d'énergie et selon les applications ce phénomène peut être considéré comme bénéfique (refroidissement rapide des arcs de disjoncteurs, lampe de puissance ....) ou comme néfaste (perte d'énergie dans certains réacteurs à plasma, rendement des torches, érosion des parois ...). Ainsi, l'étude du transfert radiatif dans les plasmas thermiques constitue un problème important tant pour les travaux de modélisation mathématique des plasmas que pour les études expérimentales des caractéristiques des plasmas et de leurs utilisations technologiques. Les travaux de modélisation nécessitent la connaissance des pertes radiatives qui interviennent dans toute équation de bilan d'énergie pour pouvoir accéder aux températures dans le plasma. Les études expérimentales utilisent le rayonnement émis comme moyen de diagnostic du plasma. En effet à partir de l'émissivité d'une raie et du fond continu adjacent par exemple, on peut remonter à la température et à la densité électronique en tout point du plasma. L'étude du rayonnement est un travail très complexe pour différentes raisons. Tout d'abord, les données des différents processus d'émission ou d'absorption sont quelquefois mal connues (section efficace de photoionisation, facteur de Biberman-Schluter ...). Ensuite, l'absorption et l'émission du rayonnement en un point quelconque du plasma dépend non seulement de la température locale mais aussi de la température de toutes les régions du plasma avoisinant. Les régions chaudes sont très émissives et perdent de l'énergie sous forme de rayonnement émis surtout dans la bande ultra-violette. Les régions froides récupèrent cette énergie par absorption et un certain équilibre s'établit entre les différentes zones du plasma. Il apparaît donc que l'étude générale du rayonnement émis par un plasma comprend deux étapes distinctes: la première étape consiste à déterminer le coefficient d'émission local du plasma, c'est-à-dire la puissance rayonnée par unité de volume et par unité d'angle solide. Ce coefficient d'émission est fonction de la nature du gaz ou vapeur et des valeurs locales de la pression, de la température et des densités de particules atomiques. La deuxième étape consiste à étudier le transfert de ce rayonnement vers le milieu extérieur. En passant à travers le plasma, ce rayonnement peut être totalement ou partiellement absorbé et il faut donc déterminer la part qui s'échappe réellement du plasma. Cette absorption du rayonnement n'est pas une fonction uniquement des paramètres locaux mais dépend aussi du profil de température et de la géométrie du plasma. Il faut noter que compte tenu des propriétés des plasmas, le rayonnement n'est pas absorbé de la même manière dans tout le spectre. Par exemple, le rayonnement ultra-violet est en général plus fortement réabsorbé que le rayonnement visible. Plusieurs méthodes existent pour étudier le rayonnement émis par un plasma. En spectroscopie atomique par exemple on utilise le rayonnement émis par une seule raie pour déterminer la température dans le plasma. Une étude relativement précise est souhaitée et la résolution de l'équation de transfert radiatif est nécessaire (Ve• 1). L'énergie monochromatique récupérée à l'extérieur du plasma peut être calculée par la résolution de l'équation de transfert pour un profil de température obtenu expérimentalement par exemple. Cette méthode très précise et élégante n'est pas pratique et ne peut être applicable à l'étude du spectre en entier émis par un plasma. Une autre méthode dite "approximation de diffusion" existe et est décrite en détail par Siegel (Si• l) et Lowke (Lo• 1). Pour tenir compte de l'absorption du rayonnement dans l'étude de transfert radiatif, cette méthode est envisageable. Cependant elle n'est utilisable en pratique que si le rayonnement émis par le plasma est essentiellement continu (Lo•2). Ceci n'est pas le cas des plasmas car le rayonnement dû aux raies est généralement prépondérant. La méthode la plus pratique dans l'étude globale du rayonnement est celle proposée par Drawin (Dr•l), Iron (lr• 1) et a été utilisée par Lowke (Lo• 1) et Rahmani (Ra•l). Elle repose sur la notion de facteur de fuite /\ pour tenir compte de l'auto-absorption du rayonnement. Cette méthode a l'avantage de traiter une raie dans son ensemble et de déterminer la part de l'énergie absorbée pendant la traversée d'une tranche du plasma par les photons. Cependant elle demande la connaissance des paramètres atomiques de chaque raie (profil d'émission, largeur à mi-hauteur, probabilité d'émission spontanée ...). Pour mettre en évidence l'importance de la présence de vapeur métallique sur le rayonnement total émis par un plasma nous avons appliqué cette méthode à un plasma d'argon ensemencé de vapeur métallique de fer dans un pourcentage allant de 0 à 100% molaire pour différentes températures et pressions. Les résultats ont servi pour l'étude du chauffage et l'évaporation d'une particule plongée dans un plasma, le flux de chaleur qu'elle reçoit est responsable de l'augmentation de sa température de surface. L'énergie reçue par la suite sert à évaporer la matière qui diffuse et forme un nuage de vapeur autour de la particule. Cette vapeur métallique modifie à son tour les propriétés et en particulier l'émission radiative du plasma au voisinage de la panicule. Le problème de transfert de chaleur à une particule plongée dans un plasma a été traité par plusieurs auteurs (Yo•l), (Bo•l), (Sh•l), (Xi•l), (Pf•l) ... mais personne jusqu'à présent n'a étudié l'effet des pertes radiatives du nuage entourant la particule sur le transfert de chaleur à cette dernière. En effet comme nous l'avons montré (Es• l) et en accord avec des études expérimentales (Ch• l) un plasma d'argon ensemencé de vapeur métallique perd beaucoup d'énergie par rayonnement. Cette perte d'énergie au niveau du nuage de vapeur entourant la particule conduit au refroidissement du plasma et par conséquent diminue le transfert de chaleur à la particule (Es•4). Cet effet est étudié dans le dernier chapitre de ce travail

Atmospheric Plasma Spraying Evolution Since the Sixties Through Modeling, Measurements and Sensors

International audienceThis paper presents, through examples, the evolutions of atmospheric plasma spraying since the sixties. The drastic improvement of the spray conditions and coatings reproducibility during more than 50 years was linked both to researches in laboratories and developments of spray equipment’s (plasma torches, computerized control panels, robots to spray coatings on complex parts, sensors working in the harsh environment of spray booths…). This evolution is illustrated through the following topics: (1) plasma forming gas thermodynamic and transport properties either at local thermodynamic equilibrium or more recently at two temperatures; (2) evolution of plasma spray torches since the nineties; (3) plasma jet and in-flight particle measurements with laboratory equipment’s and then sensors in spray booths; (4) plasma jets and torches modeling as well as heat and momentum transfer to particles; (5) splats formation and layering

Arc plasma torch modeling

International audienceArc plasma torches are the primary components of various industrial thermal plasma processes involving plasma spraying, metal cutting and welding, thermal plasma CVD, metal melting and remelting, waste treatment, and gas production. They are relatively simple devices whose operation implies intricate thermal, chemical, electrical, and fluid dynamics phenomena. Modeling may be used as a means to better understand the physical processes involved in their operation. This article presents an overview of the main aspects involved in the modeling of DC arc plasma torches: the mathematical models including thermodynamic and chemical nonequilibrium models, turbulent and radiative transport, thermodynamic and transport property calculation, boundary conditions, and arc reattachment models. It focuses on the conventional plasma torches used for plasma spraying that include a hot cathode and a nozzle anode