Combustion - Eduscol
Dans le contexte de la réaction à la réforme des Mathématiques Modernes ...... d'
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Espinoza & Gascón 2003) ; l'expression « OM incomplète » (Bosch, Fonseca ...
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COMBUSTION
INTRODUCTION : Pourquoi la combustion ?
- Pour produire de la chaleur et la transmettre à des installations deau chaude, à partir dénergie fossile.
ssPrenons le cas dune chaudière mixte, équipée dun brûleur.
GENERALITES
11. Définition
La combustion est une réaction chimique doxydation exothermique.
Combustible + Comburant Produits de Combustion +Chaleur
Gaz ,bois... Air CO2 , H2O, N2,
12. Nature et composition de lair comburant
Le comburant est lair atmosphérique dont la composition est la suivante :
Oxygène : O2 Dioxyde de carbone : CO2
Azote : N2 Gaz rares : Néon, Krypton
En combustion, pour déterminer les quantités dair théoriques, on utilise les pourcentages suivants :
% en Masse% en VolumeO22421N27679
13. Caractéristiques des combustibles
La composition générale des combustibles courants est donnée ci-dessous :
On distingue les combustibles suivants accompagnés de leurs compositions générales :
SOLIDELIQUIDEGAZ HydrocarburesConstituantsC, H2O, CendresC ; H2 ; SMélanges CnHm, N2, CO2Combustibles courantsCharbons, Anthracites, BoisFioul Domestique
Fiouls Lourds n°1 et 2Gaz naturels, Butane et Propane commerciaux, Air propané
Exemple : gaz naturel = CH4 majoritairement
Bois « sec » : en moyenne 19% deau, 1% de cendres, 40% de Carbone, 5% dHydrogène, 35% dAzote et dOxygène, mais la teneur en eau peut varier de quelques pour cents.
14. Produits de combustion (fumées)
Les produits de combustion (fumées) sont constitués de :
Principalement : Eventuellement :
4.Oxyde de soufre SO2
1. Dioxyde de carbone : CO2 5. Oxygène : O2
6. Monoxyde de carbone :CO
2. Vapeur deau : H2O 7. NOx : NO, NO2
3. Azote : N2 8. Hydrogène libre : H2
9. Imbrûlés solides ou gazeux
La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les produits de combustion permettront :
a) De définir le type de combustion
b) Denvisager les risques potentiels : - dasphyxie pour les personnes
de corrosion du matériel (chaudière, conduit de fumées)
de pollutions atmosphériques
c) Daffiner les réglages du brûleur et daméliorer les rendements.
Compléments sur les NOx (Oxydes dazote)
Lazote de lair reste globalement neutre dans la combustion. Une infime partie est oxydée.Ils ne sont pas pris en compte dans les équations de combustion classique, mais sont à lorigine des pluies acides par formation dacide nitrique. Cest pourquoi des textes de loi limitant les rejets de NOx existent selon le combustible et la puissance.
15. Les différents types de combustion
Il ne suffit pas de mettre en présence un combustible, de lair et une étincelle pour réaliser une bonne combustion : Selon la quantité dair, les réglages de lappareil de combustion, la cheminée
, la combustion sera de plus ou moins bonne « qualité », c'est-à-dire :
- Sans produit toxique pour lhomme ou lenvironnement dans les fumées
- Avec un bon rendement
Cest pour cette raison que lon étudie les différents types de combustion
La combustion est complète si la totalité du combustible est oxydée. A contrario elle est incomplète sil y a présence de combustible dans les fumées, ou si certains composants sont partiellement oxydés (ex : CO)
La combustion est dite stchiométrique, neutre ou théorique si lair comburant est en quantité suffisante et strictement nécessaire à la combustion complète de lunité de combustible. Les fumées ne contiennent pas doxygène.
La combustion est oxydante ou en excès dair si une partie de lair comburant est utilisé pour loxydation du combustible, lautre partie se retrouvant dans les fumées.
La combustion est dite réductrice ou en défaut dair si le volume dair admis pour la combustion de lunité de combustible est inférieur au volume dair stchiométrique ; loxygène y est néanmoins totalement utilisé donc pas de présence dO2 dans les fumées, mais il y a formation de monoxyde de carbone (CO).
Sans entrer dans les formules chimiques de combustion, il est indispensable de connaître les paramètres de combustion suivants :
- Les pouvoirs calorifiques des combustibles
Les Pouvoirs Calorifiques :
Le pouvoir calorifique dun combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète, sous la pression atmosphérique normale, de lunité de combustible, celui-ci ainsi que les produits de combustion étant à 0 °C.
( Notation : PC
( Unité : [kJ/kg(n) de combustible] ou [kJ/m3(n) de combustible]
( Remarque : (n) signifie que toutes les réactions se produisent dans les conditions normales de température et de pression.
Le pouvoir calorifique est dit inférieur (PCI) quand leau résultant de la combustion de lhydrogène et des hydrocarbures est supposée à létat de vapeur dans les produits de combustion.
Le pouvoir calorifique est supérieur (PCS) quand cette eau de combustion est ramenée à létat liquide dans les fumées.
Lv=2500 kJ/kg aux CNTP
Masse deau contenue dans les fumées
Elle dépend de la quantité dhydrogène présente dans le combustible
Exemple : m(H2O) = 1,6 kg dans les fumées pour la combustion de 1 m3(n) de gaz naturel
Quelques PCI/PCS
Gaz naturel : PCI et PCS denviron 10.2 kWh / m3(n) et 11.3 kWh / m3(n)
Fioul domestique : PCI et PCS denviron 10 kWh / l(n) et 11 kWh / l(n)
LA COMBUSTION REELLE
31. Définition
La combustion stchiométrique est la base des calculs théoriques en combustion. Les analyses réalisées ou les résultats fournis dune combustion réelle, dun combustible de composition connue, vont permettre de la définir précisément, par comparaison avec les résultats de la combustion neutre. Ainsi, par rapport à la théorie, on pourra définir :
La combustion en excès dair
La combustion en défaut dair
En pratique, cest lanalyse des fumées sur site qui donnera les renseignements techniques nécessaires à la définition de la combustion réelle.
32. La combustion en excès dair
On parlera de « combustion en excès dair » chaque fois que lon détectera la présence doxygène dans les produits de combustion. Lexcès dair peut résulter soit dun réglage du volet dair au niveau du brûleur (brûleur à air soufflé), soit dune impossibilité à régler larrivée dair (brûleur atmosphérique). Cet excès dair est indispensable pour une combustion complète
Lair en excès impliquera :
une augmentation des pertes par les fumées,
une diminution du rendement de la chaudière.
Ainsi cette augmentation entraînera un accroissement des dépenses énergétiques sur une saison de chauffe (consommation de combustible plus importante), qui restent non négligeables même pour de petites puissances de chaudières.
On caractérise lair en excès par le facteur dair Fa ou taux daération n en utilisant la relation suivante :
EMBED Equation.3 soit EMBED Equation.3
Avec : Va : Pouvoir comburivore [m3(n) dair / unité de combustible]
VEA : Volume dair en excès [m3(n) dair en excès / unité de combustible]
Nota : Généralement « n » est fourni par les relevés réalisés sur site à laide danalyseurs de fumées.
EMBED Equation.3
Pourcentage dexcès dair EA% : EA% = (n-1)*100
33. Le Diagramme dOSTWALD
Pour caractériser facilement la qualité de la combustion dune installation, on mesure les taux ( CO2 et ( O2 dans les fumées, à laide dun analyseur de fumées.
Ensuite, le diagramme permet dobtenir en fonction du ( CO2 mesuré et du ( O2 mesuré :
Le type de combustion réelle
Le % dexcès dair ou de défaut dair
Le ( CO (sil y a lieu)
Il est défini pour un combustible donné, laxe des abscisses représente le ( O2 et celui des ordonnées représente le ( CO2. Il comporte en général :
La droite des combustions oxydantes (( CO = 0%) graduée en excès dair,
Une graduation en défaut dair sur laxe vertical (( O20%),
Le point représentatif de la combustion neutre (( O2=0% et ( CO = 0%) pour ( CO2max,
Les droites dégale teneur en CO (( CO = cte) parallèle à la droite des combustions oxydantes,
Les droites dégal excès ou défaut dair
Les diagrammes dOSTWALD sont applicables à tous les combustibles, ils sont insensibles aux teneurs en eau et en cendres des combustibles solides, mais ne sont plus utilisables si la teneur en imbrûlés solides dépasse 3%. Les diagrammes pratiques sont limités à leur partie utile ((O2 Uöö_öööökd$$IfTFÖÖ\ºÿ; ¼y% ÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿ ÿÿÿÿS ÿÿÿÿj ÿÿÿÿÖ0ÿÿÿÿÿÿö¿%ÖÿÿÿÿÿÿÿÖÿÿÿÿÿÿÿÖÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÿÖÿÿÿÿÿÿÿ4Ö
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