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Date de publication : 10 avril 2013 Date de dernière validation : 04 janvier 20

Date de publication : 10 avril 2013 Date de dernière validation : 04 janvier 2020 Pour toute question : Service Relation clientèle Techniques de l’Ingénieur Immeuble Pleyad 1 39, boulevard Ornano 93288 Saint-Denis Cedex Par mail : infos.clients@teching.com Par téléphone : 00 33 (0)1 53 35 20 20 Réf. : BE8311 V1 Énergétique de la combustion - Aspects fondamentaux Cet article est issu de : Énergies | Physique énergétique par André LALLEMAND Résumé Les éléments de base nécessaires à la compréhension du phénomène de combustion sont présentés sans entrer dans le détail de la cinétique chimique. Ainsi, les conditions indispensables à la réalisation d'une combustion industrielle sont développées. La combustion est vue comme une source de chaleur et/ou d'élévation de l'énergie interne ou de l'enthalpie d'un fluide. Les diverses expressions des températures des fumées sont abordées et on fournit une méthode de détermination des irréversibilités de la combustion à travers la notion d'exergie. Des exemples de calculs sont fournis. Abstract The basic elements in order to understand the phenomenon of combustion are presented in this article without going into chemical kinetic details. Thus, the essential conditions for industrial combustion are dealt with. Combustion is considered as a source of heat and/or increase in the internal energy or enthalpy of a fluid. The various expressions of the temperature of smokes are provided as well as a method for the determination of combustion irreversibility via the notion of energy. Examples of calculations are provided. Document téléchargé le : 31/03/2021 Pour le compte : 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 © Techniques de l'Ingénieur | tous droits réservés Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BE 8 311 – 1 Énergétique de la combustion Aspects fondamentaux par André LALLEMAND Professeur émérite des universités Ancien directeur du département de génie énergétique de l’INSA de Lyon a combustion est une opération technique importante et très répandue. Elle a essentiellement deux buts soit produire de la chaleur, soit fournir, in fine, de l’énergie mécanique. Dans le premier cas, les systèmes énergétiques sont basés sur les chaudières ou les fours. On cherche alors à obtenir des fumées à température de sortie aussi basse que possible pour récupérer un maximum de chaleur. Le second cas correspond aux moteurs de toutes sortes où la combustion peut être adiabatique. C’est l’enthalpie communiquée aux fumées qui est ensuite transformée en énergie mécanique. Pour maîtriser ces combustions, l’ingénieur énergéticien a besoin de connaître certains éléments de base qui s’appuient sur des connaissances phy- siques et chimiques. C’est l’objectif de cet article qui sera suivi par un article plus technique donnant les éléments utilisés en pratique dans l’industrie. Après avoir donné les définitions essentielles, on présente les réactions sous leur aspect global, c’est-à-dire sans aucune considération de cinétique chi- mique. Cependant, quelques notions relatives aux réactions en chaîne sont fournies afin d’aider à la compréhension des conditions indispensables à l’amorçage et au maintien d’une combustion. L’accent est mis sur les évolu- tions énergétiques qui ont lieu au cours de la combustion. On donne aussi le lien entre les chaleurs de combustion et celles de formation des corps purs. 1. Définitions et mécanismes de la combustion.................................. BE 8 311 - 3 1.1 Définitions..................................................................................................... — 3 1.2 Équations de combustion – Chaleurs de combustion et de formation............................................................................................. — 3 1.3 Mécanismes de la combustion vive ........................................................... — 6 2. Conditions nécessaires à la combustion ........................................... — 8 2.1 Température d’inflammation ...................................................................... — 8 2.2 Allumage....................................................................................................... — 9 2.3 Limites d’inflammabilité – Richesse ........................................................... — 10 3. Température des fumées........................................................................ — 12 3.1 Température adiabatique de combustion.................................................. — 13 3.2 Cas d’une combustion quelconque – Chaleur dégagée – Température des fumées ................................................................................................... — 14 3.3 Température de rosée des fumées – Chaleur supplémentaire récupérée ............................................................ — 15 4. Analyse exergétique ................................................................................ — 16 4.1 Exergie d’un mélange combustible............................................................ — 16 4.2 Irréversibilité de la combustion .................................................................. — 18 5. Conclusion.................................................................................................. — 19 Pour en savoir plus ........................................................................................... Doc. BE 8 311 L Parution : avril 2013 - Dernière validation : janvier 2020 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 tiwekacontentpdf_be8311 v1 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie BE 8 311 − 2 est strictement interdite. − © Editions T .I. ÉNERGÉTIQUE DE LA COMBUSTION ____________________________________________________________________________________________________ Les conditions limites de combustion isotherme d’une part, adiabatique d’autre part, sont considérées afin de définir la chaleur maximale dégagée par une combustion ou la température maximale atteinte par les fumées. Le cas intermédiaire est bien évidemment abordé, même avec condensation partielle de l’eau dans les fumées, toutefois sans prendre en compte les réactions de dissociation pour lesquelles le lecteur est renvoyé aux ouvrages spécialisés en chimie de la combustion. Les aspects exergétiques de la combustion sont abordés en fin d’article. Leur intérêt, comme cela est toujours le cas en matière d’exergie, est de mettre en évidence les irréversibilités liées à ce processus. On note qu’elles sont de l’ordre du quart de l’énergie contenue dans le mélange combustible. Notations et symboles Symbole Unité Définition B J · mol–1 Coefficient de température cp J · kg–1 · K–1 Capacité thermique massique sous pression constante Cp J · mol–1 · K–1 Capacité thermique molaire sous pression constante e m Épaisseur d’une flamme Ec J Énergie critique d’inflammation Ex J · mol–1 Exergie molaire h J · s Constante de Planck (6,626 × 10–34) H J · mol–1 Enthalpie molaire K Constante d’équilibre L J · mol–1 Chaleur latente molaire Li Limite inférieure d’inflammabilité Ls Limite supérieure d’inflammabilité n Proportion volumique du constituant k N mol Nombre de moles P Pa Pression Q J · mol–1 Chaleur ou énergie thermique molaire échangée q J Quantum d’énergie r m Rayon ri Richesse R J · mol–1 · K–1 Constante molaire des gaz S J · mol–1 · K–1 Entropie molaire S′ J · mol–1 · K–1 Entropie molaire créée tdi s Délai d’inflammation T K Température Tth K Température théorique de combustion U J · mol–1 Énergie interne molaire V m3 · mol–1 Volume molaire Vc m3 Volume critique x Fraction molaire θ oC Température (échelle Celsius) µ J · mol–1 Potentiel chimique ν s–1 Fréquence d’un photon ρ kg · m–3 Masse volumique Exposants * État activé Indices 0... Initial 1, 2, 3... Différents états a Ambiant, atmosphérique c Combustion combe Combustible combt Comburant e Eau i Inflammation, élément i Limite mc Mélange combustible q Thermique r Rosée s Saturation th Théorique Notations et symboles (suite) Symbole Unité Définition ℓ Parution : avril 2013 - Dernière validation : janvier 2020 - Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 Ce document a ete delivre pour le compte de 7200029589 - enit // naima NAIMA // 196.203.130.9 tiwekacontentpdf_be8311 v1 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. – © Editions T.I. BE 8 311 – 3 _____________________________________________________________________________________________________ ÉNERGÉTIQUE DE LA COMBUSTION 1. Définitions et mécanismes de la combustion 1.1 Définitions La combustion recouvre l’ensemble des réactions chimiques qui se produisent au cours de l’oxydation complète ou partielle d’un combustible (ou carburant) par un comburant. Ce sont des réactions d’oxydoréduction globalement exothermiques. Le corps oxydé, qui perd un ou plusieurs électrons, est le combustible et le corps réduit, qui gagne un ou plusieurs électrons, est le comburant. En pratique, un combustible (désignation utilisée pour les opéra- tions de production de chaleur, dans les fours ou les chaudières) ou un carburant (nom utilisé pour l’utilisation dans les moteurs) est un gaz, un liquide ou un solide naturels ou manufacturés dans lesquels se trouvent les éléments qui sont oxydés au cours de la réaction et, éventuellement, d’autres éléments ne participant pas directement à cette réaction. Ces derniers éléments se retrouvent dans les fumées et/ou les cendres qui contiennent respectivement les produits gazeux et des produits solides et parfois liquides la combustion. Les combustibles ou carburants usuels sont pratiquement toujours des composés carbonés ou hydrocarbonés. Mais de l’hydrogène combiné à d’autres corps (ammoniac, hydrure de bore, hydrures métalliques, etc.), le soufre et la plupart des métaux finement divisés sont également des combustibles (utilisation dans certains moteurs de fusée, par exemple). Le comburant le plus employé est l’oxygène pur ou surtout mélangé à l’azote dans l’air. Cependant l’ozone, les oxydes d’azote, les halogènes tels que le fluor, le chlore, le brome, l’iode ou plus générale- ment d’autres oxydants peuvent aussi tenir lieu de comburant. L’intérêt industriel de la combustion est bien entendu sa production énergétique sous forme de chaleur (fours et chaudières) ou d’énergie interne ou encore d’enthalpie dans les moteurs. Lorsque uploads/Industriel/ tch-3.pdf