Étude des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport des plasmas de mélanges d’air et de vapeur d’eau dans la gamme de température 500K à 12000K : applications aux disjoncteurs basse et moyenne tensions

Abstract

L’objectif de ce travail est la caractérisation théorique des plasmas thermiques de mélanges d’air et de vapeur d’eau dans la gamme de températures allant de 500 K à 12000 K. Il s’est agi de déterminer la composition chimique du plasma de mélange à l’équilibre chimique par la méthode de minimisation de l’énergie libre de Gibbs. L’influence du taux de vapeur d’eau dans l’air, de la pression et du déséquilibre thermique ont été observé sur la composition. Cette composition chimique a été ensuite utilisée pour déterminer les propriétés thermodynamiques telles que la masse volumique, l’enthalpie massique et la capacité calorifique à pression constante. Ces propriétés thermodynamiques ont permis de déterminer les paramètres très importants pour la modélisation des plasmas d’arcs électriques comme le flux de puissance et la densité d’énergie. Nous avons également utilisé la composition d’équilibre pour déterminer les coefficients de transport tels que le coefficient de conductivité électrique, le coefficient de conductivité thermique et la viscosité dynamique. L’influence de la pression et du déséquilibre thermique a été aussi observée sur ces différents paramètres. Un code de calcul de composition d’équilibre, des propriétés thermodynamiques et des coefficients de transport a été élaboré dans le langage de programmation MATLAB. De cette étude et en faisant un rapprochement des différents résultats, il ressort que l’apport de la vapeur d’eau dans le plasma améliore les performances du disjoncteur dans certaines gammes de températures à condition que la molécule d’eau se dissocie et libère l’atome d’hydrogène. C’est donc l’atome d’hydrogène libre dans le plasma qui améliore les performances du disjoncteur pour la coupure du courant électrique.