1 Polycopié de Combustion Réalisé par Dr : MAHFOUD Brahim 2015 2 Avant-propos L

1 Polycopié de Combustion Réalisé par Dr : MAHFOUD Brahim 2015 2 Avant-propos La combustion est aujourd’hui un des principaux moyens de conversion de l’énergie. Elle est utilisée dans de nombreux systèmes pratiques aussi bien pour produire de l’énergie thermique (chaudières ou fours domestiques et industriels) ou de l’électricité (centrales thermiques), que pour le transport (moteurs automobiles et aéronautiques, moteurs fusée, ...) ou encore la destruction de déchets (incinérateurs). La combustion peut être caractérisée comme une (ou des) réaction(s) irréversible(s) fortement exothermique(s) entre un combustible (ou réducteur) et un comburant (ou oxydant) selon le schéma global
 +
  →  
 + é  ℎ  Cette réaction induit un fort dégagement de chaleur qui a lieu dans une zone très mince. Les combustibles le plus divers, qu’ils soient gazeux, liquides ou solides peuvent être utilisés. Parmi les plus courants, citons le bois, le charbon, les hydrocarbures (méthane CH4, propane C3H8, essence, gasoil, kérozène, fioul,...), l’hydrogène (H2)... Le comburant est le plus souvent l’oxygène de l’air, plus exceptionnellement de l’oxygène pur (moteur-fusée, certains fours industriels) qui permet d’atteindre des températures plus élevées. Aujourd’hui, la croissance de la population mondiale, le développement industriel se traduisent par un développement croissant de la demande énergétique mondiale. Les activités humaines ont un impact sur le changement climatique et la dégradation de la biodiversité, du fait des émissions de polluants (oxydes d’azote NOx, monoxyde de carbone CO, hydrocarbures imbrûlés HC…) et de dioxyde de carbone (CO2), principal responsable de l’effet de serre. Ce contexte énergétique et environnemental motive le perfectionnement des systèmes de combustion dans de nombreux secteurs tels que les transports ou les procédés industriels (moteurs à combustion interne, fours, brûleurs). Cette évolution passe par une meilleure maîtrise de la combustion et par l’amélioration des rendements de combustion avec une réduction sensible des émissions de polluants. Ce polycopié s'adresse aux étudiants de Master en Energétique ou en fin de cursus dans les écoles d’ingénieurs. Il est rédigé de manière simplifiée afin que l’étudiant puisse assimiler le contenu du cours. Des exercices sans solutions sont donnés pour que l’étudiant s’y entraine à la fin de chaque chapitre. Ce polycopié est divisé en sept chapitres. Le contenu du premier chapitre concerne les différentes procédés de combustion, où les phénomènes interviennent conjointement : L’aspect chimique, l’aspect transfert de chaleur et l’aspect mécanique. Après nous avons présenté quelques exemples de la combustion dans l’industrie. 3 Mahfoud Brahim2015 Le deuxième chapitre présente la thermodynamique de la combustion. On y rappelle le premier principe et le deuxième principe de la thermodynamique et la variation de l’entropie lors d’une réaction chimique. Les équations de base de l’aérothermochimie, pour un milieu formé par un mélange homogène de gaz réactifs, en constituent le troisième chapitre. Les notions de base nécessaires pour poser les problèmes de combustion en termes mathématiques sont énoncées : les variables caractéristiques du système à étudier, les relations d’états à associer au milieu gazeux considéré, les équations de bilans des divers variables, et enfin les lois des phénomènes irréversibles qui s’y produisent. Le quatrième chapitre donne les éléments de cinétique chimique nécessaires pour la combustion. En rappelant d’apport la notion d’équilibre chimique qui permet de calculer la température adiabatique de fin de combustion. Puis en décrit les différents mécanismes de réactions en chaine. Le calcule de vitesse de réaction ou taux de réaction est aussi présenté. Les caractéristiques des flammes sont nombreuses et complexes, c'est pourquoi le cinquième chapitre traite seulement d'une de leurs principales caractéristiques; leur forme. Il existe plusieurs modèles de classification des flammes. Nous nous limiterons ici à une classification en fonction de la forme et du mélange réactionnel des flammes. Le sixième chapitre est consacré à l’étude des flammes laminaires de prémélange. En effet, dans certains régimes de combustion turbulente, la flamme peut être considérée localement comme une flamme laminaire et la connaissance des caractéristiques de la flamme laminaire est alors indispensable à l’étude de la combustion turbulente. Ce chapitre constitue un bref rappel de la théorie des flammes laminaires de prémélange, et en particulier des flammes sphériques en expansion. Dans le septième chapitre et le dernier, les flammes de diffusion sont abordées. Après une description qualitative et la démonstration des propriétés intéressantes mises en évidence lorsque les nombre de Lewis sont supposés égaux à l’unité, on présente l’approche historique de Burke et Schumann. On complète cette présentation par la généralisation concernant les flammes étirées. 4 Mahfoud Brahim2015 Table des matières Avant-propos ................................................................................................................................ 2 Listes des figures .......................................................................................................................... 8 Symboles et notations ................................................................................................................. 11 Chapitre 1 : Introduction à la combustion et ses applications ........................................................ 13 1.1 Combustion phénomène à plusieurs aspects ........................................................................ 13 1.2 Combustion dans l’industrie ................................................................................................. 14 1.2.1 Les moteurs ................................................................................................................... 14 1.2.2 Les brûleurs : ................................................................................................................. 19 1.3 Combustion dans la nature ................................................................................................... 22 Chapitre 2 : Thermodynamique de la combustion ......................................................................... 23 2.1 Energie interne de réaction, enthalpie de réaction ............................................................... 23 2.2 Enthalpie de formation ......................................................................................................... 24 2.3 Généralisation du 1er principe aux systèmes réactifs ........................................................... 26 2.4 Variation de l’entropie dans un milieu réactif ...................................................................... 35 2.4.1 Entropie d’un gaz parfait : ............................................................................................. 35 2.4.2 Variation de l’entropie lors d’une réaction chimique ................................................... 35 2.5 Autres critères d’équilibre plus convenables ....................................................................... 37 2.6 Equilibre chimique dans le cas d’un mélange de gaz parfait ............................................... 39 2.6.1 La fonction de Gibbs ou enthalpie libre d’un gaz parfait .............................................. 39 2.6.2 Mélange de gaz parfait à l’équilibre chimique .............................................................. 40 2.6.3 Equation de Van’t Hoff (effet de la température sur Kp) ............................................. 42 2.7 Algorithme de calcule .......................................................................................................... 43 Chapitre 3: Cinétique chimique appliquée à la combustion ........................................................... 48 3.1 Introduction .......................................................................................................................... 48 3.2 Réactions élémentaires, réactions de bilan ........................................................................... 48 5 Mahfoud Brahim2015 3.3 Molécularité d’une réaction élémentaire .............................................................................. 48 3.4 Vitesse de réaction ou taux de réaction ................................................................................ 49 3.5 Lois expérimentales des vitesses de réaction et ordre réaction ............................................ 50 3.6 Loi d’Arrhenius .................................................................................................................... 51 3.7 Loi théorique de la vitesse d’une réaction élémentaire ........................................................ 52 3.8 Deux réactions élémentaires consécutives ........................................................................... 54 3.9 Plusieurs réactions en chaine .Mécanisme : ......................................................................... 55 3.10 Expression générale de la vitesse de réaction .................................................................... 57 Chapitre 4 : Les équations de bilan de l’aérothermochimie ........................................................... 61 4.1 Introduction .......................................................................................................................... 61 4.2 Structure générale d’équation de bilan ................................................................................. 61 4.3 Bilan de masse du mélange dans sa globalité ...................................................................... 61 4.4 Bilan de masse d’une espèce dans un mélange .................................................................... 62 4.5 Bilan de quantité de mouvement .......................................................................................... 63 4.6 Bilan d’énergie ..................................................................................................................... 63 Chapitre 5 : Les types de flammes ................................................................................................. 66 5.1 Introduction .......................................................................................................................... 66 5.2 Phénomènes impliqués dans une flamme ......................................................................... 68 5.3 Flamme de diffusion turbulente ........................................................................................... 71 5.3.1 La flamme continue ....................................................................................................... 71 5.3.2 La région de transition ................................................................................................... 71 5. 3.3 Le panache : ................................................................................................................. 71 5.4 Flammes de diffusion laminaires ......................................................................................... 72 5.6 La forme des flammes : ........................................................................................................ 73 Chapitre 6 : Flamme laminaire de prémélange .............................................................................. 74 6 Mahfoud Brahim2015 6.1 Structure d’une flamme laminaire de prémélange ............................................................... 74 6.2 Vitesse de propagation et vitesse de combustion laminaire ................................................ 75 6.3 Epaisseur de flamme laminaire ........................................................................................... 77 6.4 Etirement du front de flamme .............................................................................................. 78 6.5 Principales configurations expérimentales des flammes laminaires de prémélange ............ 79 6.6. Vitesse de combustion d’une flamme sphérique en expansion ........................................... 80 6.6.1. Vitesse de combustion laminaire étirée ........................................................................ 80 6.6.2. Vitesse de combustion laminaire non-étirée et longueur de Markstein ....................... 83 6.7. Instabilités du front de flamme ............................................................................................ 84 Chapitre 7 : Flamme de diffusion laminaire ................................................................................... 87 7.1 Intérêt des flammes de diffusion laminaire .......................................................................... 87 7.1.1 Structure des flammes de diffusion .............................................................................. 89 7.2 Calcul d’une flamme de diffusion laminaire ....................................................................... 90 7.2.1 Chimie infiniment rapide .............................................................................................. 94 7.2.2 Résolution de l’équation de ZF ...................................................................................... 96 7.3 Utilisation du scalaire passif Z ............................................................................................. 98 7.3.1 Définitions ..................................................................................................................... 98 7.3.2 Description de la flamme en terme du scalaire passif Z ................................................ 99 7.3.3 Remarques ................................................................................................................... 103 7.4. Flammes de diffusion laminaires étirées ........................................................................... 106 7.4.1 Introduction ................................................................................................................. 106 7.4.2 Flamme de diffusion étirée stationnaire à contre-courant ........................................... 106 7.4.3 Flamme de diffusion étirée instationnaire .................................................................. 112 7.5. Stabilisation des flammes de diffusion .............................................................................. 114 7.5.1 Auto-inflammation .......................................................................................................... 115 7 Mahfoud Brahim2015 7.5.2 Stabilisation sur les lèvres du brûleur ............................................................................. 116 7.5.3 Stabilisation par flamme triple ........................................................................................ 116 7.5.4 Stabilisation par zone de recirculation ............................................................................ 117 7.5.5 Flamme pilote .................................................................................................................. 118 Références .................................................................................................................................... 120 8 Listes des figures Fig. 1-1 : Les différents phénomènes physiques qui jouent leur rôle, à différents endroits, dans une flamme de bougie. P.13 Fig. 1-2 : Propagation d’une flamme dans un prémélangée gazeux ; une expérience qu’on peut faire dans une bouteille, mais avec précaution.[1] p.14 Fig. 1-3 : Propagation de la flamme dans un moteur à allumage commandé, sans turbulence (à gauche) et turbulent (à droite) à différents t1, t2, t3 [1] p.15 Fig. 1-4 : Flamme dans un moteur Diesels schématisé, à injection directe [1] p.15 Fig. 1-5a : Croquis d’un foyer de statoréacteur cylindrique, schématisé, avec une seule accroche flamme en gouttière torique [1] p.16 Fig. uploads/Finance/ combustion.pdf

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