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Combustion (1 ère partie) Notions

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Page 1: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

Combustion (1ère partie)

Notions

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I Rappels (structure de la matière, forces naturelles)

Noyau :

Protons masse 1g/mole charge positive

Neutrons masse 1g/mole neutre

Atome =

+Masse faible

charge négative identique proton

I-1 Généralités

Électrons:

Page 3: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

Tableau périodique

Même nombre d’électrons sur la dernière couche

Même nombre couches

=>mêmes propriétés chimiques

Nb protons=

N° atomique

Nb nucléons=

masse atomique

Couches saturées

Gaz rares

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Molécules= Groupements d’atomes

Sauf les gaz rares les atomes ne sont jamais seuls: ionisés ou couche extérieure non saturée =>

Liaisons de covalence

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Corps pur Corps simple Mélange

1 mole=6,023.1023molécules, gaz (1atm 0°C)=22,4l

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I-2 Quelques ordres de grandeur :Diamètre atomique :1Amström (10-10m) (molécules même ordre)

Distance intermoléculaire

Liquides, solides 3 Amström

=> denses et incompressibles

Gaz 30 Amström Vitesse 700m/s

Diamètre noyau, nucléons et électrons : 2.10-5Amström (10.000 à 50000 fois moins)

forces nucléaires : 1013J/mole (20.000xchimie)

forces électrostatiques inter atomiques: 5.105J/mole (chimie)

forces intermoléculaires: 5.104J/mole (Chg de phase)

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II Équations chimiques globales

Avant: -stable

Après:+stable

3C+1O+1OO 1COO+1C+1CO

3C+O+O2CO2+C+CO

mavant=maprès

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Équilibrer une équation chimique

H2+O2 H2O

Même nb d’atomes de même espèce de chaque côté

H2+(1/2)O2H2O : c’est équilibré

C + 2 02 C02 + 02 il y a trop d'oxygène 2 C + 02C02 + C il y a trop de carbone

C + 02 C02 le mélange C+O2 est stœchiométrique

Mélange stœchiométrique:

Tout le mélange initial peut devenir produits de réaction complète

Équilibrer l’équation de la réaction complète

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II-2 Dosage:

CxHy + O2 CO2 + H2O

CxHy + (x + y/4) O2 x CO2 + (y/2) H2O

4

yxVaNa

,

yx

. Na .Ma

12

162

Gaz

Liquide ou solide

Pouvoir comburivore =

Équilibrons:

Q comburant

Q combustible

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richesse R et facteur d'air :

Ma

m

m

Va

V

V

Na

n

n

Rréelc

a

réelc

a

réelc

a

1

e=-1 : excès d’air

29,1.

Ma

mc

ma

mc

VaVa

stoechNormalastoech

Pour les liquides ou les solides nous utiliserons aussi:

En Nm3d’air /kg

Pour un mélange quelconque:

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Combustions d'hydrocarbures dans l’air

CxHy + (O2 + 3,77 N2) CO2 + H2O + N2

diluant

)4

(77,4y

xVaNa

43

439,34)12

84,28(

yx

yx

yxNaMa

Combustibles gazeux

Combustibles liquides ou solides

CxHy + (x+ y/4) (O2 + 3,77 N2) xCO2 + (y/2) H2O + 3,77 (x +y/4)N2

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Alcanes : x=n, y=2n+2 =>17

1339,34

n

nMa

)3232412

(6,137oshc

Ma Généralisation: c,h,s,o teneurs pondérales

Ma alcanes ~ 15

43

439,34y

x

yx

Ma

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Exemples: essence :c=84% h=16%

Ma=15,1gaz-oil ou fuel domestique :

c=85%, h=15% (autre<0,3%) Ma=15fuel lourd

c=85,9% h=10,5% s=3% n=0,24 o=0,36% Ma=13,6

Les pouvoirs comburivores massiques sont pratiquement identiques pour tous les hydrocarbures:

Ma = 15Pour les alcools il sont très différents :

Méthanol CH3OH : c=12/32=37,5%,h=4/32=12,5%,O=16/32=50%

Ma=6,45Ethanol C2H5OH :

c=24/46=52%,h=6/46=13%,O=16/46=35% Ma=8,93

)3232412

(6,137oshc

Ma

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Nécessité du calcul

• 1°) Calcul du Cp des produits de combustion pour déterminer la chaleur sensible perdue

• 2°) Connaître XH2O pour connaître la chaleur latente perdue

• 3°) Faire un diagnostique de la combustion

II-3 Composition théorique des produits de combustion

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1°) Combustion complète du carburant : >1 (Tout le C et H du carburant devient CO2 et H2O)

Hypothèses possibles:

2°) Combustion complète de l’oxygène : R>1 Tout l’H devient H2O, C devient CO et CO2, et pas d’O2 restant

3°) Combustion incomplète: Il reste toutes les espèces CO, O2, CH… 

CxHy + (O2+3,77N2) CO2 + H2O + O2 + CO + N2

>1 1 (x+y/4) x y/2 -1)(x+y/4) 0 (x+y/4)

<1 1 (x+y/4) x-2(1-(x+y/4) y/2 0 2(1-(x+y/4) (x+y/4)

Calcul de la composition théorique:

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)4

(77,3(

)4

)(1(2

yxx

yx

CO

CxHy + (O2+3,77N2) CO2 + H2O + O2 + CO + N2

>1 1 (x+y/4) x y/2 -1)(x+y/4) 0 (x+y/4)

<1 1 (x+y/4) x-2(1-(x+y/4) y/2 0 2(1-(x+y/4) (x+y/4)

Fumées du FOD hypothèse 2 x/y=0,5

0

5

10

15

20

0,5 1 1,5

%

CO2CO

02

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Diagrammes d’équilibre

Le calcul est identique au précédent (hypothèse 2) mais:

• Il ya de l’hydrogène dans les fumées

• On suppose qu’il existe une réaction d’équilibre (gaz à l’eau):

• Cet équilibre est conservé à basse température (trempe des produits de combustion)

Diagramme d'équilibre du FOD x/y=0,5

0

5

10

15

20

0,5 1 1,5

%

CO2

H2

CO

02

OHCOHCO 222

Page 18: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

RP

Combustion

Travail WeChaleur Qe

Réactants Produits de combustion

III Thermodynamique de la combustionIII-1 premier principe

Premier principe en système ferméWe+Qe=UP-UR

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Conservation de la quantité de matière: mP=mR=m

Origine des fonctions thermodynamiques (indice 0)U’P= UP-UP0 , U’R= UR-UR0

1er Ppe SF: We+Qe = U’P -U’R+(UP0 -UR0)=>We+Qe -( UP0 -UR0)= U’P - U’R

Définition: chaleur de réaction isochore : Qc= -( UP0 -UR0)

Premier principe SF avec combustion: We+Qe+Qc= U’P - U’R

Qc + :réaction exothermique (cas des combustions) (Produits réaction exothermique plus stables : U plus faible)

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dTCvdTCv - uuTr

R

Tp

PRP 298298

''

Hypothèse GI :

u’P - u’R =CvP(TP-298)- CvR(TR-298)

CvP CvR

TR 298K.

Calcul du second membre:

=>u’P - u’R =CvP(TP-TR)

Hypothèse GP:

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Réactants Produits

Pi,

Système ouvert:

Premier principe en système ouvertWi+Qe=HP-HR

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On pose H'R=HR-HR0 et H'P=HP-HP0

HR0 et HP0 enthalpies de réf. des gaz frais et produits de combustion

La chaleur de réaction isobare. Q’c=-(HP0 - HR0)

Le premier principe système ouvert avec combustion:

Wi+Qe+Q'c=H'+Ep+Ec

Sous forme de puissance et en généralisant :

Pi++Pc=qms(h’s+eps+ecs)-qme(h’e+epe+ece)

Page 23: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

H=U+pV =>Q'c=-( HP0 - HR0)=-( UP0 -UR0+p0VP0 – p0VR0)

=Qc – (p0VP0 – p0VR0)

Hypothèse de GP: pV=nRT =>Q’c=Qc-(nP-nR).RT0

=>Qc=Q’c à 0,1% près => négligé

Calcul du second membre:

Hypothèse de GP: Tr

R

Tp

PRP dTCpdTCphh298298

''

Chaleur de combustion à pression et à volume constant:

Hypothèse GI: h’P - h’R =CpP(TP-298)- CpR(TR-298)

CpP CpR=>h’P - h’R =CpP(TP-TR)

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Enthalpie de formation:

Référence: corps simple dans son état le plus stable= (Hcorps simple)25°,1atm =0

Enthalpie de formation=Hf0= (Hcorps composé)25°,1atm =-Q’c

Exemple: OHO2

1H 222 Q’c=241,8kJ/mole

=> HfoH2O=-241,8kJ/mole

Hf0CO2=-393,5kJ/mole

Hf0CH4=-74,9kJ/mole Autres exemples:

Page 25: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

Liaison C-H C-C C=C C-O H-H O-H O=O C=O Graphite Cgaz

EnergiekJ/mole 415 345 609 357 432 462 493 803 718

Énergie de liaison:

Exemple: OHO2

1H 222

briser 1 liaison H-H, ½ liaison O=O et recréer 2 liaisons O-H. =>

molekJcQ /5,245462.2)4932

1432('

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II-2 Pouvoir calorifique:

ecombustibl Quantité

QcPC

Quantité de combustible en: - Nm3 pour les gaz

- kg pour les liquides ou les solides

Notation: PC Inférieur IP,IV (eau fumée vapeur)

PC Supérieur: PP,PV (eau fumée condensée)

Page 27: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

Chaleur de combustion massique

Trois cas:

- Combustion complète du carburant:

1c1.

.

Ma

Ip

m

mcIpqc

- Combustion totale de l’oxygène:

RMa

Ipqc

c

Page 28: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

Évolution théorique de la chaleur et du rendement de combustion

La combustion théorique optimale est stœchiométrique

Page 29: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

- Combustion incomplète:

PC=PCM-PI

Avec : PCM =qmCIp (liq ou solide), gaz: qvCI’p

Imbrulés gazeux=>qvI=XI. qvP

I: Teneurs par rapport aux fumées sèches: XI=I.(1-XH2O)

PI =qvP.(1-XH2O) I.I’pI

CM

I

CM P

P

P

Pcc 1

Page 30: Combustion (1 ère partie) Notions. I Rappels (structure de la matière, forces naturelles) Noyau : Protons masse 1g/mole charge positive Neutrons masse

Valeurs pratiques:qvP=0,78.qmP

XH2O =13% (hydrocarbure lourd) à 19% (méthane) Si >1:

I’pCO=12600kJ/Nm3 et I’pH2=10760kJ/Nm3

Équations d’équilibre à haute température: Pour les moteurs (équilibre supposé à 1850°C) :CO /H2 =8x/y

Pour les fours ou chaudières (1450°C) : CO /H2 =5x/y

Pour les hydrocarbures lourds : x/y~1/2.Exemple pour le fuel c=85%, h=15%, x=c /12, y=h

x/y=0,47

Les analyseurs ne donnent que CO=>

PI =qvP.(1-XH2O) I.I’pI

OH

OH

XX 2

2'