WO2004044541A1 - Dispositif de mesure d'un flux thermique - Google Patents

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WO2004044541A1
WO2004044541A1 PCT/CH2003/000735 CH0300735W WO2004044541A1 WO 2004044541 A1 WO2004044541 A1 WO 2004044541A1 CH 0300735 W CH0300735 W CH 0300735W WO 2004044541 A1 WO2004044541 A1 WO 2004044541A1
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WO
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measuring device
lens
chamber
gaseous fluid
isotropic
Prior art date
Application number
PCT/CH2003/000735
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English (en)
Inventor
Jean-Claude Padoy
Original Assignee
Thermoflux Technologies Sa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thermoflux Technologies Sa filed Critical Thermoflux Technologies Sa
Priority to US10/534,730 priority Critical patent/US20060023766A1/en
Publication of WO2004044541A1 publication Critical patent/WO2004044541A1/fr

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00—Measuring quantity of heat
    • G01K17/06—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device
    • G01K17/08—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature
    • G01K17/20—Measuring quantity of heat conveyed by flowing media, e.g. in heating systems e.g. the quantity of heat in a transporting medium, delivered to or consumed in an expenditure device based upon measurement of temperature difference or of a temperature across a radiating surface, combined with ascertainment of the heat transmission coefficient

Definitions

  • the present invention relates to a device for measuring a non-stationary radiative and convective heat flow generated within a gaseous fluid, in particular a gaseous fluid which is highly corrosive under high pressure and at high temperature such as a gas originating from the combustion of propellants.
  • thermofluxmeter having a thermally conductive plate associated with two plates with high thermal resistance arranged on either side of the thermally conductive plate as well only two thermocouples mounted on either side of the system. It is in fact a flowmeter with conventional auxiliary walls working by conduction. The response time of this type of instrument is too slow for the unsteady regimes present in gases with high reactivity.
  • thermocouples whose thermowell is in contact with the gaseous fluid.
  • the thermocouple sensors have a relatively long response time and require relatively long contact times with the gaseous fluid. These devices therefore deteriorate very quickly in these highly corrosive gases at high pressure and at high temperature.
  • the combustion phenomena being very variable and not stationary, the combustion control tests are very short and require measuring devices having a short response time.
  • a solution with a low time constant consists in carrying out an optical measurement of the temperature through a sapphire window, but the cost of such a device is high and the window darkens very quickly by depositing combustion residues.
  • the object of the present invention is to overcome the drawbacks of existing devices by producing a device with very low response time making it possible to instantly measure the density of the heat flux in a highly corrosive gaseous medium and under drastic temperature conditions and pressure, while limiting the excessive deterioration of the heat flux sensors and the resulting costs.
  • a measuring device as defined in the preamble, characterized in that it comprises a tubular metallic body open at its two ends, an isotropic chamber with low heat loss, mounted coaxially inside said metallic body. tubular, a detector of said radiative heat flow, disposed inside said isotropic chamber, this detector being arranged to deliver an electrical signal representative of the non-stationary radiative and convective heat flow generated within the gaseous fluid, a metal lens arranged to pump the heat of the gaseous fluid and irradiate it completely and instantaneously in said isotropic chamber, this lens being mounted on a cap arranged to close off one end of said tubular metallic body, and a plug arranged to seal off the other end of said tubular metallic body, a space being provided between said isotropic chamber and said tubular metallic body to allow the passage of a sweeping gas circulating in said isotropic chamber and in said space.
  • the tubular metal body is provided with a safety vent opening into the space formed between said isotropic chamber and said tubular metal body and through which said space communicates with the outside to allow the exit of the gas. scanning pressure.
  • the cap is removably mounted on one end of the tubular metal body.
  • the cap comprises an external thread arranged to cooperate with an internal thread formed at one of the ends of said tubular metallic body.
  • the cap has a through opening in which said metal lens is mounted in such a way that one of its faces is in contact with said gaseous fluid.
  • the detector and the side walls of the isotropic chamber are integral with the plug and said plug is advantageously provided with inlet and outlet channels for the purging gas.
  • the interior wall of the isotropic chamber is coated with a polished metallic deposit so as to ensure maximum corpuscular reflection of the radiative heat flux emitted in the chamber.
  • the outer wall of the isotropic chamber is also coated with a metallic deposit so as to reflect coaxial parasitic radiation emitted by the tubular metallic body in the space formed between said isotropic chamber and said tubular metallic body.
  • the isotropic chamber can be cylindrical in shape and the detector is fixed along the axis of this chamber.
  • the metal lens is advantageously a highly effusive body arranged to pump the heat from the heat flow by its face in contact with the gaseous fluid, its other face being arranged to instantly and completely irradiate the heat flow pumped inside the isotropic chamber.
  • the face of the lens in contact with the gaseous fluid can be coated with a metal oxide deposit with a high absorption coefficient and resistant to corrosion, the other face being coated with a metallic deposit with high emissivity.
  • the metal lens is advantageously provided at its periphery with a fixing element by which it is removably fixed to the end of the metal body by means of the cap.
  • the metal lens may comprise a circular part by which it pumps the heat flow of the gaseous fluid and a conical part irradiating the heat flow pumped into the - isotropic chamber, the two parts being made integral with one of the 'other by a connecting axis of small diameter.
  • the circular part of the metal lens can be flat, cylindrical or curved.
  • the conical part of the metal lens may include a frustoconical cavity arranged to increase the emissive surface, said conical part being full and curved.
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing the preferred embodiment of the device according to the invention
  • - Figure 2 is a schematic sectional view along a plane normal to the section plane of Figure 1 and showing said device and its positioning on a support containing the gaseous fluid, during the measurement.
  • FIG. 3 is a schematic sectional view of a variant of the device for measuring the heat flow according to the invention.
  • the device for measuring the non-stationary heat flow 100 shown comprises a tubular metal body 1 closed at one of its ends by a plug 2 and at its other end by a cap 3 provided with a through central opening 4.
  • An isotropic chamber 5 of radiative measurement consisting of a hollow cylinder and equipped with a flat detector 20 of rectangular shape, is fixed coaxially inside the tubular metallic body 1, one of the ends of said isotropic chamber 5 being secured to plug 2 and the other end of this chamber remaining open.
  • An annular cylindrical space 6 is provided between the isotropic chamber 5 and the interior wall 7 of the metal body 1 in order to allow the evacuation of a purging gas 25.
  • This purging gas 25 is preferably compressed air at low pressure which is ventilated in the isotropic chamber 5 in order to keep the temperature of the detector 20 as stable as possible throughout the duration of the measurement.
  • the plug 2 is provided with at least one inlet channel 8 of said sweep gas 25 and at least one outlet channel 9 by which this gas is evacuated in the form of a through bore, these tracks are preferably made in the form of through bores.
  • the tubular metal body 1 is also provided, at one of its ends, with at least one vent 10 of small diameter opening radially into the annular space 6, this vent also allowing the outlet of the purging gas 25. This ventilation avoids the risks of overpressure within the device.
  • a metal lens 11 of cylindrical shape with high effusiveness is mounted at one of the ends of the metal body 1 coaxially with this body by being housed through the opening 4 of the cap 3.
  • This lens 11 has an slightly curved outer face 12 which forms a protuberance with respect to the external face of the cap and an internal face 13 provided with a frustoconical cavity 14 opening inside the isotropic chamber 5.
  • the external face 12 of the metallic lens is in contact with the fluid gas 22 in which the device is located.
  • the lens 11 is further provided with a flange 17 allowing it to be put in place in a removable manner at the lower end of the isotropic chamber 5.
  • this flange 17 is arranged to come to bear against the end of the body metallic 1. It is held in position by the cap 3.
  • the upper end of the lens 11 closes the outlet of the isotropic chamber 5 and has a shoulder 15 in order to provide a passage 16 allowing the sweeping gas to be evacuated.
  • This passage 16 can also be defined in any other way, for example by the presence of a chamfer.
  • the plug 2 closes the upper end of the metal body 1 by a thread connection 19, the body being provided with the internal thread and the corresponding external thread being produced on the external wall of the plug 2. Any other form of removable connection could be considered.
  • the detector 20 is arranged in the median plane of the isotropic chamber 5 so that one of its ends is integral with the plug 2 and passes through it by exceeding a few millimeters and that the other end is slightly shortened relative to said chamber isotropic 5, the lateral sides of said detector 20 being almost in contact with the interior wall 31 of the chamber. It is also fixed by its lateral sides to the inner wall of the isotropic chamber 5. This fixing can be carried out in any suitable manner.
  • the device for measuring the heat flow 100 is removably fixed by means of the tubular metal body 1 on a support 21 containing the gaseous fluid 22 to be checked.
  • This support can for example be the wall of a reactor or a turbine, in the particular case of controlling the gases originating from the combustion of propellants.
  • the part 23 of the metal body 1 which is fixed in the support 21 can have a larger or smaller outside diameter than that of the part 24 of the said body 1 being outside of the said support.
  • the tubular metallic body 1 can have any other suitable shape facilitating the mounting of the various components of the device and its fixing to the support 21, its axis being perpendicular to the direction of flow of the gaseous fluid 22.
  • the isotropic chamber 5 having the same thermal irradiation properties in all directions, the orientation of the plane of the detector 20 relative to the direction of flow of the gaseous fluid 22 to be checked does not affect the measurements of the thermal flow. This provides flexibility in securing the device for measurement.
  • Figure 3 shows another embodiment of the device of the invention.
  • the metal lens 11 has a shape substantially different from that of the lens illustrated in FIGS. 1 and 2.
  • This lens 11 has a circular part 26, by which it pumps by convection and radiation the heat flow of the gaseous fluid 22 , and a conical part 27 with a frustoconical cavity 14 by which it radiates the quantities of heat received in the isotropic chamber 5, the two parts 26 and 27 being integral with one another by means of a connecting axis 28.
  • the lens 11 is connected to the cap 3 by a pivot link, this lens-cap sub-assembly being removably attached to the end of the metal body 1 by a screw connection 29, the cap 3 being provided with a external thread and the metallic body 1 of a corresponding internal thread.
  • the metal body 1 may be provided with an external thread 30 by which the device is fixed inside a corresponding bore (not shown) formed on the support of the gaseous fluid, said bore being provided with a corresponding internal thread. .
  • the removable lens-cap sub-assembly can be easily replaced as soon as the lens 11 is worn by the corrosive action of the gaseous fluid or deteriorated by the working conditions.
  • different forms of lenses 11 can be envisaged and can be replaced according to the parameters of the gaseous fluid 22, the device being calibrated after each replacement.
  • FIGS. 4A, 4B, 4C and 4D illustrate a few other forms of the metallic lens 11.
  • the circular part 26 of the lens which is in contact with the gaseous fluid 22 to be checked, can be of flat shape ( fig. 4A), cylindrical (fig. 4B) or domed (fig. 4C) and the conical part 27 radiating heat in the isotropic chamber 5 may have a flat shape (fig. 4A to 4C), circular (not shown) or curved (fig. 4D). It can also be in the form of a hollow cone (fig. 4A to 4C) making it possible to increase its emissive surface.
  • the device 100 When the device 100 is suitably fixed on the support 21 containing a gaseous fluid 22 at high temperature and under high pressure, the quantities of heat generated within the fluid by combustion are pumped by the metal lens 11 with high effusiveness which, under the thermal thrust of the surrounding fluid with which it is in contact, tends to impose on the common gas-lens interface 12, a temperature close to the proper temperature of said lens 11.
  • the temperature discontinuity imposed at the interface being considerable, the gaseous fluid 22 then yields more quickly, by convection and by radiation, the amounts of heat to said lens 11.
  • the second face 13 of the lens 11 yields, by irradiation, to the gaseous medium 25 the quantities of heat received.
  • the detector 20 then delivers an electrical signal proportional to the quantities of heat irradiated by the lens 11.
  • This electrical signal is therefore proportional to the density of heat flux penetrating into the lens 11 through its face 12 and is representative of the variability of the heat fluxes generated within the gaseous fluid 22 to be checked.
  • the sweeping gas 25 for example compressed air at low pressure, is introduced into the isotropic chamber 5 by the inlet channel 8, it scans the isotropic chamber 5 and exits through the outlet channel 9 passing through the annular space 6. This keeps the temperature of the detector 20 as stable as possible throughout the duration of the measurement.
  • the inner wall 31 of the isotropic chamber 5 is advantageously coated with a polished metallic deposit in order to ensure maximum corpuscular reflection of the radiative radiation emitted in the chamber.
  • Said internal deposit can be made of gold, according to a known method of vacuum deposition or the like. This material has only a very low absorption of the emitted radiation.
  • the outer wall 32 of the chamber is also coated with the same metallic deposit in order to reflect the coaxial parasitic radiation emitted by the metallic body 1 in the annular space 6 which creates a thermal barrier tending to reduce the conductive and radiative parasitic flux coming from said body. .
  • the surface of the lens 11 in contact with the gaseous fluid 22 to be checked that is to say its external surface 12, and its surface in contact with the scanning flow 25, that is to say its inner surface 13 can be coated with a black body.
  • the outer surface 12 is coated with a metal oxide with a high absorption coefficient in order to improve the resistance of the lens 11 to corrosion, in particular chlorine, and advantageously increase its service life, and the surface interior 13 is coated with a high emissivity metallic deposit.
  • the heat flow measuring device 100 is connected during the measurement to a processing unit (not shown) by means of electric cables (not shown). These cables are essentially connected to the electrical circuit of the detector 20.
  • the said detector When the said detector is irradiated by the quantity of heat coming from the lens 11, it delivers to the processing unit an electric current proportional to the density of heat flux leaving the lens. 11 and, consequently, to the non-stationary heat flux generated within the gaseous fluid 22 to be controlled.
  • the processing unit can then calculate the density of the heat flow within the fluid.
  • the temperature of the gaseous fluid 22 can then be deduced from the value of the density of the heat flux measured by the law of Stefan Boltzmann:
  • T 0 ( ⁇ 2 ⁇ o. ⁇ - 1 + T 4 ) 1 4 in which T 0 denotes the temperature of the lens 11, T the temperature of the radiative flux detector 20, ⁇ 0 the density of the thermal flux penetrating into the lens , ⁇ the Boltzmann constant and 12 the form factor of the device.
  • This form factor 12 is a calibration factor which takes into account all of the influences of the various physical and construction parameters of the device. During calibration, this factor is adjusted until the temperature indicated by the processing unit corresponds to that of the standard target taken as reference.
  • the processing unit can also calculate the thermokinetic state indicator of the gaseous fluid 22, said indicator providing complete information on the evolution of combustion.
  • the device according to the invention thus advantageously provides three key data on the thermokinetics of combustion gases, namely the density of thermal flux and the thermokinetic state indicator which are variable quantities and the temperature which is a quantity d 'state.
  • the detector of the radiative flux 20 mounted in the isotropic chamber is not disturbed by the parasitic convective flux generated by the sweeping gases 25 of the isotropic chamber 5.
  • Said detector 20 must preferably be a detector with mounting with differential coplanar couples. This type of detector is commercially available.
  • the metallic lens 11 of the device for measuring the heat flow 100 is preferably made of copper, the thermal effusivity of which is very high, that is to say of the order of 36.10 3 J / (m 2 .cs 1 / 2 ).
  • the isotropic chamber 5 according to the preferred embodiment has a length of 40 mm and an internal diameter of 5 mm and the lens 11 has a diameter of 6 mm and a height of 6 mm.
  • This measuring device can be used for the control of combustion gases and of any process for which it is sought to control the thermokinetic aspect of thermal and chemical reactions, in particular in nozzles and reactors, and fuel cells for the detection of thermal events such as phase change.
  • the applications are wide and can be extended, notably to petrochemicals and chemicals.

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Abstract

Le dispositif (100) pour le contrOle des gaz de combustion et de l'aspect thermocinEtique des rEactions thermiques et chimiques de tout processus comporte un corps mEtallique tubulaire (1), fermE A ses extrEmitEs par un bouchon (2) pourvu de voies d'entrEe et de sortie (8, 9), et un capuchon (3) A l'intErieur duquel est montEe une lentille mEtallique (11) A grande effusivitE dont l'une des faces (12) est en contact avec un fluide gazeux (22). Une chambre isotrope (5) de mesure du flux radiatif est disposEe A l'intErieur du corps mEtallique (1) et un dEtecteur (20) de flux thermique est fixE dans le plan mEdian de la chambre isotrope (5).

Description

DISPOSITIF DE MESURE D'UN FLUX THERMIQUE
Domaine technique
La présente invention concerne un dispositif de mesure d'un flux thermique non stationnaire radiatif et convectif engendré au sein d'un fluide gazeux, notamment un fluide gazeux fortement corrosif sous haute pression et à haute température tel qu'un gaz provenant de la combustion de propergols.
Technique antérieure On connaît déjà divers systèmes destinés à mesurer le flux thermique. L'un de ces systèmes est décrit dans l'article "Intégral Plug-Type Heat-Flux Gauge" dans NTS TECH NOTES, US Department of Commerce, Springfield, VA, US, 1992, page 34, 1-2, XP000287850 ISSN : 0889-8464 et concerne un fluxmètre, basé sur l'utilisation de thermocouples, qui mesure le flux de chaleur en contact avec un échantillon de matériau et en effectuant une comparaison avec des jauges conventionnelles. Ce fluxmètre travaille par convexion et non par radiation et ne permet pas de contrôler les réactions thermiques instationnnaires se produisant dans les gaz.
Un autre système est décrit par la publication DE 2 064 292, au nom de SHOWA DENKO KK, qui concerne un thermofluxmètre ayant une plaque thermiquement conductrice associée à deux plaques à forte résistance thermique disposées de part et d'autre de la plaque thermiquement conductrice ainsi que deux thermocouples montés de part et d'autre du système. Il s'agit en fait d'un fluxmètre à parois auxiliaires classique travaillant par conduction. Le temps de réponse de ce type d'instrument est trop lent pour les régimes instationnaires présents dans les gaz à forte réactivjté.
Un troisième système est décrit dans l'article de R S Figliola et al "Boundary condition influences on the effective area of a local heat flux probe" paru dans
MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP PUBLISHING, Bristol,
GB, Vol 7, no 10 du 1er octobre 1996 (1996-10-01) pages 1439-1443, XP000632229 ISSN: 0957-0233 qui a pour objet un capteur de flux thermique monté obligatoirement sur un corps isotherme et qui fonctionne par convexion et non par radiation. Le transfert par convexion implique un temps de réaction important, de sorte que le système ne se prête pas à l'étude de phénomènes rapides.
Habituellement, le contrôle de la combustion des propergols s'effectue en mesurant la température des gaz de combustion au moyen de thermocouples dont le doigt de gant est en contact avec le fluide gazeux. Cependant les capteurs des thermocouples ont un temps de réponse relativement long et exigent des délais de contact avec le fluide gazeux relativement importants. Ces dispositifs se détériorent de ce fait très vite dans ces gaz fortement corrosifs à haute pression et à haute température. En outre, les phénomènes de combustion étant très variables et non stationnaires, les essais de contrôle de la combustion sont de très courte durée et exigent des dispositifs de mesure possédant un faible temps de réponse. Une solution à faible constante de temps consiste à réaliser une mesure optique de la température au travers d'une fenêtre de saphir, mais le coût d'un tel dispositif est élevé et la fenêtre s'obscurcit très rapidement par dépôt des résidus de combustion.
Au-delà du coût et de l'inadéquation des dispositifs existants, le principe même du contrôle de la combustion des gaz par la température reste inapproprié. En effet, tous les systèmes de contrôle mesurent la température moyenne du fluide gazeux mais la température est une grandeur d'état et n'est pas représentative de la thermocinétique des gaz de combustion et de l'état réel desdits gaz à chaque instant de la combustion. Le contrôle des quantités de chaleur engendrées au sein des gaz en combustion par la grandeur densité de flux thermique reste la seule manière de rendre compte des phénomènes variables se produisant au sein du fluide gazeux. Or les phénomènes qui se passent dans les gaz sont des phénomènes rapides que les systèmes classiques de mesure de température ou de mesure du flux thermique ne peuvent pas cerner en raison essentiellement de leur temps de réponse trop long.
Exposé de l'invention Le but de la présente invention est de pallier les inconvénients des dispositifs existants en réalisant un dispositif à très faible temps de réponse permettant de mesurer instantanément la densité du flux thermique dans un milieu gazeux fortement corrosif et aux conditions drastiques de température et de pression, tout en limitant la détérioration excessive des capteurs du flux thermique et les coûts qui en résultent.
Ce but est atteint par un dispositif de mesure tel que défini en préambule, caractérisé en ce qu'il comporte un corps métallique tubulaire ouvert à ses deux extrémités, une chambre isotrope à faible déperdition de chaleur, montée coaxialement à l'intérieur dudit corps métallique tubulaire, un détecteur dudit flux thermique radiatif, disposé à l'intérieur de ladite chambre isotrope, ce détecteur étant agencé pour délivrer un signal électrique représentatif du flux thermique non stationnaire radiatif et convectif engendré au sein du fluide gazeux, une lentille métallique agencée pour pomper la chaleur du fluide gazeux et l'irradier intégralement et instantanément dans ladite chambre isotrope, cette lentille étant montée sur un capuchon agencé pour obturer une des extrémités dudit corps métallique tubulaire, et un bouchon agencé pour obturer l'autre extrémité dudit corps métallique tubulaire, un espace étant ménagé entre ladite chambre isotrope et ledit corps métallique tubulaire pour permettre le passage d'un gaz de balayage circulant dans ladite chambre isotrope et dans ledit espace.
Selon un mode de réalisation préféré, le corps métallique tubulaire est pourvu d'un évent de sécurité débouchant dans l'espace ménagé entre ladite chambre isotrope et ledit corps métallique tubulaire et par lequel ledit espace communique avec l'extérieur pour permettre la sortie du gaz de balayage en surpression. Selon ce mode de réalisation préféré, le capuchon est monté de manière amovible sur une extrémité du corps métallique tubulaire.
De façon préférentielle, le capuchon comporte un filetage extérieur agencé pour coopérer avec un filetage intérieur ménagé à une des extrémités dudit corps métallique tubulaire.
D'une façon particulièrement avantageuse, le capuchon comporte une ouverture traversante dans laquelle ladite lentille métallique est montée de façon telle que l'une de ses faces soit en contact avec ledit fluide gazeux.
Dans la forme de réalisation préférée, le détecteur et les parois latérales de la chambre isotrope sont solidaires du bouchon et ledit bouchon est avantageusement pourvu de voies d'entrée et de sortie du gaz de balayage.
De préférence, la paroi intérieure de la chambre isotrope est revêtue d'un dépôt métallique poli de manière à assurer une réflexion corpusculaire maximale du flux thermique radiatif émis dans la chambre.
Dans cette forme de réalisation, la paroi extérieure de la chambre isotrope est également revêtue d'un dépôt métallique de manière à réfléchir un rayonnement parasite coaxial émis par le corps métallique tubulaire dans l'espace ménagé entre ladite chambre isotrope et ledit corps métallique tubulaire.
La chambre isotrope peut être de forme cylindrique et le détecteur est fixé selon l'axe de cette chambre.
La lentille métallique est avantageusement un corps à grande effusivité agencé pour pomper la chaleur du flux thermique par sa face en contact avec le fluide gazeux, son autre face étant agencée pour irradier instantanément et intégralement le flux thermique pompé à l'intérieur de la chambre isotrope.
A cet effet, la face de la lentille en contact avec le fluide gazeux peut être revêtue d'un dépôt d'oxyde métallique à fort coefficient d'absorption et résistant à la corrosion, l'autre face étant revêtue d'un dépôt métallique à forte émissivité.
La lentille métallique est avantageusement pourvue à sa périphérie d'un élément de fixation par lequel elle est fixée de façon amovible à l'extrémité du corps métallique au moyen du capuchon.
Dans une variante de réalisation, la lentille métallique peut comporter une partie circulaire par laquelle elle pompe le flux thermique du fluide gazeux et une partie conique irradiant le flux thermique pompé dans la - chambre isotrope, les deux parties étant rendues solidaires l'une de l'autre par un axe de liaison de faible diamètre.
Dans cette forme de réalisation, la partie circulaire de la lentille métallique peut être de forme plate, cylindrique ou bombée.
En outre, la partie conique de la lentille métallique peut comporter une cavité tronconique agencée pour augmenter la surface émissive, ladite partie conique étant pleine et bombée.
Description sommaire des dessins
La présente invention et ses avantages seront mieux compris en référence à la description détaillée d'un exemple de réalisation préféré, donné à titre indicatif et non limitatif, et aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en coupe représentant la forme de réalisation préférée du dispositif selon l'invention, - la figure 2 est une vue schématique en coupe suivant un plan normal au plan de coupe de la figure 1 et représentant ledit dispositif et son positionnement sur un support contenant le fluide gazeux, au cours de la mesure.
- la figure 3 est une vue schématique en coupe d'une variante du dispositif de mesure du flux thermique selon l'invention, et
- les figures 4A, 4B, 4C et 4D représentent schématiquement quelques formes de la lentille métallique du dispositif de mesure de l'invention.
Manières de réaliser l'invention
En référence aux figures 1 et 2, le dispositif de mesure du flux thermique non stationnaire 100 représenté comporte un corps métallique tubulaire 1 fermé à l'une de ses extrémités par un bouchon 2 et à son autre extrémité par un capuchon 3 pourvu d'une ouverture centrale traversante 4. Une chambre isotrope 5 de mesure radiative, constituée d'un cylindre creux et équipée d'un détecteur 20 plat de forme rectangulaire, est fixée de manière coaxiale à l'intérieur du corps métallique tubulaire 1 , l'une des extrémités de ladite chambre isotrope 5 étant solidaire du bouchon 2 et l'autre extrémité de cette chambre restant ouverte. Un espace cylindrique annulaire 6 est prévu entre la chambre isotrope 5 et la paroi intérieure 7 du corps métallique 1 afin de permettre l'évacuation d'un gaz de balayage 25. Ce gaz de balayage 25 est de préférence de l'air comprimé à faible pression qui est ventilé dans la chambre isotrope 5 afin de maintenir la température du détecteur 20 la plus stable possible pendant toute la durée de la mesure. A cet effet, le bouchon 2 est pourvu d'au moins une voie d'entrée 8 dudit gaz de balayage 25 et d'au moins une voie de sortie 9 par laquelle ce gaz est évacué sous la forme d'un alésage traversant, ces voies étant de préférence réalisées sous la forme d'alésages traversants. Le corps métallique tubulaire 1 est également pourvu, à l'une de ses extrémités, d'au moins un évent 10 de faible diamètre débouchant radialement dans l'espace annulaire 6, cet évent permettant également la sortie du gaz de balayage 25. Cette ventilation évite les risques de surpression au sein du dispositif.
Une lentille métallique 11 de forme cylindrique à grande effusivité est montée à l'une des extrémités du corps métallique 1 coaxialement à ce corps en se logeant à travers l'ouverture 4 du capuchon 3. Cette lentille 11 comporte une face extérieure 12 légèrement bombée qui forme une protubérance par rapport à la face extérieure du capuchon et une face intérieure 13 pourvue d'une cavité tronconique 14 s'ouvrant à l'intérieur de la chambre isotrope 5. La face extérieure 12 de la lentille métallique est en contact avec le fluide gazeux 22 dans lequel se trouve le dispositif. La lentille 11 est en outre pourvue d'une collerette 17 permettant sa mise en place de façon amovible à l'extrémité inférieure de la chambre isotrope 5. A cet effet cette collerette 17 est agencée pour venir s'appliquer contre l'extrémité du corps métallique 1. Elle est maintenue en position par le capuchon 3. qui est pourvu d'un filetage intérieur 18a qui coopère avec un filetage extérieur 18b du corps métallique 1 pour réaliser une liaison démontable. L'extrémité supérieure de la lentille 11 obture la sortie de la chambre isotrope 5 et comporte un épaulement 15 afin de ménager un passage 16 permettant d'évacuer le gaz de balayage. Ce passage 16 peut également être défini de n'importe quelle autre façon, par exemple par la présence d'un chanfrein.
Le bouchon 2 obture l'extrémité supérieure du corps métallique 1 par une liaison par filetage 19, le corps étant pourvu du filetage intérieur et le filetage extérieur correspondant étant réalisé sur la paroi extérieure du bouchon 2. N'importe quelle autre forme de liaison démontable pourrait être envisagée.
Le détecteur 20 est disposé dans le plan médian de la chambre isotrope 5 de sorte que l'une de ses extrémités est solidaire du bouchon 2 et le traverse en dépassant de quelques millimètres et que l'autre extrémité est légèrement raccourcie par rapport à ladite chambre isotrope 5, les côtés latéraux dudit détecteur 20 étant quasiment en contact avec la paroi intérieure 31 de la chambre. Il est également fixé par ses cotés latéraux à la paroi intérieure de la chambre isotrope 5. Cette fixation peut être réalisée de n'importe quelle manière appropriée.
Le dispositif de mesure du flux thermique 100 se fixe de manière amovible par l'intermédiaire du corps métallique tubulaire 1 sur un support 21 contenant le fluide gazeux 22 à contrôler. Ce support peut par exemple être la paroi d'un réacteur ou d'une turbine, dans le cas particulier du contrôle des gaz provenant de la combustion des propergols. La partie 23 du corps métallique 1 qui se fixe dans le support 21 peut avoir un diamètre extérieur plus grand ou plus petit que celui de la partie 24 dudit corps 1 se trouvant à l'extérieur dudit support. Le corps métallique tubulaire 1 peut avoir n'importe quelle autre forme appropriée facilitant le montage des différents composants du dispositif et sa fixation sur le support 21 , son axe étant perpendiculaire au sens d'écoulement du fluide gazeux 22. La chambre isotrope 5 possédant les mêmes propriétés d'irradiation thermique dans toutes les directions, l'orientation du plan du détecteur 20 par rapport au sens d'écoulement du fluide gazeux 22 à contrôler n'affecte pas les mesures du flux thermique. Ceci offre une souplesse de fixation du dispositif en vue des mesures.
La figure 3 représente une autre forme de réalisation du dispositif de l'invention. Dans cette variante, la lentille métallique 11 a une forme sensiblement différente de celle de la lentille illustrée par les figures 1 et 2. Cette lentille 11 comporte une partie circulaire 26, par laquelle elle pompe par convection et radiation le flux thermique du fluide gazeux 22, et une partie conique 27 à cavité tronconique 14 par laquelle elle irradie les quantités de chaleur reçues dans la chambre isotrope 5, les deux parties 26 et 27 étant solidaires l'une de l'autre par l'intermédiaire d'un axe de liaison 28. La lentille 11 est reliée au capuchon 3 par une liaison à pivot, ce sous-assemblage lentille-capuchon étant fixé de manière amovible à l'extrémité du corps métallique 1 par une liaison par vissage 29, le capuchon 3 étant pourvu d'un filetage extérieur et le corps métallique 1 d'un filetage intérieur correspondant. Le corps métallique 1 peut être pourvu d'un filetage extérieur 30 par lequel le dispositif est fixé à l'intérieur d'un alésage correspondant (non représenté) ménagé sur le support du fluide gazeux, ledit alésage étant pourvu d'un filetage intérieur correspondant.
Le sous-assemblage amovible lentille-capuchon peut être facilement remplacé dès que la lentille 11 est usée par l'action corrosive du fluide gazeux ou détériorée par les conditions de travail. A cet effet, différentes formes de lentilles 11 sont envisageables et peuvent être remplacées en fonction des paramètres du fluide gazeux 22, le dispositif étant étalonné après chaque remplacement.
Les figures 4A, 4B, 4C et 4D illustrent quelques autres formes de la lentille métallique 11. Dans ces différentes variantes, la partie circulaire 26 de la lentille, qui est en contact avec le fluide gazeux 22 à contrôler, peut être de forme plate (fig. 4A), cylindrique (fig. 4B) ou bombée (fig. 4C) et la partie conique 27 irradiant la chaleur dans la chambre isotrope 5 peut présenter une forme plate (fig. 4A à 4C), circulaire (non représentée) ou bombée (fig. 4D). Elle peut également se présenter sous la forme d'un cône creux (fig. 4A à 4C) permettant d'augmenter sa surface émissive.
Lorsque le dispositif 100 est convenablement fixé sur le support 21 contenant un fluide gazeux 22 à haute température et sous forte pression, les quantités de chaleur engendrées au sein du fluide par la combustion sont pompées par la lentille métallique 11 à grande effusivité qui, sous la poussée thermique du fluide environnant avec lequel elle est en contact, tend à imposer à l'interface commune gaz-lentille 12, une température voisine de la température propre de ladite lentille 11. La discontinuité de température imposée à l'interface étant considérable, le fluide gazeux 22 cède alors plus rapidement, par convection et par radiation, les quantités de chaleur à ladite lentille 11. Il en va de même de la face 13 de la lentille 11 en contact avec le gaz comprimé 25 balayant la chambre isotrope 5. La convection étant très faible dans cette chambre isotrope, la seconde face 13 de la lentille 11 cède, par irradiation, au milieu gazeux 25 les quantités de chaleur reçues. Le détecteur 20 délivre alors un signal électrique proportionnel aux quantités de chaleur irradiées par la lentille 11. Ce signal électrique est donc proportionnel à la densité de flux thermique pénétrant dans la lentille 11 par sa face 12 et est représentatif de la variabilité des flux thermiques engendrés au sein du fluide gazeux 22 à contrôler. De façon préférentielle, le gaz de balayage 25, par exemple de l'air comprimé à faible pression, est introduit dans la chambre isotrope 5 par la voie d'entrée 8, il balaye la chambre isotrope 5 et ressort par la voie de sortie 9 en passant par l'espace annulaire 6. Ceci permet de maintenir la température du détecteur 20 la plus stable possible pendant toute la durée de la mesure.
La paroi intérieure 31 de la chambre isotrope 5 est avantageusement revêtue d'un dépôt métallique poli afin d'assurer une réflexion corpusculaire maximale du rayonnement radiatif émis dans la chambre. Ledit dépôt intérieur peut être réalisé en or, selon un procédé connu de dépôt sous vide ou similaire. Ce matériau ne présente qu'une très faible absorption du rayonnement émis. La paroi extérieure 32 de la chambre est également revêtue du même dépôt métallique afin de réfléchir le rayonnement parasite coaxial émis par le corps métallique 1 dans l'espace annulaire 6 qui crée une barrière thermique tendant à réduire le flux parasite conductif et radiatif provenant dudit corps.
De même, la surface de la lentille 11 en contact avec le fluide gazeux 22 à contrôler, c'est-à-dire sa surface extérieure 12, et sa surface en contact avec le flux de balayage 25, c'est-à-dire sa surface intérieure 13, peuvent être revêtues d'un corps noir. A cet effet, la surface extérieure 12 est revêtue d'un oxyde métallique à fort coefficient d'absorption afin d'améliorer la tenue de la lentille 11 à la corrosion, notamment du chlore, et accroître avantageusement sa durée de vie, et la surface intérieure 13 est revêtue d'un dépôt métallique à forte émissivité. Le dispositif de mesure de flux thermique 100 est relié pendant la mesure à une unité de traitement (non représentée) au moyen de câbles électriques (non représentés). Ces câbles sont essentiellement reliés au circuit électrique du détecteur 20. Lorsque ledit détecteur est irradié par la quantité de chaleur provenant de la lentille 11 , il délivre à l'unité de traitement un courant électrique proportionnel à la densité de flux thermique sortant de la lentille 11 et, par suite, au flux thermique non stationnaire engendré au sein du fluide gazeux 22 à contrôler. L'unité de traitement peut alors calculer la densité du flux thermique au sein du fluide.
La température du fluide gazeux 22 peut ensuite être déduite de la valeur de la densité du flux thermique mesurée par la loi de Stefan Boltzmann :
T0 = ( ι2 φo. σ -1 + T4 ) 1 4 dans laquelle T0 désigne la température de la lentille 11 , T la température du détecteur du flux radiatif 20, φ0 la densité du flux thermique pénétrant dans la lentille, σ la constante de Boltzmann et 12 le facteur de forme du dispositif. Ce facteur de forme 12 est un facteur d'étalonnage qui prend en compte l'ensemble des influences des différents paramètres physiques et de construction du dispositif. Pendant l'étalonnage, ce facteur est ajusté jusqu'à ce que la température indiquée par l'unité de traitement corresponde à celle de la cible étalon prise comme référence.
A partir de la mesure du flux thermique, l'unité de traitement peut également calculer l'indicateur d'état thermocinétique du fluide gazeux 22, ledit indicateur informant de manière complète sur l'évolution de la combustion. Le dispositif selon l'invention permet ainsi de disposer avantageusement de trois données capitales sur la thermocinétique des gaz de combustion, soit la densité de flux thermique et l'indicateur d'état thermocinétique qui sont des grandeurs variables et la température qui est une grandeur d'état. Le détecteur du flux radiatif 20 monté dans la chambre isotrope n'est pas perturbé par le flux convectif parasite engendré par les gaz de balayage 25 de la chambre isotrope 5. Ledit détecteur 20 doit être de préférence un détecteur à montage à couples coplanaires différentiels. Ce type de détecteur est disponible dans le commerce.
La lentille métallique 11 du dispositif de mesure du flux thermique 100 est de préférence réalisée en cuivre dont l'effusivité thermique est très élevée, c'est- à-dire de l'ordre de 36.103 J/(m2.c.s1/2). La chambre isotrope 5 selon la forme de réalisation préférée a 40 mm de longueur et 5 mm de diamètre intérieur et la lentille 11 a 6 mm de diamètre et une hauteur de 6 mm.
Possibilités d'applications industrielles
Ce dispositif de mesure peut être utilisé pour le contrôle des gaz de combustion et de tout processus dont on cherche à contrôler l'aspect thermocinétique des réactions thermiques et chimiques, notamment dans les tuyères et les réacteurs, et les piles à combustibles pour la détection d'événements thermiques tels que le changement de phases. Les applications sont larges et peuvent être étendues notamment à la pétrochimie et à la chimie.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif de mesure d'un flux thermique non stationnaire radiatif et convectif engendré au sein d'un fluide gazeux (22), notamment un fluide gazeux fortement corrosif sous haute pression et à haute température, tel qu'un gaz provenant de la combustion de propergols, caractérisé en ce qu'il comporte un corps métallique tubulaire (1) ouvert à ses deux extrémités, une chambre isotrope (5) à faible déperdition de chaleur, montée coaxialement à l'intérieur dudit corps métallique tubulaire (1), un détecteur (20) dudit flux thermique radiatif, disposé à l'intérieur de ladite chambre isotrope (5), ce détecteur étant agencé pour délivrer un signal électrique représentatif du flux thermique non stationnaire radiatif et convectif engendré au sein du fluide gazeux (22), une lentille métallique (11) agencée pour pomper la chaleur du fluide gazeux (22) et l'irradier intégralement et instantanément dans ladite chambre isotrope (5), cette lentille étant montée sur un capuchon (3) agencé pour obturer une des extrémités dudit corps métallique tubulaire (1) et un bouchon (2) agencé pour obturer l'autre extrémité dudit corps métallique tubulaire (1), un espace cylindrique annulaire (6) étant ménagé entre ladite chambre isotrope (5) et ledit corps métallique tubulaire (1) pour permettre le passage d'un gaz de balayage (25) circulant dans ladite chambre isotrope (5) et dans ledit espace (6).
2. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le corps métallique tubulaire (1) est pourvu d'un évent de sécurité (10) débouchant dans l'espace (6) ménagé entre ladite chambre isotrope et ledit corps métallique tubulaire et par lequel ledit espace (6) communique avec l'extérieur pour permettre la sortie du gaz de balayage (25) en cas de surpression.
3. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que le capuchon (3) est monté de manière amovible sur une extrémité du corps métallique tubulaire (1).
4. Dispositif de mesure selon la revendication 3, caractérisé en ce que le capuchon (3) comporte un filetage extérieur (18a) agencé pour coopérer avec un filetage intérieur (18b). ménagé à une des extrémités dudit corps métallique tubulaire (1).
5. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le capuchon (3) comporte une ouverture traversante (4) dans laquelle ladite lentille métallique (11) est montée de façon telle que l'une de ses faces (12, 13) soit en contact avec ledit fluide gazeux (22).
6. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le détecteur (20) est solidaire du bouchon (2).
7. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le les parois latérales de la chambre isotrope (5) sont solidaires du bouchon (2).
8. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le bouchon (2) est pourvu de voies d'entrée (8) et de sortie (9) du gaz de balayage (25).
9. Dispositif de mesure selon la revendication 1, caractérisé en ce que la paroi intérieure (31) de la chambre isotrope (5) est revêtue d'un dépôt métallique poli de manière à assurer une réflexion corpusculaire maximale du flux thermique radiatif émis dans ladite chambre (5).
10. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la paroi extérieure (32) de la chambre isotrope (5) est également revêtue d'un dépôt métallique de manière à réfléchir un rayonnement parasite coaxial émis par le corps métallique tubulaire (1) dans l'espace annulaire (6).
11. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la chambre isotrope (5) est de forme cylindrique et en ce que le détecteur
(20) est fixé selon l'axe de cette chambre (5).
12. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la lentille métallique (11) est un corps à grande effusivité agencé pour pomper la chaleur du flux thermique par sa face (12) en contact avec le fluide gazeux (22), son autre face (13) étant agencée pour irradier instantanément et intégralement le flux thermique pompé à l'intérieur de la chambre isotrope (5).
13. Dispositif de mesure selon la revendication 12, caractérisé en ce que la face (12) de la lentille (11) en contact avec le fluide gazeux (22) est revêtue d'un dépôt d'oxyde métallique à fort coefficient d'absorption et résistant à la corrosion, l'autre face (13) étant revêtue d'un dépôt métallique à forte émissivité.
14. Dispositif de mesure selon la revendication 1 , caractérisé en ce que la lentille métallique (11) est pourvue à sa périphérie d'un élément de fixation (17) par lequel elle est fixée de façon amovible à l'extrémité du corps métallique (1) au moyen du capuchon (3).
15. Dispositif de mesure selon la revendication 12, caractérisé en ce que la lentille métallique (11) comporte une partie circulaire (26) par laquelle elle pompe le flux thermique du fluide gazeux (22) et une partie conique (27) irradiant le flux thermique pompé dans la chambre isotrope (5), les deux parties (26 et 27) étant rendues solidaires l'une de l'autre par un axe de liaison (28) de faible diamètre.
16. Dispositif de mesure selon la revendication 15, caractérisé en ce que la partie circulaire (26) de la lentille métallique (11) est de forme plate, cylindrique ou bombée.
17. Dispositif de mesure selon la revendication 15, caractérisé en ce que la partie conique (27) de la lentille métallique (11) comporte une cavité tronconique (14) agencée pour augmenter la surface émissive.
18. Dispositif de mesure selon la revendication 15, caractérisé en ce que la partie conique (27) de la lentille métallique (11) est pleine et bombée.
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