Theoretical characterization of the hollow cathode of an industrial thermal plasma torch (300kW)

Ces travaux sont consacrés à la modélisation tridimensionnelle transitoire d’une torche à plasma thermique de 300kW à cathode creuse fonctionnant avec de l’air. La finalité de ces travaux est d’aider au dimensionnement des torches de plus fortes puissances (ex : torche de 10MW). Cette technologie de torches est composée (1) d’une cathode creuse, (2) d’une chambre d’injection du gaz plasmagène en vortex et (3) d’une bobine externe créant un champ magnétique permettant la rotation du pied d’arc afin de réduire son érosion. La première partie de ces travaux est dédiée à la présentation du modèle tridimensionnel développé avec l’outil numérique (Ansys-Fluent) pour la résolution des équations magnétohydrodynamiques. Le modèle prend en compte le plasma thermique créé par la présence de l’arc électrique, la circulation du courant dans les électrodes ainsi que le mouvement de l’arc au sein de la torche soumis au champ magnétique externe et au flux du gaz plasmagène injecté en vortex. Le rayonnement du plasma est considéré par la méthode du coefficient d’émission nette. Le modèle tient compte des chutes de tension additionnelles au niveau des interfaces de contact arc-surface de l’électrode par une résistivité additionnelle sans pour autant les traiter finement. Dans une deuxième partie, les mouvements de translation axiale et de rotation de l’arc au sein de la torche sont analysés. Les résultats obtenus sont confrontés aux résultats expérimentaux disponibles dans la littérature. Un bon accord est trouvé en termes de positionnement de la zone d’usure sur la surface interne de la cathode, de tension d’arc et d’efficacité de torche (de l’ordre de 80%). La vitesse de rotation d’arc (de l’ordre de 100m/s) pour des intensités de 260A et de champ magnétique externe de 200mT pour un débit d’air injecté en entrée de 37g/s est en adéquation avec les formulations analytiques proposées par d’autres auteurs. Les résultats montrent des températures élevées du plasma thermique généré (autour de 15kK au cœur du plasma) et le comportement transitoire de son écoulement. Enfin, en dernière partie une étude paramétrique, indispensable pour la montée en puissance, est consacrée à l’estimation des pertes thermiques du plasma vers les parois de la torche pour différentes conditions opératoires.This work is devoted to a three-dimensional transient modeling of a 300kW thermal plasma torch with hollow cathode operating with air. The purpose of this work is to help the dimensioning of higher power torches (e.g. 10MW torch). This torch technology is composed of (1) a hollow cathode, (2) a vortex gas injection chamber and (3) an external coil creating a magnetic field allowing the rotation of the arc root to reduce its erosion. The first part of this work is dedicated to the presentation of the three-dimensional model developed with the numerical tool (Ansys-Fluent) for the resolution of the magneto hydrodynamic equations. The model takes into account the thermal plasma created by the presence of the electric arc, the current flow in the electrodes as well as the movement of the arc within the torch subjected to the external magnetic field and the flow of the plasma gas injected in vortex. The plasma radiation is considered by the net emission coefficient method. The model takes into account the additional voltage drops at the arc-surface contact interfaces of the electrode by an additional resistivity without treating them finely. In a second part, the axial translation and rotation movements of the arc within the torch are analyzed. The results obtained are compared with the experimental results available in the literature. A good agreement is found in terms of positioning of the wear zone on the inner surface of the cathode, arc voltage and flare efficiency (around 80%). The arc rotation speed (of the order of 100m/s) for intensities of 260A and external magnetic field of 200mT for an inlet air flow rate of 37g/s is in agreement with the analytical formulations proposed by other authors. The results show high temperatures of the generated thermal plasma (around 15kK at the core) and the transient behavior of its flow. Finally, in the last part, a parametric study, essential for the power increase, is devoted to the estimation of the thermal losses of the plasma towards the walls of the torch for different operating conditions