Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Tuyère Diphasique à Jet de Brouillard (TDJB)
Application à la lutte contre les incendies
Jean-Paul THIBAULT
LEGI UMR 5519, GrenobleCf Doctorat : Thibaut BOURRILHON
GDR Feux, juin 2016, Paris
2
Historique et contexte
Début du projet au LEGI 1998 sous l’impulsion:
J. Sterlini TechnomesureM. Amiet DGA/DSP
L. Slama Technomesure
Partenaires Contractuels DGA:1998-2003
Etude financée par la Mission Innovation
Essais financés par la SPN
Contrat Jeune-chercheur DGA-CNRS
Collaboration Siemens-Legi: 2004-2009
Etude de faisabilité
Collaboration (Doctorat CIFRE)
Industrialisation des tuyères
Essais sur feux
Evaluation du refroidissement sur procédés métallurgiques
Industrialisation & commercialisation des tuyères
DGA-Rapid INSERE HT:2012-2015
Innovation dans la sécurité des réseaux haute tension navals / Interaction arc électrique – jet de brouillard
3
Etat de l’art
Utilisation des tuyères diphasiques:
Transfert d’énergie et de quantité de mouvement
Applications: conversion d’énergie MHD
propulsion navale
Systèmes commerciaux de génération de Brouillard d’eau:
Atomisation au travers d’un micro-orifice (Brouillard diffusé)
Atomisation assistée moteur fusée (Fort titre massique gazeux)
Tuyère diphasique à Jet de Brouillard: Innovation
Atomisation effervescente (Titre massique gazeux faible)
Production d’un jet de brouillard transporté
4
Brisure / atomisation d’un litre (1kg) d’eau forme:
1 sphère D = 12,4 cm S = 121 cm2
2 milliards µ-gouttes D = 100 µm (0,5 µg) S= 15 m2
Intérêt = Evaporation rapide des µ-gouttes
***
Pb : Transport des µ-gouttes (traceurs passifs)
par les gaz environnants
Systèmes classiques à brouillard diffusé
le transport du brouillard / convection naturelle
Csq. : Les µ−gouttes s’évaporent « partout »
***
NB: Grosses gouttes (particules inertielles) taux d’évaporation faible
Problématique : Brouillard d’eau
5
- Monofluide : Eau filtrée + micro-orifice
- Haute (env. 100 bar) brouillard,: portée (env. 1m)
- Moyenne pression (env. 30 bar) brouillard diffusé
- Bifluide : atomisation assistée
- deux fluides eau + gaz (moyenne pression) introduits séparément dans une double buse (fraction en masse de gaz assez élevée et portée assez faible)
-NB : La brisure, ou atomisation, est obtenue au prix d’une forte dissipation d’énergie cinétique
Production brouillard d’eau classique
6
Concept : TDJB
Détente directe d’un écoulement diphasique
Atomisation effervescente
Jet liquide Jet de brouillard
Tuyère
Émulseur
Jet de brouillard
Alimentation gaz
Alimentation liquide
Tuyère
Émulseur
Jet de brouillard
Alimentation gaz
Alimentation liquide
Phénomènes physiques complexes
Technologie simple: - basse pression - pas de micro-orifice
Génération d’un brouillard transporté
7
Phénoménologie
Vitesse ~ 1 m.s-1
Taux de vide ~ 40%-85%
Pression ~ 1 bar
Vitesse ~ 50-150 m.s-1
Taux de vide ~ 99%
EntréePhase dispersée: liquide
Sortie
Configurations d’écoulement variées
Grad P ~ 60 bar.m-1
Grad V ~ 1000 m.s-1/m
Titre massique en gaz:0.5% - 10
lg
g
mmm
X!!
!
+=
Pression ~ 5 à 8 bar
8
Phénoménologie 2/2
9
Production continue d’un jet de brouillard projeté
=>portée jusqu’à 10 m
Atomisation effervescente basse pression
Jet diphasique:
Le gaz porteur « transporte » les µ-gouttes de liquide (jet dense = grande inertie)
Conséquence = mode d’action sur le foyer change!
Les µ-gouttes atteignent le foyer rapidement (faible taux de vaporisation pendant le transport)
Dans zone chaude (i.e. flamme)
=> Évaporation locale : Refroidist rapide + Production vapeur
Protection / extinction à distance
Innovation : Jet de Brouillard d’Eau par TDJB
10
Caractérisation du jet produit par TDJB
• ṁl xVlim àQuantitédemouvementdujet(équivalenteàuneforce)• ṁl xV2
lim à Puissancecinétiquedujet
Vitesse limite (Vlim) à Indicateur de la vitesse du jet
• (1-β)à Tauxvolumiquedeliquidedanslejet• (1-β)xṁlàPotentielvolumiquederefroidissement
Taux de vide (β) à Indicateur de la proportion en volume de gaz dans le jet
• Indicateur du volume (masse) de fluide / unité de surface d’échange
Diamètre caractéristique des gouttelettes (diamètre de Sauter d32)
11
Pôles d’activités
Banc d’essai & Mesures
Conception & Essais sur feu
Modélisation & simulation
12
Ecoulement interne à la tuyère
Modélisation:
Modèle homogène (1D)
Aide au pré-dimensionnement
1er calcul des points de fonctionnement
Modèle dispersé (1D)
Dimensionnement complet des tuyères
Prédiction-optimisation de performances
Aide à l’analyse des mesures
Expérience
Point de fonctionnement des tuyères
Vitesse de sortie du jet
Granulométrie de sortie
Vliq = Vgaz
Vliq ≠ Vgaz
13
Ecoulement interne à la tuyère : modèle homogène
Diamètre au col
Titre massique fixe
Carte des points de fonctionnement prédits par le modèle homogène
Nappe des points de fonctionnement
Géométrie donnée
14
Simulation typique : modèle dispersé (2-fluide)
x
TempératureenKelvin
Vitessedugazetduliquideenmétreparseconde
Tauxdevide
Pressionenbar
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
290
291
292
293
294
295
296
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7 Pression
Taux de vide
Vitesse
duGaz
Vitesse du L
iquide
Température
•Détente quasi-isotherme•Accélération différentielle •Ecoulement dominé par les effets de compressibilité•Présence d’un col
15
x
Vitessedugazetduliquideenmétreparseconde
Rayonde
Sauterenmétre
Glissement
Pressionenbar
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
0.0E+00
5.0E-04
1.0E-03
1.5E-03
2.0E-03
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
5.5
6
6.5
7 Pression
Glissement
Vitesse d
u Gaz
Vitesse
du Liquide
Zone 1
Zone 2
Zone 3
Rayon
deSauter
Accélération différentielle - Atomisation - Entraînement
16
x0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1 Mesure de forceÞVitesse du jet
Sonde optiqueÞ Configuration écoulement
Mesure de PressionÞ Conditions génératrices
GranulométrieÞCartographie
Rayon de Sauter
Confrontation modèle / expérience 1
17
Confrontation modèle / expérience 1
Sonde optique=> Mesure du taux de vide
Chariot de recul
Force de recul
Jet
( ) jetgl VmmF !! +=
18
Confrontation modèle / expérience 2
Cartographie des points de fonctionnement obtenue par le modèle disperséCarte de fonctionnement obtenue par mesure
Granulométrie / diffraction laser à 1 m en aval de la section de sortie
19
Pression amont: 6.8 barDébit liquide: 45 l/minTitre massique: 3%
PressionVitesse du GazVitesse du liquideTaille de la phase dispersée
x en mètre
Pressionenbar
Vitesseduliquideetdugazm/s
Taillecaracteristiquedelaphasedisperséeenmètre
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.071
2
3
4
5
6
7
8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
10-5
10-4
10-3
Pression amont: 6.8 barDébit liquide: 45 l/minTitre massique: 3%
PressionVitesse du GazVitesse du liquideTaille de la phase dispersée
x en mètre
Pressionenbar
Vitesseduliquideetdugazenm/s
Taillecaractéristiquedelaphasedisperséeenmètre
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.071
2
3
4
5
6
7
8
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
10-5
10-4
10-3
PressionVitesse du GazVitesse du liquideTaille de la phase dispersée
Pression amont: 7.6 barDébit liquide: 45 l/minTitre massique: 3 %
Economie énergétique pompage eau: 14 %compression gaz: 7 %
Augmentation de la surface d’échange: 60 %
Diminution de la taille caractéristique: rapport 1.6
Tuyère première génération Tuyère deuxième génération: optimisée
Augmentation de l’énergie cinétique: 180 %
Optimisation des géométries
20
Applications
&
Industrialisation
21
Feu de pneus :Illustration du potentiel applicatif
Lance traditionnelle: 1min40 - 250l/min – ~ 420 litres
TDJB: 25 sec – 40l/min – ~ 17 litres
13 sec - 40 l/min – ~ 9 litres
Gain temps d’extinction ~ 4 - 7.5
Gain consommable ~ 25 - 50
22
SinorixTM H2O Jet : Concept (FIXAO)
Challenge applicatif et industriel
Alimenter les TDJB:
ðd’une part avec une proportion en masse de gaz et une pression d’alimentation contrôlées.
ðd’autre part avec un mélange diphasique effervescent distribué en réseau monotube.
Buse comportant 3 tuyères
23
*Tuyère diphasique à jet de brouillard
Brevet conjoint Siemens-LEGI(Laboratoire CNRS)
Trophée de l’Innovation 2010Lutte contre le feu
Buses FIXAO utilisant 3 TDJB*
24
FIXAO
OU
SinorixTM H2O Jet: Le Principe
Réservoirs Azote 80 l Nitrogen 300 bars
Containers d’eau 300 l
Point mélange
Tuyauterie mono-tubeBuses directionnelles
Buses volumétriques
N2 H2O
N2 + H2O
Restricteurs
Système CDT
PN 25
PN 25
PN 25
10 à 15 bars
5 à 8 bars
BUCEFAO
25
Bilan
• Dépôt d’un Brevet Siemens-Legi protégeant les tuyères diphasiques à jet de brouillard
• SIEMENS BT commercialise des solutions à base de multi-TDJB : applications variées
• Protection à distance de risque identifié de forte puissance (fort pouvoir de vaporisation)
• Autres essais confidentiels : refroidissement à haut flux de métaux base aluminium• Quantification du flux de chaleur extrait et du taux de vaporisation
• DGA-rapid INSERE HT (Innovation dans la sécurité des réseaux haute tension navals)• Interaction d’un jet de brouillard et d’arc électrique• Le jet présente des tensions de claquage idem air humide• Extinction d’arc par refroidissement + soufflage