Développement d’une torche plasma fonctionnant à haute tension et faible courant

Dans les procédés de type “arc glissant”, l’arc est mis en mouvement par l’écoulement gazeux. Les précédents travaux effectués au Centre Energétique et Procédés avaient conduit à la réalisation d’un réacteur plasma à électrodes planes de type “Glidarc” [54], dans lequel l’arc se déplace dans le plan des électrodes. Cette géométrie, bien que largement utilisée, n’est pas optimale, notamment en terme d’homogénéité, car seule une fraction des réactifs est balayée par la zone d’arc. L’analyse des différentes géométries envisageables, nous a amené à opter pour une géométrie de type pointe-cylindre, largement utilisée dans les torches plasma thermiques à courant continu. Le développement d’une torche plasma fonctionnant à haute tension et faible courant, nous a amené à développer un certain nombre de prototypes successifs. L’alimentation électrique de ces différents prototypes a été réalisée à partir d’un générateur haute tension développé au CEP dans le cadre d’études antérieures et qui est présentée dans la suite de ce chapitre. Le prototype 0 est constitué d’un tube en cuivre de diamètre intérieur 16 mm et de 18 mm de diamètre extérieur, dans lequel on introduit une bougie de moteur à explosion à laquelle l’électrode de masse a été enlevée. Le tube est pincé à proximité de la pointe de la bougie, pour réduire l’espace inter- électrodes et permettre l’amorçage de l’arc. Ce pincement crée par ailleurs un réduction de section de l’écoulement gazeux, l’air étant injecté tangentiellement en amont du pincement. Ce prototype, nous a permis de valider le concept et de visualiser le comportement d’un arc électrique soufflé par un écoulement vortex. Ces premiers essais ont permis d’évoluer vers une géométrie plus soignée correspondant au prototype 1.

Prototype 1

Le prototype 1 est constitué d’une tuyère réalisée en acier inoxydable de 12,7 mm de diamètre intérieur et 20 mm de diamètre extérieur, qui possède un filetage pour accueillir l’électrode centrale et un col de 7 mm de diamètre intérieur, localisé au voisinage de la pointe de l’électrode. Comme dans le cas précédent, ce prototype comporte une entrée d’air unique et tangentielle. Ce prototype a montré une très grande stabilité de fonctionnement pour des débits de gaz (de l’air en l’occurrence) compris entre 0.5 Nm3/h et 4 Nm3/h. Par ailleurs ce prototype a permis de mettre en Pour de faibles débits de gaz, on observe un régime plus “homogène”. Le volume du plasma et la puissance dissipée dans la décharge sont plus importants. Dans certaines conditions nous avons pu constater que l’arc atteignait l’extrémité de la tuyère et se déplaçait sur le disque constituant sa section terminale. Dans le but d’allonger l’arc, nous avons évolué vers le prototype 2. La géométrie intérieure de ce prototype est voisine de celle du prototype 1 mais le col de la tuyère est situé légèrement plus en aval de l’électrode centrale et la longueur totale de la tuyère a été rallongée. Contrairement à ce qui était prévu les essais réalisés à partir de ce prototype ont montré que l’arc restait confiné dans un tout petit volume localisé en amont du col, ce qui a permis de mettre en évidence l’importance critique de la position axiale de l’électrode par rapport au col.

Le prototype 4 a été conçu pour permettre d’une part, l’injection de 3 fluides différents sans déséquilibrer l’écoulement vortex dans la torche. Pour cela, chaque fluide est injecté par deux entrées diamétralement opposées ce qui assure la symétrie de l’écoulement indépendamment des débits de chaque fluide. D’autre part, assurer l’étanchéité du réacteur afin de pouvoir opérer sous pression. Les prototypes décrits précédemment sont constitués de deux électrodes : une électrode centrale située sur l’axe d’une seconde électrode cylindrique. Les tuyères utilisées, étaient initialement basées sur la géométrie représentée en [Fig.50]. Le rétrécissement au niveau du col permet l’amorçage de l’arc et engendre des vitesses élevées qui soufflent l’arc et l’empêchent de passer en régime thermique. Après le col, les vitesses diminuent avec l’augmentation de diamètre. L’arc est soufflé et peut atteindre l’extrémité de la tuyère. En sortie de tuyère, l’arc suit les lignes de champs électriques et vient reboucler sur le disque terminal de la tuyère dans une zone favorable du fait des faibles vitesses d’écoulement tangentielles [Fig.51]. Le pied de l’arc situé sur l’extrémité de la tuyère se déplace sous l’effet des turbulences locales de l’écoulement et du champ électromagnétique induit par l’arc sur lui même.