Modèle physique de l'arc glissant

(Reçu le 15 juillet 1993, revisé le 11 avril 1994, accepté le 26 avril 1994)

Abstract
A gliding arc device allows the production of powerful nonequilibrium plasmas at atmospheric pressure that are interesting for industrial applications. This device takes advantage of an arc which slides between two divergent electrodes in a gas flow. The paper presents a physical model of this arc with the aim of studying the plasma parameters, and two working conditions are distinguished. During a first period the arc in thermodynamic equilibrium slides between the electrodes with a dissipated power per unit length that remains fairly constant ; when the length of the arc attains a certain critical value the dissipated power is no longer sufficient to balance the heat losses. As a result, the gas temperature falls abruptly and the arc evolves towards a second mode far from equilibrium (  K ;  K). The model makes it possible to show that a very important part (75 to 80 %) of the electrical energy involved in the arc is dissipated during this second period ; this nonequilibrium plasma is particularly useful for inducing with high efficiency chemical reactions which involve vibrational excitation of molecules like for instance the decomposition of CO ₂ and SH ₂, the synthesis of NO _x, the production of H ₂ from H ₂O, the conversion of CH ₄ into C ₂H ₂, and the production of syn gas (CO + H ₂).

Résumé
Un dispositif à arc glissant permet de réaliser à la pression atmosphérique avec des puissances importantes des plasmas hors équilibre qui présentent de l'intérêt pour les applications industrielles. Ce dispositif met à profit un arc qui se déplace dans un écoulement de gaz entre deux électrodes divergentes. Nous présentons ici un modèle physique de cet arc qui a pour objectif d'étudier les paramètres du plasma. On distingue deux régimes de fonctionnement. Pendant une première période l'arc en équilibre thermodynamique se déplace entre les électrodes en dissipant une puissance par unité de longueur sensiblement constante ; lorsque la longueur de l'arc atteint une certaine valeur critique, la puissance dissipée n'est plus suffisante pour équilibrer les pertes de chaleur. Il en résulte une chute brutale de la température du gaz avec évolution de l'arc vers un deuxième régime fortement hors équilibre (  K ;  K). Le modèle permet de montrer qu'une partie très importante (75 à 80 %) de l'énergie électrique mise en jeu est dissipée pendant cette deuxième période ; ce plasma hors équilibre est particulièrement efficace pour induire avec un rendement élevé les réactions chimiques faisant intervenir l'excitation vibrationnelle des molécules comme par exemple la décomposition de CO ₂ et de SH ₂, la synthèse de NO _x, la production de H ₂ à partir de H ₂O, la conversion de CH ₄ en C ₂H ₂, et la production du gaz de synthèse (CO + H ₂).