Study of the explosion of ultra-fine particles coming from dry refinery of plant biomass for propulsion applications
Etude de l'explosion de poussières ultrafines issues de la raffinerie sèche de la biomasse végétale en vue d'applications à la propulsion
Résumé
Explosion of dust suspensions coming from plant biomass (starch cellulose and lignocellulosic particles) has been studies in closed vessel for propulsion applications. Performances likely to be obtained with these particles have been estimated by means of a thermomechanical code. Theoretical constant volume combustion pressures of cellulose/air mixtures are higher than those of usual hydrocarbon/air mixtures. Experiments were conducted in a 20-l cylindrical chamber with an aspect ratio L/D = 2.2. The measured maximum explosion pressures are 30% lower than the theoretical pressures. They are dependent on particle nature and concentration and on the initial state of the suspension. A significant proportion of unburnt particles was found in the chamber after the combustion of rich dust/air mixtures. The process of suspension generation was specifically studied for three devices: first, experimentally, by optical diagnosis (PIV, and fast laser tomography) and then, by computer simulations. In order to improve performances, some experiments have been carried out with "hybrid" mixtures (cellulose particles/methane/air). They showed that for the same global equivalence ratio the explosion pressures in hybrid mixtures are higher than in methane/air or particles/air mixtures taken separately and, the amount of unburnt products is strongly reduced. Moreover very lean methane/air mixtures can be ignited when added to a dust suspension of adequate concentration.
L'explosion en enceinte fermée de suspensions de particules issues de la biomasse végétale (amidon, cellulose et particules ligno-cellulosiques) a été étudiée en vue de leur utilisation dans des systèmes propulsifs. Les performances susceptibles d'être obtenues avec ces particules ont été évaluées à l'aide d'un code thermochimique. Les pressions théoriques de combustion isochore des mélanges cellulose/air sont supérieures à celles des mélanges classiques hydrocarbure/air. Des expériences ont été effectuées dans une chambre cylindrique de volume 20l et de rapport d'allongement L/D = 2,2. Les pressions maximales d'explosion mesurées présentent un déficit de 30% par rapport aux pressions théoriques. Elles dépendent de la nature et de la concentration des particules et de l'état initial de la suspension. Il reste une proportion significative de particules imbrûlées dans la chambre pour les mélanges riches. Une étude spécifique du processus de génération de la suspension a été effectuée sur trois dispositifs : d'une part, par diagnostics optiques (mesure PIV et tomographie laser rapide) et, d'autre part, par des simulations numériques. Pour améliorer les performances, des expériences ont été effectuées dans des mélanges " hybrides " (particules de cellulose/méthane/air) et ont montré qu'à richesse globale équivalente, la pression d'explosion dans les mélanges hybrides est supérieure à celle dans les mélanges méthane/air et particules solides/air seuls et, la qualité d'imbrûlés est fortement diminuée. De plus, il est possible d'enflammer des mélanges méthane/air très pauvres lorsqu'ils sont en mélange avec une suspension de particules solides de concentration adéquate.
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