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Combustion Eléments de cours 1/74 O. Bonnefoy (bonnefoy@emse.fr) Année 2014-15

Combustion Eléments de cours 1/74 O. Bonnefoy (bonnefoy@emse.fr) Année 2014-15 Challenges Réduire les émissions de polluants (CO2 ,Nox, suies, …) Améliorer l’efficacité des moteurs pour limiter la consommation de combustibles fossiles 2/74 Biocarburants 2ème génération Recherches conduites à l’EMSE Gas of synthesis Gas of synthesis Gas of synthesis Gas of synthesis Gazeification Wood powder Wood powder Wood powder Wood powder Natural wood Natural wood Natural wood Natural wood pellets pellets pellets pellets Wood residues from forest Wood residues from forest Wood residues from forest Wood residues from forest industry operations industry operations industry operations industry operations ↗ yield ↗ yield ↗ yield ↗ yield Grinding 3/74 Propulsion aéronautique Simulations aux Grandes Échelles (SGE ou Large Eddy Simulation -LES- en Anglais) 4/74 http://www.cerfacs.fr/8-26776-Combustion-turbulente-.php Génération d’électricité Oxycombustion http://coalboiler.blogspot.com/2009/03/coal-combustion-system.html 5/74 http://www.fluid.me.kyoto-u.ac.jp/english/study/estudy.html Propulsion terrestre Charge stratifiée 6/74 Sommaire 1. Thermochimie 1. Réactifs et produits 2. Combustions stœchiométrique et non-stœchiométrique 3. Combustions incomplètes 3. Combustions incomplètes 4. Pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur, enthalpie de réaction 5. Température adiabatique 6. Polluants et additifs 2. Cinétique 1. Mécanismes réactionnels et loi de vitesse 2. Température critique d’auto-allumage et temps d’induction 3. Limites d’explosivité 4. Ignition et extinction de la combustion 3. Mécanique des fluides 1. Explosions : déflagration et détonation 7/74 1. Explosions : déflagration et détonation 2. Cognement et additifs 4. Aérothermique 1. Flammes de diffusion et de prémélange 2. Structure interne des flammes turbulentes 3. Régimes de combustion turbulente et diagramme de Borghi La combustion : un domaine riche La combustion ou comment une réaction d’oxydo-réduction libère de la chaleur. • Chimie : combustion = réaction d’oxydation exothermique • Thermodynamique : espèces stables, loi d’action de masse • Cinétique : mécanismes réactionnels, délai d’allumage • Transferts thermiques : chaleur dégagée, choix des matériaux • Physique : dispersion et vaporisation des combustibles liquides • Mécanique des fluides : turbulences, déflagration et détonation => Un très joli challenge scientifique et technologique 8/74 => Un très joli challenge scientifique et technologique Unité n° 1 Thermochimie 9/74 Thermochimie : sommaire • Les acteurs : comburant + combustibles -> produits • Combustions stoechiométriques et non-stoechiométriques • Combustions incomplètes • Pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur, enthalpie de réaction • Température adiabatique • Polluants et additifs 10/74 Flamme Flamme = zone de l’espace où se déroule la combustion. Combustion = réaction d’oxydation classique du type « comburant + combustible produits + chaleur » « comburant + combustible produits + chaleur » Du fait du dégagement de chaleur, la température de la flamme est élevée. Les produits de combustion solides (suies) se comportent comme des corps noirs. La longueur d’onde émise dépend de la température (Tbleu > Tjaune). 11/74 Comburant Très souvent, le comburant est l’air. Il contient l’oxygène qui est l’agent oxydant. Composition de l’air standard Composant Fraction molaire (%) Masse molaire (g/mol) Fraction massique (%) N2 78,1 28 75,6 Ar+CO2+… 0,9 40 1,2 O2 21 32 23,2 Azote atmosphérique 79 28,15 76,8 12/74 Air = 3,76 moles d’azote atmosphérique pour 1 mole d’oxygène. Combustibles • gaz : mélange d’hydrocarbures gazeux avec éventuellement de l’azote et/ou du dioxyde de carbone. Exemples : gaz naturels, butane et propane commerciaux, air propané, essence* … • liquide : mélange d’hydrocarbures liquides : diesel, fioul domestique, fiouls lourds, … contenant (corps contenant l’agent réducteur) • liquide : mélange d’hydrocarbures liquides : diesel, fioul domestique, fiouls lourds, … contenant des atomes de C,S,H,O,N ; alcools ; … • solide : charbons, bois, … (idem) *Essence : liquide dans les conditions standard mais placé dans la catégorie des combustibles gazeux car sa volatilité est grande : le délai de vaporisation est plus court que le temps caractéristique de la cinétique d'allumage. Alcane CmH2m+2 Méthane CH4 Ethane C2H6 Propane C3H8 Mélange d’hydrocarbures : ∑ i n m i i iH .C ν 13/74 Butane C4H10 Gaz de Lacq C1,205H4,044 Essence ~ C8H18 (octane) Kérosène C11H24 ou C12 H26 Gazole ~ C12H26 (dodécane) Combustible équivalent : CmHn (νi : fraction volumique de CmiHni)        = = ∑ ∑ i i i i i i .n ν n .m ν m ps: sauf gaz naturel, les hydrocarbures fluides obtenus par distillation/crackage de pétrole brut Combustibles liquides Masse volumique : • 750 kg/m3 pour essence • 840 kg/m3 pour gazole 14/74 Source : Nicolas LECYSYN, Université d’Aix-Marseille, 2008, Etude et modélisation des effets d’un impact balistique sur un réservoir • Biomasse →kérogène →combustibles fossiles (dont charbon, pétrole, gaz naturel, …). • Temps, profondeur, pression, température => pyrolyse • De moins en moins d’eau, CO , H , … => de + en + de carbone Combustibles solides (les charbons) • De moins en moins d’eau, CO2, H2, … => de + en + de carbone • Quatre types de charbon : la tourbe, le lignite, la houille et l’anthracite. Produits Teneur en carbone (en %) Tourbe < 50 Lignite 50 - 60 Flambant 70 - 80 Charbon gras ou bitumineux à coke 75 - 90 Temps 15/74 Charbon gras ou bitumineux à coke 75 - 90 Charbon demi-gras ou semi-bitumineux 80 - 90 Charbon maigre et houille anthraciteuse 90 - 93 Anthracite 93 - 97 Temps * Nota Bene : distillation anaérobie de charbon dans un four →élimination des volatiles →coke utilisé en aciéries, cimenteries ,… * Plus d’info sur la transformation biomasse combustible fossile sur : http://www.manicore.com/documentation/formation_petrole.html Produits de combustion Principalement : – dioxyde de carbone (CO2) – vapeur d’eau (H2O) (= fumées) – vapeur d’eau (H2O) – azote (N2) – anhydride sulfureux (SO2) Eventuellement : – dioxygène (O2) – monoxyde de carbone (CO) – NOx (NO et NO2) – dihydrogène (H2) – imbrûlés solides (suies,…) ou gazeux (hydrocarbures). 16/74 – imbrûlés solides (suies,…) ou gazeux (hydrocarbures). Certains sont neutres vis-à-vis de l’environnement ou de la santé. D’autres sont considérés comme polluants. Combustion stœchiométrique La combustion est stœchiométrique (=neutre) lorsqu’il y a exactement assez de comburant pour oxyder totalement le combustible les fumées ne contiennent ni oxygène, ni combustible. oxygène, ni combustible. Exemples : ( )              + + → + + → + → + → + → + + → + N 3,76 O H CO N 3,76 O H C O H O 2 1 H CO O 2 1 CO SO O S CO O C O H 2 CO O 2 CH 2 2 2 2 2 n m 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 17/74 La combustion stœchiométrique conduit à la température de combustion la plus élevée. Par conséquent, elle est considérée comme combustion idéale. Exercice : équilibrer la dernière réaction ( )  2 2 2 2 2 n m Combustion stœchiométrique La combustion est stœchiométrique (=neutre) lorsqu’il y a exactement assez de comburant pour oxyder totalement le combustible les fumées ne contiennent ni oxygène, ni combustible. oxygène, ni combustible. Exemples : ( )              + + → + + → + → + → + → + + → + N 3,76 O H CO N 3,76 O H C O H O 2 1 H CO O 2 1 CO SO O S CO O C O H 2 CO O 2 CH 2 2 2 2 2 n m 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 4 18/74 La combustion stœchiométrique conduit à la température de combustion la plus élevée. Par conséquent, elle est considérée comme combustion idéale. Exercice : équilibrer la dernière réaction ( )  2 2 2 2 2 n m ( ) 2 2 2 2 2 n m N .3,76 4 n m O H 2 n CO m N 3,76 O . 4 n m H C       + + + → +       + + Application Un constructeur automobile annonce, pour une voiture équipée d’un moteur Diesel, une consommation qV,a de 4,5 litres pour 100 km. Q1 : quel est l’ordre de grandeur de la quantité qm,CO2 de dioxyde de carbone rejetée ? Q2 : effectuer le calcul en considérant la réaction comme stoechiométrique 19/74 Application ( ) 2 2 2 2 2 n m N .3,76 4 n m O H 2 n CO m N 3,76 O . 4 n m H C       + + + → +       + +      = = a CO a a a a V, CO m, M M .m. K .K q q 2 2 ρ La voiture rejette 11,9 kg de CO pour un trajet de 100 km (soit 119 g/km) Gazole Essence Formule (m,n) (12,26) (8,18) Masse volumique alcane ρa kg/l 0,85 0,74 Masse molaire alcane Ma g/mol 170 114 Masse molaire CO2 MCO2 g/mol 44 44 Constante de conversion Ka kg/l 2,64 2,28 La voiture rejette 11,9 kg uploads/Finance/ combustion-emse.pdf