Combustion

Chapitre 2
Combustion
1

Nous étudierons dans ce chapitre le mode
de production de chaleur le plus couramment
rencontré dans l’industrie.
Nous nous limiterons au bilan énergétique et
non aux processus de la formation et du
développement des flammes et à leur théorie.
Ce chapitre aidera à la compréhension du
phénomène de combustion. Il permet aussi
d’aborder et traiter les problèmes de combustion
technique les plus courants.
2

I. Généralit G ralités :
La combustion est une réaction r action chimique
d’oxydation oxydation d’un d un combustible par un comburant
comburant.
.
Les produits de combustion s’appellent s appellent aussi gaz
brûlés br s ou fumées. fum es.
La combustion fournit de l'énergie l' nergie calorifique et
émet met généralement g ralement de la lumière. lumi re.
Le développement d veloppement de la société soci industrielle
moderne et la sauvegarde de l'environnement se
fondent sur la maîtrise ma trise de cette réaction r action de
combustion.
3

Dans un phénom ph nomène ne de combustion, les corps en
présence pr sence sont les suivants :
LE COMBUSTIBLE
LE COMBURANT
LE PRODUIT DE COMBUSTION
Les combustibles sont des corps susceptibles de
se combiner à l’oxygène par une réaction
d’oxydation exothermique.
L’oxydation doit être assez vive pour se
poursuivre normalement après amorçage.
4

3 catégories de combustibles :
• COMBUSTIBLES SOLIDES
• COMBUSTIBLES LIQUIDES
• COMBUSTIBLES GAZEUX
5

Cependant, quelle que soit la nature du
combustible, la réaction de combustion
proprement dite ne peut avoir lieu que
lorsque les réactifs sont sous
forme gazeuse
Si le combustible n'est pas à l'état gazeux, il
se vaporise ou se sublime préalablement
(éventuellement
chimique).
après décomposition
6

Les combustibles solides :
Tous les combustibles solides sont
d'origine végétale à l’exception des
propergols (carburants pour fusées).
L'uranium et les autres corps
radioactifs, qui produisent de
l'énergie par fission nucléaire, ne sont
pas des combustibles au sens précis
du terme car,
lors de leur utilisation, ils ne
participent à aucune réaction de
combustion.
7

Les combustibles solides :
Le bois :
Encore largement utilisé utilis dans le
monde sous sa forme brute, le
bois est par ailleurs un des
facteurs de la désertification
d sertification
surtout dans les zones
subsahariennes.
8

Le charbon :
désigne signe les combustibles solides
résultant sultant de la décomposition d composition et de la
fossilisation de la végétation.
v tation.
Selon leur degré degr d'évolution, d' volution, et leur teneur
en carbone et en eau, on distingue
la tourbe (une matière mati re encore très tr s humide
et au pouvoir calorifique peu élev levé, , résultat r sultat
d'une décomposition d composition sommaire)
le lignite la houille l'anthracite
9

Les combustibles liquides :
Les combustibles liquides, voire
gazeux, proviennent généralement du
pétrole, qui est
un mélange d'hydrocarbures,
c'est-à-dire de composés à base de
carbone C et d'hydrogène H,
auxquels s'ajoutent essentiellement du
soufre S, de l'oxygène O et de l'azote N.
10

Les comburants :
Les plus fréquemment utilisés sont :
l’air qui comprend principalement de l’oxygène, de
l’azote, de la vapeur d’eau et du CO 2 .
l’oxygène pur.
Ils peuvent être incorporés préalablement au
combustible soit :
sous forme d’alliage chimique,
sous forme d’air ou d’oxygène liquide, comme par
exemple dans les explosifs et dans les carburants pour
fusées.
11

Substance
N 2
O 2
Ar
H 2 O
CO 2
Composition de l’air atmosphérique :
Pression partielle (bar)
0.7665
0.2056
0.0091
0.0316
0.0003
Mol de i / mol d’air
0.7565
0.2030
0.0090
0.0312
0.0003
12

II. Equations chimiques de base :
La combustion du carbone C, de l’hydrogène H et du soufre S
donne lieu aux équations chimiques de base suivantes :
Combustion du carbone
C + O 2 ⇔ CO 2 ∆h 0 = - 32 760 J/g C
C + ½ O 2 ⇔ CO ∆h 0 = - 9 200 J/g C
CO + ½ O 2 ⇔ CO 2 ∆h 0 = - 10 100 J/g CO
Combustion de l’hydrogène
H 2 + ½ O 2 ⇔ H 2 O liq ∆h 0 = - 141 800 J/g H 2
H 2 + ½ O 2 ⇔ H 2 O vap ∆h 0 = - 120 000 J/g H 2
Combustion du soufre
S + O 2 ⇔ SO 2 ∆h 0 = - 9 250 J/g S
13

∆h o est appelée chaleur de réaction ou enthalpie
de réaction (par les chimistes et les physiciens).
∆h o est appelée pouvoir énergétique (par les
thermiciens).
∆h 0 est définie pour des conditions de référence
P 0 et T 0 qui sont en général les valeurs
standards :
P 0 = 1 atm ≈ 1,01325 bar = 101325 Pascal.
T 0 = 25 °C = 298,15 K.
14

Les grandeurs molaires ou massiques sont reliées
par : ∆H0 = M . ∆h0 M la masse
combustible.
molaire du
Les équations de base ci-dessus donnent lieu aux
valeurs molaires suivantes :
C + O 2 ⇔ CO 2 ∆H 0 = - 393 500 J/mol C
C + ½ O 2 ⇔ CO ∆H 0 = - 110 500 J/kg C
CO + ½ O 2 ⇔ CO 2 ∆H 0 = - 283 000 J/mol CO
H 2 + ½ O 2 ⇔ H 2 O liq ∆H 0 = - 285 900 J/mol H 2
H 2 + ½ O 2 ⇔ H 2 O vap ∆H 0 = - 241 800 J/mol H 2
S + O 2 ⇔ SO 2 ∆H 0 = - 296 600 J/mol S
15

La combustion des hydrocarbures donne lieu à des équations
chimiques plus complexes dont voici quelques exemples :
Méthane CH 4 :
CH 4 + 2O 2 ⇔ CO 2 + 2H 2 O liq ∆H o = - 890 400 J/mol CH 4
CH 4 + 2O 2 ⇔ CO 2 + 2H 2 O vap ∆H o = - 802 300 J/mol CH 4
Ethylène C 2H 4 :
C 2 H 4 + 3O 2 ⇔ 2CO 2 + 2H 2 O liq ∆H 0 = - 1 411 000 J/mol C 2 H 4
C 2 H 4 + 3O 2 ⇔ 2CO 2 + 2H 2 O vap ∆H 0 = - 1 323 000 J/mol C 2 H 4
Ethane C 2H 6 :
C 2 H 6 + 7/2 O 2 ⇔ 2CO 2 + 3H 2 O liq
C 2 H 6 + 7/2 O 2 ⇔ 2CO 2 + 3H 2 O vap
∆H 0 = - 1 560 000 J/mol C 2 H 6
∆H0 = - 1 428 000 J/mol C216H 6

Le pouvoir énergétique ∆H o de tout
hydrocarbure peut se déduire de ceux
des éléments de base C et H 2.
Mais il ne peut pas être calculé
simplement par la règle des mélanges,
car il faut tenir compte de la chaleur de
formation de l’hydrocarbure.
17

Exemple :
Pour le méthane CH 4 , les équations précédentes donnent :
C + O 2 ⇔ CO 2 ∆H o = - 393 500 J/mol C
H 2 + ½ O 2 ⇔ H 2 O vap ∆H o = - 241 800 J/mol H 2
C → 1 x 393 500 = - 393 500 J/mol de C
H 4 → 2 x 241 800 = - 483 600 J/mol de H 2
Chaleur de formation de CH 4
= 74 800 J/mol CH 4
Le pouvoir énergétique du mélange CH 4 = - 802 300 J/mol CH 4
Attention ! Une simple règle de mélange conduit à une
erreur inadmissible de 9,3 %.
18

Exemple de combustion : Moteur à combustion interne
La combustion, pour se faire, requière trois paramètres:
- un combustible (pour l'automobile, le carburant)
- un comburant (pour l'automobile l'oxygène de l'air)
-une source de chaleur (pour l'automobile l'étincelle de la
bougie ou la pression dans la chambre de combustion)
La formule chimique d'une combustion stœchiométrique est :
m 79,1
m
m 79,
1
C H + (n + ))( O + ( )) N ⇒ nCO + H O + (n + )( ) N + chaleur
n m 4 2 20,9 2
2 2 2 4 20,
9 2
19

COMBUSTION ESSENCE (Heptane) :
C7H16 + 11O2 + 44N2 => 7CO2 + 8H2O + 44N2 + Chaleur
dosage stœchiométrique : 1g d'essence pour 15,1g d'air
COMBUSTION GAS-OIL (Cétane):
C 16 H 34 + 24,5(O 2 + 4N 2 ) => 16CO 2 + 17H 2 O + 98N 2 + Chaleur
dosage stœchiométrique 1g de gas-oil pour 14,88g d'air
20

III. Pouvoir énergétique à volume constant:
Le pouvoir énergétique à volume constant P ev d’un
combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme
massique ou molaire) : P ev = - ∆u 0 =
U M0 l’énergie interne du mélange initial M dans les conditions de
référence P 0 et T 0 (valeurs standards : P 0 = 1 atm ≈ 1,01325 bar = 101325
Pas et T 0 = 25 °C).
U Rc0 l’énergie interne des produits finaux de combustion résultant
d’une combustion complète dans les mêmes conditions de
référence.
m B la masse du combustible B en kg.
U
- U
M0 Rc0
m
B
21

On parle souvent de pouvoir calorifique, nous
utiliserons l’expression ‘pouvoir énergétique’ car les
produits de combustion sont utilisés dans les
machines thermiques aussi bien pour produire de
l’énergie-travail (moteur) que de l’énergie-chaleur
(chaudière).
22

Détermination expérimentale :
Considérons la combustion complète d’un mélange M
dans une enceinte indéformable et fermée. A l’état initial le
mélange M de combustible B et de comburant A se trouve dans
un état de référence caractérisé par P 0 et T 0 . La combustion est
déclenchée, par exemple, par une étincelle électrique. Une
énergie-chaleur est ensuite extraite par un thermostat de façon
que la température des produits de combustion Rc soit ramenée à
la température de référence T 0 , la pression finale P Rc étant en
général différente de la pression initiale P 0 .
23

Le bilan de masse s’écrit :
m Rc = m M = m B + m A
En divisant par la masse du combustible m B nous obtenons
la relation sans dimension :
xB
Rc
= 1 +
xB
L
x B
L : Le rapport d’air
x B
Rc
: Le rapport de produits de combustion
24

Le premier principe pour système fermé s’écrit :
∆U t = ∆U = E + + Q +
On considère, pour l’expérience, les conditions suivantes :
Parois indéformables E + = 0
Etat de repos initial et final ∆E c = 0
Pas de déplacement vertical ∆Z = 0.
L’expression du premier principe s’écrit ainsi :
Q
−
v
= - ∆U = U M (P 0 ,T 0 ) – U Rc (P Rc ,T 0 )
Si l’on admet que les produits de combustion R c se comportent
pratiquement comme des gaz semi-parfaits, leur énergie interne est
quasiment indépendante de la pression, nous pouvons écrire :
U Rc (P Rc ,T 0 ) ≅ U Rc (P 0 ,T 0 )
25

B v
q
-
En divisant tous les termes de l’équation donnant Q par la masse
du combustible m B et en tenant compte de l’égalité précédente nous
obtenons l’énergie-chaleur massique :
B q v
Qv m
−
= ≅
B
U
La comparaison de cette équation avec celle donnant P ev montre
bien l’égalité : Pev = - ∆u0 = B v q
M0
-
m
B
U
L’énergie-chaleur dégagée par la combustion isochore de
l’unité de masse du combustible (dans les conditions standards de
pression et de température) se confond avec le pouvoir énergétique à
volume constant du combustible.
Rc0
v
26

H - H
M0 Rc0
mB
IV. Pouvoir énergétique à pression constante:
Le pouvoir énergétique à pression constante P ep d’un
combustible B est la grandeur définie par la relation (sous forme
massique ou molaire) :
P ep = - ∆h 0 =
H
M0
-
m
B
H
Rc0
H M0 l’enthalpie du mélange initial M dans les conditions de référence
P 0 et T 0 (valeurs standards).
H Rc0 l’enthalpie des produits finaux de combustion résultant d’une
combustion complète dans les mêmes conditions de référence.
m B la masse du combustible B en kg.
27

Détermination expérimentale :
Considérons la combustion complète d’un mélange M
dans une enceinte fermée et déformable de façon à maintenir la
pression constante. A l’état initial le mélange M de combustible B
et de comburant A se trouve dans un état de référence caractérisé
par P 0 et T 0 . L’expérience est analogue à celle décrite dans le
paragraphe précédent, mais cette fois-ci le système est isobare et
non isochore.
28

Le système ici échange du travail (paroi déformable) :
E + = - P 0 ∆v
Le premier principe s’écrit :
−
QP
= - ∆U – P 0 ∆V = - ∆(U + P 0 V)
= - ∆H = H M (P 0 ,T 0 ) – H Rc (P 0 ,T 0 )
En divisant par la masse du combustible m B , nous obtenons
l’énergie-chaleur massique :
q
B
P
=
Q
m
P
B
=
H
M0
−
m
H
Rc
La comparaison avec la relation donnant P ep , montre
bien l’égalité : Pep = - ∆h0 = B
qP
B
29

L’énergie-chaleur dégagée par la combustion isobare
de l’unité de masse du combustible (dans les conditions
standards de pression et de température) est égale au
pouvoir énergétique à pression constante du combustible.
Remarque :
Le pouvoir énergétique à pression constante P eP est
égal à l’énergie-chaleur massique qu’il faut extraire d’un
système ouvert en régime permanent siège d’une combustion
complète isobare afin que les produits de combustion R c
sortent à la même température que celle du mélange M initial.
30

Considérons la combustion complète d’un système
schématisé par la figure ci-dessous.
En négligeant les variations des énergies cinétique et
potentielle, le premier principe s’écrit :
/ m B
Q& −
P = H&
(P , T ) - H&
M 0 0 R (P0
, T0
)
q = h (P , T ) - h (P , T ) = - ∆h
−
P
M
0
0
Rc
c
0
0
0
31

V. Comparaison de P ev et P ep :
P
ep
= - ∆h
0
=
q
B
P
=
H
M0
− H
m
Soit - ∆H 0 = H M0 -H Rc0 = (U M0 -P 0 V M0 ) - (U Rc0 + P 0 V Rc0 )
B
Rc0
= - ∆U 0 -(V Rc0 -V M0 )P 0
= - ∆U 0 -(V Rc0 -V M0 )P 0 .
Ou - ∆U 0 = – ∆H 0 + P 0 ∆V
Or P ep = -∆h 0 et P ev = - ∆u 0
P ev -P ep = P 0 ∆V > 0.
32

VI. Pouvoirs énergétiques supérieurs et inférieurs :
Les pouvoirs énergétiques supérieurs d’un
combustible sont les grandeurs P evs et P eps
correspondant aux définitions précédentes lorsque
l’eau contenue dans les produits de combustion se
présente sous forme liquide.
Les pouvoirs énergétiques inférieurs d’un
combustible sont les grandeurs P evi et P epi
correspondant aux définitions précédentes lorsque
l’eau contenue dans les produits de combustion se
présente sous forme gazeuse (vapeur d’eau).
33

La distinction entre les pouvoirs énergétiques
Inférieurs et supérieurs n’intervient que pour les
combustibles contenant de l’hydrogène ou de l’eau.
Exemple :
Soit un mazoute ayant une teneur de en hydrogène
de 11% en masse. Lors de la combustion de 1 kg de
mazoute, il apparaît (18 x110)/2 = 990 g de vapeur d’eau.
Dans les conditions de température de l’expérience, la
chaleur latente de vaporisation de l’eau est l = 2300 kJ/kg
, on a donc P evi = P evs - 2300 x 0.990 = P evs – 2277.
Pour le mazoute P evs = 42000 kJ/kg (différence de 5%)
34

Remarque :
Parmi les quatre pouvoirs énergétiques P ev , P ep ,
P eps et P epi définis ci-dessus, dans la pratique, c’est le
pouvoir énergétique inférieur à pression constante P epi
qui est le plus utilisé. Ceci est du au fait que les
combustions qui ont lieu dans les machines thermiques
se font généralement en systèmes ouverts fonctionnant
en régime permanent (pression sensiblement constante)
et l’eau qui apparaît dans les gaz de combustion est à
l’état vapeur et reste dans cet état dans l’atmosphère.
35

Quelques Valeurs moyennes de pouvoirs
énergétiques inférieurs à pression constante :
Combustible Etat Peps (kJ/mol) Pepi (kJ/m
C Graphite Solide 393,5 393,5
CO Mono. Carbone Gaz 283,0 283,0
H2 Hydrogène Gaz 285,9 241,8
S Soufre Solide 296,6 296,6
CH4 Méthane gaz 890,4 802,3
C2H2 Acétylène Gaz 1300,0 1256,0
C2H4 Ethylene Gaz 1411,0 1323,0
C2H6 Ethane Gaz 1560,0 1428,0
CH3OH Méthanol Liquide 727,6 638,4
Bois Solide 17600 (J/
Mazoute Liquide 42000 (J/
36

COMBUSTIBLE
SOURCE DE CHALEUR
COMBURANT
37

Le pouvoir énergétique à volume constant P ev d’un
combustible B est la grandeur définie par la relation (sous
forme massique ou molaire) :
P
B M0
=
- ∆u
= q =
ev 0 v mB
Le pouvoir énergétique à pression constante P ep d’un
combustible B est la grandeur définie par la relation (sous
forme massique ou molaire) :
P
ep
= - ∆h
0
=
q
B
P
=
Les pouvoirs énergétiques supérieurs (inférieurs) d’un
combustible sont les grandeurs P evs (P evi ) et P eps (P epi )
correspondant aux définitions précédentes lorsque l’eau
contenue dans les produits de combustion se présente
sous forme liquide (sous forme gazeuse - vapeur d’eau).
U
H
M0
− U
− H
m
B
Rco
Rc0
38

Pouvoirs comburivores, excès exc s d’air, d air, Pouvoir fumigène fumig ne
Le comburant le plus utilisé utilis sous la pression atmosphérique
atmosph rique
ou en surpression est naturellement l’air, l air, d’où d la définition d finition du
pouvoir comburivore.
1°) ) Pouvoir comburivore théorique th orique αo C’est est la quantité quantit d’air air strictement nécessaire n cessaire pour
assurer la combustion d’un d un kilogramme
de combustible.
Le pouvoir comburivore théorique th orique est noté not αo et est
exprimé exprim en kg d’air d air par kg de combustible.
39

En écrivant crivant les réactions r actions de combustion
et en remarquant que l’azote l azote N 2 ne
s’oxyde oxyde pas aux températures temp ratures où o a lieu la
combustion
(se comporte comme un corps neutre),
on détermine d termine le pouvoir comburivore αo :
1 ⎡8
⎤
α = ⎢ C + 8 H + S - O
o 23
⎥
⎣3
⎦
C, H, S et O représentent repr sentent les teneurs en % du
combustible en carbone, en hydrogène, hydrog ne, en
soufre et en oxygène. oxyg ne.
40

Pour éviter viter que la proportion d’imbr d imbrûlés s
ne soit pas trop grande, on introduit une
quantité quantit d’air air α supérieure
sup rieure à la valeur
théorique th orique αo .
Cette quantité quantit α représente
repr sente
le pouvoir comburivore réel r el.
41

Facteur d’air d air (excès (exc s d’air) d air)
Il est défini d fini par le rapport :
o
Un excès exc s d’air d air diminue la teneur en imbrûlés imbr s mais augmente,
par contre, la chaleur véhicul v hiculée e par les fumées fum es qui est
dissipée dissip e dans l’atmosph l atmosphère. re.
Cette énergie nergie-chaleur chaleur a pour expression :
(sous forme massique) qf = cpf (T f - T a )
pf (T
Cpf pf leur chaleur massique à pression constante,
Tf la température temp rature des fumées fum es sortant de la cheminée, chemin e,
Ta la température temp rature de l’atmosph l atmosphère. re.
η
=
α
α
(en puissance) Q& = m&
. c . (T - T )
f pf f a
m représente repr sente le débit d bit de masse des fumées, fum es,
.
42

On peut évaluer valuer les pertes par imbrûlés imbr s (a)
et les pertes par chaleur sensible des fumées fum es (b)
en les rapportant en pourcentage du pouvoir énerg nergétique tique
inférieur inf rieur Pepi epi par exemple.
Pertes
% Pepi
(α/α ο ) optimal
La courbe (a) + (b) qui représente repr sente la somme des pertes présente pr sente
généralement ralement un minimum correspondant à une valeur optimal du rapport η.
Dans la pratique, on essaie lors de
la conception et du calcul des
installations thermiques de choisir
pour η sa valeur optimal qui est :
(a) + (b)
(b)
(a)
α/α ο
η opt ≈ 1,2 combustibles liquides
η opt ≈ 1,4 combustibles
combustibles solides
43

Pouvoir fumigène fumig ne ϕ
C’est est la masse de fumées fum es obtenues lors de la combustion
complète compl te d’un d un kilogramme de combustibles.
Il est noté not ϕϕ et s’exprime s exprime en kg de combustible.
Si x est la teneur en cendre du combustible, en écrivant crivant la
conservation de la masse, on a :
ϕ
=
α
+
1
-
x
100
44

Exemple de calcul de α et ϕ
Les réactions r actions de combustion sont des
réactions actions exothermiques :
C + O 2 ⇔ CO 2 ∆H 0 = - 393 500 J/mol C
C + ½ O 2 ⇔ CO ∆H 0 = - 110 500 J/kg C
H 2 + ½ O 2 ⇔ H 2 O liq ∆H 0 = - 285 900 J/mol H 2
Une réaction r action incomplète
incompl te comme celle du carbone avec
l’oxyg oxygène, ne, correspond à une perte de chaleur importante,
ce qui montre la nécessit n cessité d’adaptation adaptation d’un d un excès exc s d’air d air à la
combustion considérée.
consid e.
45

Considérons alors 1 kg de combustible dont la
composition est comme suit :
825 g de Carbone : C % = 82,5 %
115 g d’Hydrogène : H % = 11,5 %
30 g de Soufre : S % = 3 %
10 g d’Azote : N % = 1 %
10 g d’Oxygène : O % = 1 %
10 g d’Eau : H 2O % = 1 %
Cherchons la quantité d’Oxygène nécessaire pour la
combustion du Carbone, de l’Hydrogène et du Soufre :
46

Combustion du Carbone selon la réaction :
C + O 2 ⇔ CO 2
La masse d’une mole de carbone C est M(C) = 12 g
celle d’une mole d’oxygène O 2 est M(O 2 )=2x16 = 32 g
→ la combustion de 12 g de carbone C nécessite
32 g d’oxygène O 2 ( mélange stœchiométrique).
1 kg du combustible contient 825 g de carbone
→ la combustion de 825 g de carbone C nécessite
32x825
= 2200 g d’ O2 ( mélange stœchiométrique).
12
47

Combustion de l’Hydrogène selon la réaction :
La masse d’une mole d’Hydrogène H 2 est M(H 2 ) = 2x1 = 2 g
16x115
12
H 2 + 1/2O 2 ⇔ H 2O liq
celle d’une mole d’oxygène O 2 est M(O 2 )=2x16 = 32 g
→ la combustion de 2 g d’Hydrogène nécessite
32/2 = 16 g d’oxygène O 2 ( mélange stœchiométrique).
1 kg du combustible contient 115 g d’Hydrogène
→ la combustion de 115 g d’Hydrogène nécessite
= 920 g d’ O 2 ( mélange stœchiométrique).
48

Combustion du Soufre selon la réaction :
S + O 2 ⇔ SO 2
La masse d’une mole de Soufre S est M(S) = 30 g
celle d’une mole d’oxygène O 2 est M(O 2 )=2x16 = 32 g
→ la combustion de 30 g de Soufre nécessite
32 g d’oxygène O 2 ( mélange stœchiométrique).
1 kg du combustible contient 30 g de Soufre
→ la combustion de 30 g de Soufre nécessite
32x30
32
= 30 g d’O 2 ( mélange stœchiométrique).
49

L’azote azote ne s’oxyde s oxyde pas dans les conditions usuelles de
combustion,
10 g d’oxyg d oxygène ne existent déjà d dans le combustible,
la combustion nécessite n cessite donc au total :
(2200 2200 + 920 + 30) 30)
– 10 = 3140 g d’oxyg d oxygène ne.
Pour des conditions atmosphériques atmosph riques moyennes de température
temp rature
et de pression, on a 230 g d’oxyg d oxygène ne O 2 dans 1 kg d’air d air. .
3140
=
230
La masse d’air d air nécessaire
n cessaire à la combustion de
1 kg de combustible est donc :
13,65
kg
d'air
C’est est
le pouvoir comburivore
théorique th orique α 50
o .

α
Ce résultat r sultat peut aussi être obtenu par application de la
relation ,
1 ⎛ 8
α = ⎜ C + 8 H + S - O
o 23 ⎝ 3
avec C, H, S et O les teneurs en % du combustible en
carbone, en hydrogène, hydrog ne, en soufre et en oxygène. oxyg ne.
D’apr après s la composition du combustible :
C = 82,5 % H = 11,5 % S = 3 % O = 1 %
Ce qui donne :
o
=
1
23
⎛
⎜
⎝
8
3
82,5
+
8x11,5
+
⎞
3 - 1⎟
=
⎠
⎞
⎟
⎠
13,65
kg
d'air
51

Pouvoir fumigène fumig ne ϕ
En l’absence l absence d’imbr d imbrûlés s (x = 0) et (α ( = αo), ), le
pouvoir fumigène fumig ne ϕ vaut :
ϕ
=
α
+
1
-
x
100
= α + 1 = 14,65 kg d'air
o
52

Composition des fumées fum es
Cherchons à titre d’exemple d exemple la teneur en CO 2 dans les
fumées. fum es.
Le CO 2 provient de la réaction r action : C + O2 ⇔ CO2 La combustion d’une d une mole de carbone C (12 ( 12 g) g
libère lib re 1 mole de CO 2 (12 + 2 x 16 = 44g). 44g).
La combustion de 1 kg de combustible contenant 825 g
de carbone libère lib re donc :
44x825
= 3,025 kg de
12
La teneur en CO 2 des fumées fum es est : 3,
025x100
=
20,65 %
14,
65
CO2
Cette teneur permet de contrôler la combustion, à savoir si la
53
combustion est complète compl te ou incomplète
incompl te

Température Temp rature de combustion T f
Température Temp rature théorique th orique de combustion T t
C’est est la température
temp rature à laquelle sont portées port es les produits de
combustion (fumées) (fum es) du fait de la chaleur dégag d gagée e par la
réaction. action.
On suppose que la combustion est complète compl te et adiabate.
Pour calculer T t, , on considère consid re initialement un mélange m lange
1 kg
T c
c pc
P o
Etat initial
A kg d’air
T a
c pa
P o
P o
Etat final
A+1 kg de fumées
T f
c pf
54

Nous considérons consid rons les chaleurs massiques à pression
constante car dans les installations thermiques nous avons
des systèmes syst mes ouverts qui évoluent voluent de façon fa on isobare.
La chaleur dégag d gagée e par la combustion est égale gale à la variation
d’enthalpie enthalpie du système syst me :
Qp = ∆H H = H f – Hi Hi est l’enthalpie l enthalpie du mélange m lange initial (air ( air + combustible) combustible ;
Hf est l’enthalpie l enthalpie des ( A + 1 ) kg de fumées fum es ;
Pour un gaz qui évolue volue à pression constante :
dh = cp . dT ;
Pour un solide : dh = c . dT ;
Nous prenons comme température temp rature de référence r rence
T = 0 °C pour laquelle H = 0.
55

Q
Nous avons donc :
f
Tt
H = (A + 1) . ∫ c . dT H = A . ∫ c . dT + ∫ c
cpa pa et cpc epi P
0 pf
i
T
a
0 pa
En se ramenant à 1 kg de combustible :
Q
=
P
=
(A
+
1)
.
T
∫
t
0 pf
. dT
pc sont en général g ral faibles,
leurs variations en fonction de T sont donc faibles,
on les remplace par leurs valeurs moyennes :
c
-
A
.
T
∫
a
c
0 pa
Une formule approchée approch e donne la variation de cf P
=
P
epi
T
= (A + 1) . ∫ (0,24 +
t
0
6.10
-5
. dT
T) . dT - A . c
-
T
∫
c
T
c
c
0 pc
0 pc
c
pa
. dT
. dT
et
en fonction de T
pa
. T
a
-
c
pc
c
56
pc
. T
c

P
epi
Température Temp rature réelle r elle de combustion
Elle s’obtient s obtient en tenant compte :
Du taux d’imbr d imbrûlés r,
Des pertes thermiques Qr dues essentiellement au rayonnement, d’où d :
( 1
−
r)
−
Q
r
T
t
= (A + 1). ∫ (0,24 + 6.10
0
-5
T).dT - A. c
pa
.T
a
-
c
pc
57
.T
c

EXERCICE
Ecrire la réaction action de combustion du propane C3H8 .
Quelle est l’é ’énergie nergie dégag d gagée par la combustion de
10 g de propane sachant que le pouvoir calorifique d’un d un
alcane à n atomes de carbones vaut :
(662 n + 260) kJ.mol -1 1 ?
Cette combustion a servi à chauffer 3 kg d’eau, d eau, dont la
température temp rature de départ d part vaut 15 °C. C. Quelle est la
température temp rature finale de l’eau l eau ?
Les masses molaires sont :
[C] = 12 g/mol, [H] = 1 g/mol.
58

La formule chimique d'une combustion stœchiométrique est :
m
m
C H + (n + ) O ⇒ nCO + H O
n m
2
2 2
4
2
La réaction r action de combustion du propane C3H8 est donc :
C H + 5 O ⇒ 3 CO + 4 H O
3 8 2
2 2
La masse molaire d’une d une molécule mol cule de propane C3H8 est :
[C 3H8] ] = 3 x 12 + 8 x 1 = 44 g.
Le nombre N de moles contenues dans 10 g de propane est
donc :
44 g → 1 mol
10 g →
10 x 1
N =
= 0,227 mol
44
59

Le pouvoir calorifique ou pouvoir énerg nergétique tique d’un d un alcane à n
atomes de carbones vaut : Q = (662 n + 260) kJ.mol -1
Le pouvoir calorifique ou pouvoir énerg nergétique tique d’une d une mole de
propane C 3H8 vaut : Q = (662 x 3 + 260) kJ.mol -1
Le pouvoir calorifique ou pouvoir énerg nergétique tique de N moles de
propane vaut : Q1 = (662 x 3 + 260) x 0,227 = 510 kJ.mol -1
La quantité quantit de chaleur gagnée gagn e par l’eau l eau est :
Q2 = meau eau x ceau eau x (T ( finale – Tinitiale) initiale)
= 510 kJ.mol -1 ,
masse de l’eau l eau : meau eau = 3 kg,
chaleur massique de l’eau l eau : ceau eau = 4180 J.kg -1 .K -1 ,
température temp rature initiale de l’eau l eau : Tinitiale initiale = 15 °C C = 288 K,
La quantité quantit de chaleur gagnée gagn e par les 3 kg d’eau d eau est donc :
Q2 = 3 x 4,180 x (T ( finale – 288) = 510 kJ.mol -1 , d’où d Tfinale finale = 55,7
= 55,7 60°C.

FIN DU CHAPITRE 2
MERCI DE VOTRE
ATTENTION
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