1 cours combustion

8/22/2019 1 Cours Combustion

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Chapitre 2Chapitre 2

CombustionCombustion


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2

Nous tudierons dans ce chapitre le mode

de production de chaleur le plus courammentrencontr dans lindustrie.

Nous nous limiterons au bilan nergtique et

non aux processus de la formation et du

dveloppement des flammes et leur thorie.

Ce chapitre aidera la comprhension du

phnomne de combustion. Il permet aussi

daborder et traiter les problmes de combustion

technique les plus courants.


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3

I. GI. Gnnralitralitss ::

La combustion est une rLa combustion est une raction chimiqueaction chimiqueddoxydation doxydation dunun combustiblecombustible par un cpar un comburantomburant..

Les produits de combustion sLes produits de combustion sappellent aussi gazappellent aussi gazbrbrlls ou fums ou fumes.es.

La combustion fournit de l'La combustion fournit de l'nergie calorifique etnergie calorifique etmet gmet gnnralement de la lumiralement de la lumire.re.

Le dLe dveloppement de la sociveloppement de la socitt industrielleindustrielle

moderne et la sauvegarde de l'environnement semoderne et la sauvegarde de l'environnement sefondent sur la mafondent sur la matrise de cette rtrise de cette raction deaction decombustion.combustion.


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4

Les combustibles sont des corps susceptibles de

se combiner loxygne par une raction

doxydation exothermique.

Dans un phDans un phnomnomne de combustion, les corps enne de combustion, les corps en

prprsence sont les suivantssence sont les suivants ::

LE COMBUSTIBLELE COMBUSTIBLE

LE COMBURANTLE COMBURANTLE PRODUIT DE COMBUSTIONLE PRODUIT DE COMBUSTION

Loxydation doit tre assez vive pour se

poursuivre normalement aprs amorage.


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COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES SOLIDESSOLIDES

3 catgories de combustibles :

COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES LIQUIDESLIQUIDES

COMBUSTIBLESCOMBUSTIBLES GAZEUXGAZEUX


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Cependant, quelle que soit la nature du

combustible, la raction de combustion

proprement dite ne peut avoir lieu que

lorsque les ractifs sont sous

forme gazeuse

Si le combustible n'est pas l'tat gazeux, il

se vaporise ou se sublime pralablement

(ventuellement aprs dcomposition

chimique).


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Les combustibles solidesLes combustibles solides::

Tous les combustibles solides sontd'origine vgtale lexception des

propergols (carburants pour fuses).

L'uranium et les autres corps

radioactifs, qui produisent del'nergie par fission nuclaire, ne sontpas des combustibles au sens prcis

du terme car,lors de leur utilisation, ils ne

participent aucune raction decombustion.


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Les combustibles solidesLes combustibles solides::

Le boisLe bois::

Encore largement utilisEncore largement utilis dans ledans lemonde sous sa forme brute, lemonde sous sa forme brute, le

bois est par ailleurs un desbois est par ailleurs un desfacteurs de la dfacteurs de la dsertificationsertification

surtout dans les zonessurtout dans les zonessubsahariennes.subsahariennes.


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Le charbonLe charbon::

ddsigne les combustibles solidessigne les combustibles solidesrrsultant de la dsultant de la dcomposition et de lacomposition et de la

fossilisation de la vfossilisation de la vggtation.tation.

Selon leur degrSelon leur degr d'd'volution, et leur teneurvolution, et leur teneur

en carbone et en eau, on distingueen carbone et en eau, on distingue

la tourbela tourbe (une mati(une matire encore trre encore trs humides humide

et au pouvoir calorifique peuet au pouvoir calorifique peu levlev, r, rsultatsultat

d'une dd'une dcomposition sommaire)composition sommaire)

le lignitele lignite la houillela houille l'anthracitel'anthracite


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Les combustibles liquides, voire

gazeux, proviennent gnralement du

ptrole, qui est

Les combustibles liquidesLes combustibles liquides::

un mlange d'hydrocarbures,

c'est--dire de composs base de

carbone C et d'hydrogne H,

auxquels s'ajoutent essentiellement du

soufre S, de l'oxygne O et de l'azote N.


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Les plus frquemment utiliss sont :

Les comburantsLes comburants::

Ils peuvent tre incorpors pralablement aucombustible soit :

sous forme dalliage chimique,

sous forme dair ou doxygne liquide, comme par

exemple dans les explosifs et dans les carburants pour

fuses.

lair qui comprend principalement de loxygne, de

lazote, de la vapeur deau et du CO2.

loxygne pur.


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12

0.7565

0.2030

0.0090

0.0312

0.0003

0.7665

0.2056

0.0091

0.0316

0.0003

N2

O2

Ar

H2O

CO2

Mol de i / mol dairPression partielle (bar)Substance

Composition de lair atmosphrique :


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La combustion du carbone C, de lhydrogne H et du soufre Sdonne lieu aux quations chimiques de base suivantes :

II. Equations chimiques de base :

C + O2 CO2 h0 = - 32 760 J/g C

Combustion du carbone

Combustion de lhydrogne

Combustion du soufre

H2 + O2 H2O liq h0 = - 141 800 J/g H2

S + O2 SO2 h0 = - 9 250 J/g S

C + O2 CO h0 = - 9 200 J/g C

CO + O2 CO2 h0 = - 10 100 J/g CO

H2 + O2 H2O vap h0 = - 120 000 J/g H2


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ho est appele chaleur de raction ou enthalpiede raction (par les chimistes et les physiciens).

ho est appele pouvoir nergtique (par lesthermiciens).

h0 est dfinie pour des conditions de rfrenceP0 et T0 qui sont en gnral les valeurs

standards :

P0 = 1 atm 1,01325 bar = 101325 Pascal.T

0= 25 C = 298,15 K.


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C + O2 CO2 H0 = - 393 500 J/mol C

C + O2 CO H0 = - 110 500 J/kg C

CO + O2 CO2 H0 = - 283 000 J/mol CO

H2 + O2 H2O liq H0 = - 285 900 J/mol H2

H2 + O2 H2O vap H0 = - 241 800 J/mol H2

S + O2 SO2 H0 = - 296 600 J/mol S

Les grandeurs molaires ou massiques sont relies

par : M la masse molaire ducombustible.H0 = M . h0Les quations de base ci-dessus donnent lieu aux

valeurs molaires suivantes :


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La combustion des hydrocarbures donne lieu des quations

chimiques plus complexes dont voici quelques exemples :

Mthane CH4 :

Ethylne C2H4 :

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O liq Ho = - 890 400 J/mol CH4

CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O vap Ho = - 802 300 J/mol CH4

C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O liq H0 = - 1 411 000 J/mol C2H4

C2H4 + 3O2 2CO2 + 2H2O vap H0 = - 1 323 000 J/mol C2H4

C2H6 + 7/2 O2 2CO2 + 3H2O liq H0 = - 1 560 000 J/mol C2H6

C2H6 + 7/2 O2 2CO2 + 3H2O vap H0 = - 1 428 000 J/mol C2H6

Ethane C2H6 :


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Le pouvoir nergtique Ho de touthydrocarbure peut se dduire de ceux

des lments de base C et H2.

Mais il ne peut pas tre calculsimplement par la rgle des mlanges,

car il faut tenir compte de la chaleur de

formation de lhydrocarbure.


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18

Exemple :

C + O2 CO2 Ho = - 393 500 J/mol CH2 + O2 H2OvapHo = - 241 800 J/mol H2

Pour le mthane CH4, les quations prcdentes donnent :

C 1 x 393 500 = - 393 500 J/mol de C

H4 2 x 241 800 = - 483 600 J/mol de H2

Chaleur de formation de CH4 = 74 800 J/mol CH4

Le pouvoir nergtique du mlange CH4 = - 802 300 J/mol CH4

Attention ! Une simple rgle de mlange conduit uneerreur inadmissible de 9,3 %.


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Exemple de combustion : Moteur combustion interne

chaleurN)9,20

1,79)(

4

m(nOH

2

mnCON))

20,9

79,1(O))(

4

m(nHC

22222mn +

La combustion, pour se faire, require trois paramtres:

La formule chimique d'une combustion stchiomtrique est :

- un combustible (pour l'automobile, le carburant)

- un comburant (pour l'automobile l'oxygne de l'air)

-une source de chaleur (pour l'automobile l'tincelle de la

bougie ou la pression dans la chambre de combustion)


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COMBUSTION ESSENCE (Heptane) :

C7H16 + 11O2 + 44N2 => 7CO2 + 8H2O + 44N2 + ChaleurChaleur

dosage stchiomtrique : 1g d'essence pour 15,1g d'air

COMBUSTION GAS-OIL (Ctane):

C16H34 + 24,5(O2 + 4N2) => 16CO2 + 17H2O + 98N2 + Chaleur

dosage stchiomtrique 1g de gas-oil pour 14,88g d'air


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III. Pouvoir nergtique volume constant:

Le pouvoir nergtique volume constant Pev dun

combustible B est la grandeur dfinie par la relation (sous forme

massique ou molaire) : Pev = -u0 =

UM0 lnergie interne du mlange initial M dans les conditions de

rfrence P0

et T0

(valeurs standards : P0

= 1 atm 1,01325 bar = 101325Pas et T0 = 25 C).

URc0 lnergie interne des produits finaux de combustion rsultant

dune combustion complte dans les mmes conditions de

rfrence.

mB la masse du combustible B en kg.

Bm

Rc0U-

M0U


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22

On parle souvent de pouvoir calorifique, nous

utiliserons lexpression pouvoir nergtique car les

produits de combustion sont utiliss dans les

machines thermiques aussi bien pour produire de

lnergie-travail (moteur) que de lnergie-chaleur

(chaudire).


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23

Dtermination exprimentale :

Considrons la combustion complte dun mlange M

dans une enceinte indformable et ferme. A ltat initial le

mlange M de combustible B et de comburant A se trouve dans

un tat de rfrence caractris par P0 et T0. La combustion est

dclenche, par exemple, par une tincelle lectrique. Une

nergie-chaleur est ensuite extraite par un thermostat de faon

que la temprature des produits de combustion Rc soit ramene

la temprature de rfrence T0, la pression finale PRc tant en

gnral diffrente de la pression initiale P0.


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24

Le bilan de masse scrit :

mRc

= mM

= mB

+ mA

En divisant par la masse du combustible mB nous obtenons

la relation sans dimension :

= 1 +BRcxBLx

BLx : Le rapport dair

BRcx : Le rapport de produits de combustion


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Le premier principe pour systme ferm scrit :

Ut= U = E+ + Q+

On considre, pour lexprience, les conditions suivantes :

Parois indformables E+ = 0

Etat de repos initial et final Ec = 0

Pas de dplacement vertical Z = 0.

Lexpression du premier principe scrit ainsi :

= -U = UM(P0,T0) URc(PRc,T0)vQ

Si lon admet que les produits de combustion Rc se comportentpratiquement comme des gaz semi-parfaits, leur nergie interne est

quasiment indpendante de la pression, nous pouvons crire :

URc(PRc,T0) URc (P0,T0)

Bq


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En divisant tous les termes de lquation donnant par la masse

du combustible mB et en tenant compte de lgalit prcdente nous

obtenons lnergie-chaleur massique :

-

vQ

Bvq

B

v

mQ

B

Rc0M0

mU-U=

Bvq

La comparaison de cette quation avec celle donnant Pev montre

bien lgalit : Pev = -u0 =Bvq

Lnergie-chaleur dgage par la combustion isochore de

lunit de masse du combustible (dans les conditions standards de

pression et de temprature) se confond avec le pouvoir nergtique

volume constant du combustible.

H-H


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27

B

Rc0M0

m

HH

IV. Pouvoir nergtique pression constante:

Le pouvoir nergtique pression constante Pep dun

combustible B est la grandeur dfinie par la relation (sous forme

massique ou molaire) :

Pep = -h0 =B

Rc0M0

m

H-H

HM0 lenthalpie du mlange initial M dans les conditions de rfrenceP0 et T0 (valeurs standards).

HRc0 lenthalpie des produits finaux de combustion rsultant dune

combustion complte dans les mmes conditions de rfrence.

mB la masse du combustible B en kg.


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Dtermination exprimentale :

Considrons la combustion complte dun mlange M

dans une enceinte ferme et dformable de faon maintenir la

pression constante. A ltat initial le mlange M de combustible Bet de comburant A se trouve dans un tat de rfrence caractris

par P0 et T0. Lexprience est analogue celle dcrite dans le

paragraphe prcdent, mais cette fois-ci le systme est isobare et

non isochore.


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29

Le systme ici change du travail (paroi dformable) :

E+

= - P0vLe premier principe scrit :

= -U P0V = -(U + P0V)

= -H = HM(P0,T0) HRc(P0,T0)

En divisant par la masse du combustible mB, nous obtenons

lnergie-chaleur massique :

PQ

B

M0

B

PB

Pm

RcHH

m

Qq

=La comparaison avec la relation donnant Pep, montre

bien lgalit : Pep = -h0 =B

Pq


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Lnergie-chaleur dgage par la combustion isobare

de lunit de masse du combustible (dans les conditionsstandards de pression et de temprature) est gale au

pouvoir nergtique pression constante du combustible.

Remarque :

Le pouvoir nergtique pression constante PeP

est

gal lnergie-chaleur massique quil faut extraire dun

systme ouvert en rgime permanent sige dune combustion

complte isobare afin que les produits de combustion Rc

sortent la mme temprature que celle du mlange M initial.


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31

Considrons la combustion complte dun systme

schmatis par la figure ci-dessous.

En ngligeant les variations des nergies cintique et

potentielle, le premier principe scrit :

)T,(PH-)T,(PHQ 00cR00MP&&& =

000cR00MP h-)T,(Ph-)T,(Phq / mB


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32

V. Comparaison de Pev et Pep :

B

Rc0M0B

P0epm

HHqh-P

=

Soit -H0 = HM0 - HRc0 = (UM0 - P0VM0) - (URc0 + P0VRc0)

= -U0 - (VRc0 - VM0)P0

= -U0 - (VRc0 - VM0)P0.Ou -U0 = H0 + P0V

Or Pep = -h0 et Pev = -u0

Pev - Pep = P0V > 0.


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VI. Pouvoirs nergtiques suprieurs et infrieurs :

Les pouvoirs nergtiques suprieurs dun

combustible sont les grandeurs Pevs et Peps

correspondant aux dfinitions prcdentes lorsque

leau contenue dans les produits de combustion se

prsente sous forme liquide.

Les pouvoirs nergtiques infrieurs dun

combustible sont les grandeurs Pevi et Pepi

correspondant aux dfinitions prcdentes lorsque

leau contenue dans les produits de combustion se

prsente sous forme gazeuse (vapeur deau).


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34

La distinction entre les pouvoirs nergtiques

Infrieurs et suprieurs nintervient que pour les

combustibles contenant de lhydrogne ou de leau.

Exemple :Soit un mazoute ayant une teneur de en hydrogne

de 11% en masse. Lors de la combustion de 1 kg de

mazoute, il apparat (18 x110)/2 = 990 g de vapeur deau.

Dans les conditions de temprature de lexprience, la

chaleur latente de vaporisation de leau est l = 2300 kJ/kg

, on a donc Pevi = Pevs - 2300 x 0.990 = Pevs 2277.

Pour le mazoute Pevs = 42000 kJ/kg (diffrence de 5%)


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35

Remarque :

Parmi les quatre pouvoirs nergtiques Pev, Pep,

Peps et Pepi dfinis ci-dessus, dans la pratique, cest le

pouvoir nergtique infrieur pression constante Pepi

qui est le plus utilis. Ceci est du au fait que les

combustions qui ont lieu dans les machines thermiques

se font gnralement en systmes ouverts fonctionnant

en rgime permanent (pression sensiblement constante)

et leau qui apparat dans les gaz de combustion est

ltat vapeur et reste dans cet tat dans latmosphre.

Q l V l d i


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Quelques Valeurs moyennes de pouvoirs

nergtiques infrieurs pression constante :

Combustible Etat Peps (kJ/mol) Pepi (kJ/C Graphite Solide 393,5 393,5

CO Mono. Carbone Gaz 283,0 283,0

H2 Hydrogne Gaz 285,9 241,8S Soufre Solide 296,6 296,6

CH4 Mthane gaz 890,4 802,3

C2H2 Actylne Gaz 1300,0 1256,

C2H4 Ethylene Gaz 1411,0 1323,

C2H6 Ethane Gaz 1560,0 1428,CH3OH Mthanol Liquide 727,6 638,4

Bois Solide 17600 (J

Mazoute Liquide 42000 (J


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37

COMBURANT

SOURCE DE CHALEUR

COMBUSTIBLE

L i ti l t t P d


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38

Le pouvoir nergtique volume constant Pev dun

combustible B est la grandeur dfinie par la relation (sous

forme massique ou molaire) :

Le pouvoir nergtique pression constante Pep dun

combustible B est la grandeur dfinie par la relation (sous

forme massique ou molaire) :

Les pouvoirs nergtiques suprieurs (infrieurs) dun

combustible sont les grandeurs Pevs (Pevi) et Peps (Pepi)correspondant aux dfinitions prcdentes lorsque leau

contenue dans les produits de combustion se prsente

sous forme liquide (sous forme gazeuse - vapeur deau).

B

Rc0M0BP0ep

mHHqh-P =

B

RcoM0Bv0ev m

UUqu-P

=


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Le comburant le plus util isLe comburant le plus util is sous la pression atmosphsous la pression atmosphriquerique

ou en surpression est naturellement lou en surpression est naturellement l air, dair, doo la dla dfinition dufinition du

pouvoir comburivore.pouvoir comburivore.

11) Pouvoir comburivore th) Pouvoir comburivore thoriqueorique ooCCest la quantitest la quantit ddair strictement nair strictement ncessaire pourcessaire pour

assurer la combustion dassurer la combustion dun kilogrammeun kilogramme

de combustible.de combustible.

Le pouvoir comburivore thLe pouvoir comburivore thorique est notorique est notoo et estet estexprimexprim en kg den kg d air par kg de combustible.air par kg de combustible.

Pouvoirs comburivores, excPouvoirs comburivores, excs ds dair, Pouvoir fumigair, Pouvoir fumignene

EnEn crivant les rcrivant les ractions de combustionactions de combustion


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40

EnEn crivant les rcrivant les ractions de combustionactions de combustion

et en remarquant que let en remarquant que l azote Nazote N22

nene

ssoxyde pas aux tempoxyde pas aux tempratures oratures o a lieu laa lieu la

combustioncombustion

(se comporte comme un corps neutre),(se comporte comme un corps neutre),on don dtermine le pouvoir comburivoretermine le pouvoir comburivoreoo ::

+ O-SH8C38231oC, H, S et O reprC, H, S et O reprsentent les teneurs en % dusentent les teneurs en % du

combustible en carbone, en hydrogcombustible en carbone, en hydrogne, enne, en

soufre et en oxygsoufre et en oxygne.ne.


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PourPour viter que la proportion dviter que la proportion d imbrimbrllssne soit pas trop grande, on introduit unene soit pas trop grande, on introduit une

quantitquantit ddairair supsuprieurerieure la valeurla valeurththoriqueorique oo..Cette quantitCette quantit

reprreprsentesentele pouvoir comburivore rle pouvoir comburivore relel ..

Facteur dFacteur dair (excair (excs ds dair)air)


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42

Facteur dFacteur d air (excair (excs ds d air)air)

Il est dIl est dfini par le rapportfini par le rapport ::

Un excUn excs ds dair diminue la teneur en imbrair diminue la teneur en imbrlls mais augmente,s mais augmente,

par contre, la chaleur vpar contre, la chaleur vhiculhicule par les fume par les fumes qui estes qui est

dissipdissipe dans le dans l atmosphatmosphre.re.

CetteCette nergienergie--chaleur a pour expressionchaleur a pour expression ::

(sous forme massique)(sous forme massique) qqff == ccpfpf (T(Tff -- TTaa))

CCpfpf leur chaleur massiqueleur chaleur massique pression constante,pression constante,

TTff la templa temprature des fumrature des fumes sortant de la chemines sortant de la chemine,e,

TTaa la templa temprature de lrature de l atmosphatmosphre.re.

o=

(en puissance)(en puissance) )T-(T.c.mQafpff

&& =reprreprsente le dsente le dbit de masse des fumbit de masse des fumes,es,mm

..

On peutOn peut valuer les pertes par imbrvaluer les pertes par imbrlls (a)s (a)


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43

pp p pp p ( )( )

et les pertes par chaleur sensible des fumet les pertes par chaleur sensible des fumes (b)es (b)

en les rapportant en pourcentage du pouvoiren les rapportant en pourcentage du pouvoir nergnergtiquetiqueinfinfrieurrieur PPepiepi par exemple.par exemple.

La courbe (a) + (b) qui reprLa courbe (a) + (b) qui reprsente la somme des pertes prsente la somme des pertes prsentesente

ggnnralement un minimum correspondantralement un minimum correspondant une valeur optimal du rapportune valeur optimal du rapport ..

Dans la pratique, on essaie lors deDans la pratique, on essaie lors de

la conception et du calcul desla conception et du calcul des

installations thermiques de choisirinstallations thermiques de choisir

pourpour sa valeur optimal qui estsa valeur optimal qui est ::

optopt 1,21,2 combustiblescombustibles liquidesliquides optopt 1,41,4 combustiblescombustibles solidessolides

Pertes

% Pepi

/optimal

(a) + (b)

(b)

(a)

/

f


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Pouvoir fumigPouvoir fumigneneCCest la masse de fumest la masse de fumes obtenues lors de la combustiones obtenues lors de la combustion

complcompl

te dte d

un kilogramme de combustibles.un kilogramme de combustibles.

Il est notIl est not et set s exprime en kg de combustible.exprime en kg de combustible.

Si x est la teneur en cendre du combustible, enSi x est la teneur en cendre du combustible, en crivant lacrivant laconservation de la masse, on aconservation de la masse, on a ::

100

x-1+

Exemple de calcul deExemple de calcul de etet


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45

Une rUne ractionaction incomplincompltete comme celle du carbone aveccomme celle du carbone avec

ll oxygoxygne, correspondne, correspond uneune perte de chaleurperte de chaleurimportante,importante,

Exemple de calcul deExemple de calcul de etet Les rLes ractions de combustion sont desactions de combustion sont desrractionsactions exothermiquesexothermiques ::

C + O2 CO2 H0 = - 393 500 J/mol C

C + O2 CO H0 = - 110 500 J/kg C

H2 + O2 H2O liq H0 = - 285 900 J/mol H2

ce qui montre la nce qui montre la ncessitcessit ddadaptation dadaptation dun excun excs ds dairair lala

combustion considcombustion considrre.e.

Considrons alors 1 kg de combustible dont la


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46

g

composition est comme suit :

825 g de Carbone : C % = 82,5 %

115 g dHydrogne : H % = 11,5 %30 g de Soufre : S % = 3 %

10 g dAzote : N % = 1 %

10 g dOxygne : O % = 1 %

10 g dEau : H2O % = 1 %

Cherchons la quantit dOxygne ncessaire pour la

combustion du Carbone, de lHydrogne et du Soufre :

Combustion du Carbone selon la raction :


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47

La masse dune mole de carbone C est M(C) = 12 g

12

825x32= 2200 g d O2 ( mlange stchiomtrique).

Combustion du Carbone selon la raction :

C + O2 CO2

celle dune mole doxygne O2 est M(O2) = 2 x 16 = 32 g

la combustion de 12 g de carbone C ncessite

32 g doxygne O2

( mlange stchiomtrique).

1 kg du combustible contient 825 g de carbone

la combustion de 825 g de carbone C ncessite

Combustion de lHydrogne selon la raction :


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48

La masse dune mole dHydrogne H2 est M(H2) = 2x1 = 2 g

12

115x16= 920 g d O2 ( mlange stchiomtrique).

Combustion de l Hydrogne selon la raction :

H2 + 1/2O2 H2O liq


la combustion de 2 g dHydrogne ncessite

32/2 = 16 g doxygne O2


1 kg du combustible contient 115 g dHydrogne

la combustion de 115 g dHydrogne ncessite

Combustion du Soufre selon la raction :


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49

La masse dune mole de Soufre S est M(S) = 30 gS + O2 SO2


la combustion de 30 g de Soufre ncessite

32 g doxygne O2


1 kg du combustible contient 30 g de Soufre

la combustion de 30 g de Soufre ncessite

32

30x32= 30 g dO2 ( mlange stchiomtrique).

LLazote ne sazote ne soxyde pas dans les conditions usuelles deoxyde pas dans les conditions usuelles de


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50

LL azote ne sazote ne s oxyde pas dans les conditions usuelles deoxyde pas dans les conditions usuelles de

combustion,combustion,

10 g d10 g doxygoxygne existent dne existent djj dans le combustible,dans le combustible,

la combustion nla combustion ncessite donc au total :cessite donc au total :

Pour des conditions atmosphPour des conditions atmosphriques moyennes de tempriques moyennes de tempratureratureet de pression, on aet de pression, on a 230 g d230 g doxygoxygne One O22 dans 1 kg ddans 1 kg dairair..

La masse dLa masse dair nair ncessairecessaire la combustion dela combustion de

1 kg de combustible est donc :1 kg de combustible est donc :

((22002200 ++ 920920 ++ 3030)) 1010 == 3140 g d3140 g doxygoxygnene..

CCestest

le pouvoir comburivorele pouvoir comburivore

ththoriqueorique oo..aird'kg13,65

230

3140 =

Ce rCe rsultat peut aussi tre obtenu par application de lasultat peut aussi tre obtenu par application de la


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relation ,relation ,

+ O-SH8C38

23

1

o

avec C, H, S et O les teneurs en % du combustible enavec C, H, S et O les teneurs en % du combustible encarbone, en hydrogcarbone, en hydrogne, en soufre et en oxygne, en soufre et en oxygne.ne.

DDapraprs la composition du combustible :s la composition du combustible :

C = 82,5 %C = 82,5 % H = 11,5 %H = 11,5 % S = 3 %S = 3 % O = 1 %O = 1 %

Ce qui donneCe qui donne ::

aird'kg13,651-38x11,582,5

3

8

23

1

o =

+


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Pouvoir fumigPouvoir fumigneneEn lEn l absence dabsence d imbrimbrlls (x = 0) et (s (x = 0) et ( == oo), le), lepouvoir fumigpouvoir fumignene vaut :vaut :

aird'kg14,651100

x-1 o =

Composition des fumComposition des fumeses


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CherchonsCherchons titre dtitre dexemple la teneur en COexemple la teneur en CO22 dans lesdans lesfumfumes.es.

2COdekg3,025

12

825x44=

La combustion dLa combustion d une mole de carbone C (une mole de carbone C (12 g12 g))

liblibre 1 mole de COre 1 mole de CO22 (12 + 2 x 16 =(12 + 2 x 16 = 44g44g).).

La combustion deLa combustion de 1 kg1 kg de combustible contenantde combustible contenant 825 g825 g

Cette teneur permet de contrler la combustion,Cette teneur permet de contrler la combustion, savoir si lasavoir si la

combustion est complcombustion est complte ou incomplte ou incompltete

Le COLe CO22 provient de la rprovient de la raction :action : C + O2 CO2

de carbone libde carbone libre doncre donc ::

La teneur en COLa teneur en CO22 des fumdes fumes est :es est : %20,6565,14

100x025,3 =

TempTemprature de combustion Trature de combustion Tff


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TempTemprature thrature thorique de combustion Torique de combustion Ttt

CCest la tempest la tempraturerature laquelle sont portlaquelle sont portes les produits dees les produits de

combustion (fumcombustion (fumes) du fait de la chaleur des) du fait de la chaleur dgaggage par lae par la

rraction.action.

On suppose que la combustion est complOn suppose que la combustion est complte et adiabate.te et adiabate.

Pour calculer TPour calculer Ttt, on consid, on considre initialement un mre initialement un mlangelange

Po

Etat final

A+1 kg de fumes

Tfcpf

PoA kg dair

Tacpa

Etat initial

1 kg

Tccpc

Po

Nous considNous considrons les chaleurs massiquesrons les chaleurs massiques pressionpression

constante car dans les installations thermiq es no s a onsconstante car dans les installations thermiques nous avons


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constante car dans les installations thermiques nous avonsconstante car dans les installations thermiques nous avons

des systdes systmes ouverts quimes ouverts qui voluent de favoluent de faon isobare.on isobare.La chaleur dLa chaleur dgaggage par la combustion este par la combustion est galegale la variationla variation

ddenthalpie du systenthalpie du systmeme ::

HHii est lest l enthalpie du menthalpie du mlange init ial (lange initial (air + combustibleair + combustible)) ;;

QQpp

== H = HH = Hff HH

ii

Pour un gaz quiPour un gaz qui voluevolue pression constantepression constante ::

Nous prenons comme tempNous prenons comme temprature de rrature de rffrencerence

HHffest lest l enthalpie des ( A + 1 ) kg deenthalpie des ( A + 1 ) kg de fumfumeses ;;

dhdh == cpcp .. dTdT ;;

Pour un solidePour un solide :: dhdh = c .= c . dTdT ;;

T = 0T = 0 CC pour laquellepour laquelle H = 0.H = 0.

Nous avons doncNous avons donc ::


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tT

0pff dT.c.1)(AH ca

T

0pc

T

0pai dT.cdT.c.AH

ccpapa etet ccpcpc sont en gsont en gnnral faibles,ral faibles,

leurs variations en fonction de T sont donc faibles,leurs variations en fonction de T sont donc faibles,

on les remplace par leurs valeurs moyennes :on les remplace par leurs valeurs moyennes :

En se ramenantEn se ramenant 1 kg de combustible1 kg de combustible ::

cat T0

pc

T

0pa

T

0pfepiP

dT.c-dT.c.A-dT.c.1)(APQ

pcpacetc

Une formule approchUne formule approche donne la variation dee donne la variation de cc ffen fonction de Ten fonction de T

cpcapa

T

0

5-epiP

T.c-T.c.A-dT.T)6.10(0,24.1)(APQt

++==

TempTemprature rrature relle de combustionelle de combustion


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pp

Elle sElle sobtient en tenant compte :obtient en tenant compte :

Du taux dDu taux d imbrimbrllss rr,,

Des pertes thermiquesDes pertes thermiques QQrr

dues essentiellement au rayonnement, ddues essentiellement au rayonnement, doo ::

cpcapa

T

0

5-

repi

.Tc-.TcA.-T).dT6.10(0,241).(AQ)r1(Pt

++=

EXERCICEEXERCICE


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Ecrire laEcrire la rraction de combustionaction de combustion du propanedu propane CC33HH88..

Quelle estQuelle est llnergie dnergie dgaggagee par la combustion depar la combustion de

10 g de propane sachant que le pouvoir calorifique d10 g de propane sachant que le pouvoir calorifique dunun

alcanealcane n atomes de carbones vaut :n atomes de carbones vaut :

(662 n + 260) kJ.mol(662 n + 260) kJ.mol--11 ??Cette combustion a serviCette combustion a servi chauffer 3 kg dchauffer 3 kg deau, dont laeau, dont la

temptemprature de drature de dpart vaut 15part vaut 15 C. Quelle est laC. Quelle est la

temptemprature finale de lrature finale de leau ?eau ?

Les masses molaires sont :Les masses molaires sont :

[C] = 12 g/mol, [H] = 1 g/mol.[C] = 12 g/mol, [H] = 1 g/mol.

La formule chimique d'une combustion stchiomtrique est :


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La rLa raction de combustion du propaneaction de combustion du propane CC33HH88 est donc :est donc :

OH2

mnCOO)

4

m(nHC 222mn +++

OH4CO3O5HC22283

++

La masse molaire dLa masse molaire dune molune molcule de propanecule de propane CC33HH88 est :est :

[C[C33HH88] = 3 x 12 + 8 x 1 = 44 g.] = 3 x 12 + 8 x 1 = 44 g.

LeLe nombrenombre NN de molesde moles contenues danscontenues dans 10 g de propane10 g de propane estest

donc :donc :

44 g44 g 1 mol1 mol

10 g10 g mol0,22744

1x10

N =

LeLe pouvoir calorifiquepouvoir calorifique ou pouvoirou pouvoir nergnergtique dtique dun alcaneun alcane nn

atomesatomes de carbones vaut :de carbones vaut : Q = (662 n + 260) kJ molQ = (662 n + 260) kJ mol--11


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atomesatomes de carbones vaut :de carbones vaut : Q = (662 n + 260) kJ.molQ = (662 n + 260) kJ.mol 11

Le pouvoir calorifique ou pouvoirLe pouvoir calorifique ou pouvoir nergnergtique dtique dune moleune mole dede

propane Cpropane C33HH88 vaut :vaut : Q = (662 x 3 + 260) kJ.molQ = (662 x 3 + 260) kJ.mol--11

Le pouvoir calorifique ou pouvoirLe pouvoir calorifique ou pouvoir nergnergtique detique de N molesN moles dede

propane vaut :propane vaut : QQ11 = (662 x 3 + 260) x 0,227 = 510 kJ.mol= (662 x 3 + 260) x 0,227 = 510 kJ.mol--11

La quantitLa quantit de chaleur gagnde chaleur gagne par le par leau est :eau est :QQ22 == mmeaueau xx cceaueau x (x (TTfinalefinaleTTinitialeinitiale) = 510 kJ.mol) = 510 kJ.mol

--11,,

masse de lmasse de leau :eau : mmeaueau = 3 kg,= 3 kg,

chaleur massique de lchaleur massique de leau :eau : cceaueau = 4180 J.kg= 4180 J.kg--11.K.K--11,,

temptemprature initiale de lrature initiale de leau :eau : TTinitialeinitiale = 15= 15 C = 288 K,C = 288 K,

La quantitLa quantit de chaleur gagnde chaleur gagne par les 3 kg de par les 3 kg deau est donc :eau est donc :

QQ22 = 3 x 4,180 x (= 3 x 4,180 x (TTfinalefinale288) = 510 kJ.mol288) = 510 kJ.mol--11, d, doo TTfinalefinale = 55,7= 55,7 CC..

FIN DU CHAPITRE 2


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FIN DU CHAPITRE 2FIN DU CHAPITRE 2

MERCI DE VOTREMERCI DE VOTRE

ATTENTIONATTENTION

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