Etude de stabilisation et développement d'une flamme à diffusion inverse descendante pour une optimisation industrielle

Study of stabilisation and development of a downward inverse diffusion flame for an industrial optimisation

• Auteur / Autrice : Khriscia Utria Salas
• Direction : Cédric Galizzi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Thermique et énergétique
• Date : Soutenance le 29/04/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : CETHIL - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon (Villeurbanne, Rhône) - Centre d'Energétique et de Thermique de Lyon / CETHIL
• Jury : Président / Présidente : Céline Morin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cédric Galizzi, Céline Morin, David Honoré, Thierry Schuller, Manuel Kühni, Serge Labor
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : David Honoré, Thierry Schuller

Mots clés

Mots clés contrôlés

Flamme

Applications industrielles

Combustion

Mots clés libres

Thermique

Flamme de diffusion

Hydrogène

Combustion à oxygène

Ecoulement active

Application industrielle

Comportement thermique

Cristallochimie

Point d'arrêt

Zone de réaction

Thermics

Diffusion flame

Hydrogen

Oxygen combustion

Reactive flow

Industrial application

Thermal Behaviour

Crystal chemistry

Stagnation point

Reaction zone

Résumé

La combustion est la pierre angulaire du développement industriel depuis près de deux siècles, fournissant de la chaleur pour de nombreux procédés industriels et représentant plus de 80% de la puissance utilisée par les turbines pour produire de l'électricité. Au fil des ans, de nombreux progrès ont été réalisés dans la compréhension de la science fondamentale de la combustion. Néanmoins, les forces réglementaires et concurrentielles engendrent le besoin d'équipements de combustion plus performants, avec un impact environnemental moindre et une plus grande flexibilité, le tout à un coût raisonnable (par exemple, accord de Paris 2015, Conférence des Nations Unies sur le changement climatique (COP26) 2021). Dans l'esprit que le système énergétique existant est principalement non renouvelable, utilisant des sources d'énergie à base de carbone. Les nouveaux enjeux de la transition énergétique nécessitent d'installer et d'intégrer un nouveau système d'énergie renouvelable tout en sécurisant l'approvisionnement et la résilience de la demande réelle. L'hydrogène, considéré par beaucoup comme le carburant alternatif propre, semble être l'une des réponses. Malgré les problèmes de sécurité associés, le développement de cette technologie contribue à ce que les pays atteignent leurs objectifs climatiques, stimulent la croissance verte et créent des emplois durables. Cette thèse s'inscrit dans le cadre des actions menées au sein du laboratoire collaboratif RAInBOV qui associe le Cethil et la société RSA. Ils sont spécialisés dans la fabrication de verres saphir, principalement utilisés dans le domaine de l'horlogerie et du verre. Leur production nécessite de fondre la matière première et de la cristalliser. Pour cela, ils utilisent la méthode Verneuil qui consiste en un brûleur vertical descendant qui génère une flamme à diffusion inverse H2/O2 située dans une enceinte confinée et chargée de particules d'alumine déposées sur une germe cristalline. Dans ce cadre, l'objectif principal de cette thèse est de comprendre les mécanismes aérothermochimiques présents dans cette configuration. Concrètement, la stabilisation, la structure et le développement des flammes produites par cette configuration particulière sont analysés, ainsi que le comportement thermique du milieu de croissance cristalline.

Combustion has been the cornerstone of industrial development for nearly two centuries, providing heat for many industrial processes and accounting for over 80% of the power used by turbines to generate electricity. Over the years, much progress has been made in understanding the fundamental science of combustion. Nevertheless, regulatory and competitive forces are driving the need for combustion equipment with better performance, lower environmental impact, and greater flexibility, all at a reasonable cost (e.g. Paris agreement 2015, UN Climate Change Conference (COP26) 2021). Keep in mind that the existing energy system is primarily non-renewable, using carbon-based energy sources. The new energy transition challenges require installing and integrating a new renewable energy system while securing the supply and resilience of the actual demand. Hydrogen, considered by many the clean alternative fuel, seems to be one of the answers. Despite the associated security issues, developing this technology contributes to countries meeting their climate goals, boosting green growth and creating sustainable jobs. This thesis is part of the actions carried out at the collaborative laboratory RAInBOV that associates the Cethil and the company RSA. They specialise in the manufacture of sapphire crystals, mainly used in the field of watchmaking and glass. Their production requires fusing the raw material and crystallising it. To this effect, they use the Verneuil method, which consists of a downward vertical burner that generates an H2/O2 inverse diffusion flame located in a confined enclosure and loaded with alumina particles deposited on a crystalline seed. Within this framework, this thesis’s main objective is to comprehend the aerothermochemical mechanisms present in this configuration. Concretely, the stabilisation, the structure and the development of the flames produced by this particular burner are analysed along the thermal behaviour of the crystal growth environment.