CHAPITRE III LA COMBUSTION

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1 CHAPITRE III LA COMBUSTION Sommaire 1. DÉFINITION DE LA COMBUSTION 2 2. CONDITIONS ÀA RÉALISER POUR LA COMBUSTION DU BUTANE ET DU PROPANE ère EXIGENCE: MÉLANGER LE GAZ ET L'AIR INTIMEMENT ET EN PROPORTIONS CONVENABLES ème EXIGENCE : TEMPÉRATURE D'INFLAMMATION CORRECTE RÉACTIONS CHIMIQUES DE LA COMBUSTION 4 3. COMBUSTION THÉORIQUE DE BUTANE ET DE PROPANE PROPANE BUTANE 7 4. CHALEUR DÉGAGÉE LORS DE LA COMBUSTION POUVOIRS CALORIFIQUES DEUX VALEURS DE POUVOIR CALORIFIQUE DIFFÉRENTES 9 5. DÉBIT CALORIFIQUE PUISSANCE UTILE - RENDEMENT EN RÉSUMÉ LES 4 TYPES DE COMBUSTION 11 1 / 11

2 1. DÉFINITION DE LA COMBUSTION - La combustion est la réaction chimique, à haute température, des éléments chimiques d'un combustible avec de l'oxygène, puisé généralement dans l'air atmosphérique (air comburant), par laquelle est liberée des produits de combustion et de la chaleur. En état gazeux le butane et le propane contiennent plus d'énergie que le gaz naturel par unité de volume dans les mêmes conditions de température et de pression. Le dégagement important de chaleur a toutes sortes d'usage. Ce dégagement de chaleur peut être lent en présence d'un catalyseur ou rapide avec formation d'une flamme. - Le butane commercial est composé en grande partie de BUTANE (formule chimique C 4 H 10 ), le propane commercial de PROPANE (formule chemique C 3 H 8 ). Le butane et le propane sont, comme toutes les hydrocarbures, formés des éléments carbone (symbole: C) et hydrogène (symbole H). La formule générale des hydrocarbures gazeux est C n H 2n+2. - L'air comburant est généralement de l'air atmosphérique. On considérera l'air sec composé uniquement d'oxygène et d'azote avec les concentrations volumétriques de 21% pour l'oxygène et 79% pour l'azote. Symboles chimiques: oxygène: O 2-21% azote : N 2-79% NOTE; La concentration massique pour l'oxygène est 23 % et pour l'azote 76,8 % (avec de petites quantités d'autres gaz). - Ce n'est que l'oxygène qui oxyde les hydrocarbures contenus dans les combustibles gazeux l'oxygène s'attache au carbone et à l'hydrogène pendant la réaction chimique en formant des nouvelles matières, CO 2 (dioxyde de carbone ) et H 2 O (eau). L'azote quant à lui ne participe pas à la combustion et se retrouve intégralement dans les produits de combustion. Lorsqu'on détermine le volume d'un gaz il faut toujours indiquer les circonstances de pression et de température. Puisque 1 m³ normal symbole 1 m n ³ de gaz est un volume de 1 m³ de gaz dans les conditions normales caractérisées par une pression absolue de 1013 mbar et une température de 0 C (ou 273,15 K) on utilise cette notion partout dans ce chapitre 1m 3 n air = 0,21 m 3 n O 2 + 0,79 m 3 n N 2 ou on a besoin de 4,76 m 3 n d'air pour avoir 1 m 3 n de O 2 2 / 11

3 2. CONDITIONS ÀA RÉALISER POUR LA COMBUSTION DU BUTANE ET DU PROPANE Si dans le texte suivant on parle aussi bien de butane que de propane, on utilisera la dénomination commune de "LPG". Les deux conditions suivantes doivent être réalisées: - un mélange le plus intime possible et en proportions convenables entre le LPG et l'oxygène (de l'air atmosphérique); - une température minimum d'amorçage de la combustion appelée température d'inflammabilité ère EXIGENCE: MÉLANGER LE GAZ ET L'AIR INTIMEMENT ET EN PROPORTIONS CONVENABLES Comme le combustible et l'air comburant sont tous les deux gazeux, il est aisé au niveau d'un brûleur à gaz de réaliser un très bon brassage des deux éléments et d'obtenir ainsi un contact intime entre les molécules de gaz et celles de l'oxygène au niveau des orifices de sortie à la tête du brûleur. Chaque mélange gaz/air n'est pourtant pas inflammable. La combustion ne peut s'amorcer et s'entretenir que si la concentration en volume de gaz combustible dans le mélange est comprise entre deux limites appelées limites d'inflammabilité: - la limite inférieure correspond à un mélange pauvre, caractérisé par une faible teneur en gaz LPG, nommée LEL (Low Explosion Limit); - la limite supérieure correspond à un mélange riche caractérisé par une teneur en gaz LPG plus élevée que la précédente. À une température ambiante de 20 C un mélange d'air et de gaz LPG est inflammable si: - la proportion de butane est comprise entre 1,5 et 8,5 % dans ce mélange; - la proportion de propane est comprise entre 2,1 et 9,8 % dans ce mélange; Les limites d'inflammabilité dépendent: - de la température du mélange air/gaz LPG; une augmentation de la température du mélange élargit les limites auto-inflammation pour le butane à 480 C et pour le propane à 495 C; - de la présence de certains gaz inertes dans le mélange (p.ex. une augmentation des concentrations de N 2 et CO 2 diminuent les limites d'inflammabilité); - de la concentration de O 2 dans l'air comburant (une augmentation de la concentration de O 2 augmente les limites). En dehors de ces limites (mélange trop pauvre ou trop riche), le mélange ne peut être inflammé. 3 / 11

4 ATTENTION Dans un espace fermé les concentrations air/gaz peuvent changer très vite et de façon inattendue p.ex. une quantité d'air peut affluer par une porte qui s'ouvre. Si avant on avait un mélange trop riche de LPG (sans risque d'inflammation), on se trouve soudain dans des conditions d'inflammabilité ème EXIGENCE : TEMPÉRATURE D'INFLAMMATION CORRECTE La combustion s'amorce dès qu'un point du mélange intime est porté à une température supérieure à la température d'inflammation. Après que les molécules du combustible et de l'air comburant ont été activées, la réaction en châine démarre. A cette température la chaleur dégagée suffit pour continuer cette réaction sans y ajouter de l'énergie de l'extérieur. Elle se poursuit jusqu'au moment où toutes les particules air/gaz sont consommées. L'énergie d'activation est délivrée par une flamme ou une étincelle. La valeur minimale de cette température est appelée température d'inflammation. La température d'inflammation n'est pas la même pour tous les gaz; elle varie, dans une mesure assez large, d'un gaz à l'autre. Le butane dans l'air s'enflamme à environ 405 C pour un mélange dans lequel la quantité d'air est celle théoriquement nécessaire pour obtenir une combustion complète; le propane à 450 C RÉACTIONS CHIMIQUES DE LA COMBUSTION LE POUVOIR COMBURIVORE On appelle pouvoir comburivore la quantité d'air nécessaire et suffisante pour assurer la combustion théorique complète de l'unité de quantité de combustible (air stoechiométrique) la quantité d'air exacte nécessaire pour la combustion de toutes les particules combustibles du gaz LPG. Une combustion réalisée dans de telles conditions est appelée "combustion stoechiométrique" Pour les combustibles gazeux, l'air stoechiométrique est exprimé en m n ³ air par m n ³ de gaz. 31,23 m n 3 air/m n 3 de butane (valeur moyenne) 23,92 m 3 n.air/m n 3 de propane (valeur moyenne) En pratique on constate qu'une combustion théorique est impossible des petits défauts dans la construction du brûleur peuvent donner lieu à un défaut d'air. En pratique on utilise une quantité d'air réelle plus grande que la théorique. On peut définir ainsi le coefficient d'excès d'air appelé encore facteur d'air comburant. 4 / 11

5 2.3.2 COEFFICIENT D'EXCES D'AIR OU "FACTEUR D'AIR COMBURANT" On appelle coefficient d'excès d'air ou facteur d'air comburant, le rapport entre la quantité d'air réellement utilisée pour la combustion et le pouvoir comburivore. Son symbole est n et sa valeur se calcule par la formule suivante : quantité d' air réellement utilisée ( en mn ) n = quantité d' air théoriquement nécessaire( en m Dans le cas d'une combustion stoechiométrique, n vaut COMBUSTION THÉORIQUE Pour le propane cette réaction est: C H 5 O 3CO + H O + chaleur pour le butane cette réaction est: 2 C 4H O 2 8CO2 + 10H 2O + chaleur Lors de la combustion théorique de butane et de propane se produisent: - LA CHALEUR; - LES PRODUITS DE COMBUSTION: H 2 O l'eau sous forme de vapeur; CO 2 dioxyde de carbone COMBUSTION COMPLÈTE AVEC EXCÈS D'AIR Il s'agit bien de la combustion complète d'un m 3 n de butane ou de propane au moyen d'une quantité d'air supérieure à la quantité d'air théoriquement nécessaire n plus grand que 1 donc avec excès d'air. Les produits de réaction sont constitués de CO 2, H 2 O, N 2 et O 2. On y observe une présence d'oxygène qui n'a pas été consommé lors de la réaction puisque l'air est en excès; la quantité excédentaire est un diluant. On doit veiller à ne pas trop augmenter l'excés d'air. L'air en surplus ne participe pas à la combustion mais est quand même chauffé avant de partir dans le conduit d'évacuation. En conséquence une quantité de chaleur est perdue. En pratique il y a lieu d'assurer une combustion complète avec le moins possible d'air en excés. 3 3 n ) 5 / 11

6 2.3.5 COMBUSTION AVEC DÉFAUT D'AIR Il s'agit bien de la combustion d'un m 3 n de butane ou de propane au moyen d'une quantité d'air inférieure à la quantité d'air théoriquement nécessaire donc avec défaut d'air n plus petit que 1. La quantité d'oxygène disponible dans l'air comburant est insuffisante pour que la combustion de tous les hydrocarbures soit complète. Les produits de combustion contiennent du CO 2, H 2 O, N 2 mais aussi de l'h 2 et du CO, parfois même du carbone et des hydrocarbures non brûlés. On observe une absence totale d'oxygène dans les produits de combustion; en effet, il a été complètement et intégralement consommé. ATTENTION : ce phénomène peut aussi se produire si la concentration d'oxygène dans l'air diminue le CO peut se former à partir d'un teneur en oxygène de 19% (normalement 21%) COMBUSTION INCOMPLÈTE Si les produits de combustion contiennent simultanément des imbrûlés (CO, H 2 ) et de l'oxygène, on a réalisé une combustion incomplète. La combustion peut donc être incomplète, même si le gaz et l'air (l'oxygène) sont présents en quantité suffisante pour avoir une combustion complète. Il suffit, à titre d'exemple, de la présence d'une paroi froide près des réactifs pour inhiber la combustion. De manière générale, la combustion incomplète résulte d'un mauvais fonctionnement ou d'une mauvaise conception des brûleurs ou de l'installation DANGERS DU "CO" Le monoxyde de carbone (CO) se forme en cas de combustion avec défaut d'air ou de combustion incomplète. Le CO est un gaz très toxique, inodore, incolore et sans goût. Il passe dans le sang en passant par les poumons, se fixe sur l'hémoglobine à la place de l'oxygène et empêche le transport de celui-ci jusqu'aux cellules Le cerveau est la première partie du corps qui réagit à ce manque d'oxygène. Par conséquent les symptômes primaires seront: mal de tête, vomissements et étourdissement. Une exposition prolongée peut mener à l'évanouissement et la mort. Le CO qui est dans le sang est libéré très lentement en passant par les poumons. Des concentrations considérables doivent être libérées le plus vite possible dans un "caisson" avec de l'oxygène sous pression afin de limiter les consequences de l'intoxication notamment au niveau du cerveau. 6 / 11

7 2.3.8 CIRCONSTANCES DANS LESQUELLES LA COMBUSTION EST INCOMPLÈTE Une combustion incomplète avec formation de CO peut être provoquée dans un appareil à combustion ouvert par entre autres: - pas assez d air frais pour la combustion dans l'espace d'installation de l appareil; - pas assez d air comburant au niveau des orifices d aspiration d air primaire d'un appareil atmosphérique; - mauvaise construction ou mauvais réglage du brûleur; - échangeur de chaleur encrassé ou obturé; - mauvaise évacuation des produits de combustion; - utilisation non autorisée de l appareil (par exemple chauffe-eau 5 l/min type A utilisé pour remplir une baignoire); - dépression dans l'espace causée par de moyens mécaniques (par exemple hotte d'extraction puissante, sèche linge avec évacuation). 3. COMBUSTION THÉORIQUE DE BUTANE ET DE PROPANE 3.1. PROPANE Pour la combustion complète de 1 kg de propane on a besoin de 3,63 kg d'oxygène ou 15,78 kg d'air. Le total des produits de combustion est de 16,78 kg. Converti en m 3 n c'est: pour la combustion complète de 0,51 m 3 n de propane on a besoin de 12,20 m 3 n d'air et le total des produits de combustion est de 12,71 m 3 n. pour la combustion complète de 1 m 3 n de propane on a besoin de 23,92 m 3 n d'air et le total des produits de combustion est de 24,92 m 3 n dont 3 m 3 n de CO 2 (13,9 % des produits de combustion secs) + 18,66 m 3 n d'azote + 3,02 m 3 n de vapeur d'eau BUTANE Un raisonnement analogue peut être fait pour le butane. Pour la combustion complète de 1 kg de butane on a besoin de 3,59 kg d'oxygène ou 15,59 kg d'air. Le total des produits de combustion est de 16,59 kg. Converti en m 3 n c'est: pour la combustion complète de 0,39 m 3 n de butane on a besoin de 12,06 m 3 n d'air et le total des produits de combustion est de 12,45 m 3 n. pour la combustion complète de 1 m 3 n de butane on a besoin de 31,23 m 3 n d'air et le total des produits de combustion est de 32,23 m 3 n dont 4 m 3 n de CO 2 (14,1 % des produits de combustion secs) + 24,36 m 3 n d'azote + 3,87 m 3 n de vapeur d'eau. 7 / 11

8 Tableau III.1 - Résumé des produits de combustion résultant de la combustion de 1 m³ n de gaz naturel, de propane et de butane Gaz 1 m³ n CO 2 m³ n Gaz naturel (Mer du Nord) Propane (pure) Butane (pure) CO 2 comme % des produits de combustion secs N 2 Vapeur d'eau m³ n m³ n 1,06 12,1 7,71 1, ,9 18,66 3, ,1 24,36 3,87 4. CHALEUR DÉGAGÉE LORS DE LA COMBUSTION 4.1. POUVOIRS CALORIFIQUES Unités de chaleur - L'unité internationale (unité SI) pour toutes les formes d'énergie et par conséquent aussi pour " la quantité de chaleur" est le JOULE. Symbole : J Unité dérivée : Megajoule ou J - symbole: MJ (ancienne unité: la calorie symbole: cal 1 kcal = 4,186 kj). - L'unité pour le pouvoir calorifique est donc (dérivéé de la définition ci-après): MJ par m n 3 ou MJ/m n 3 (m n 3 = m³ normale à 0 C et 1013 mbar, parce qu'il faut comparer les différentes combustibles dans les mêmes conditions de pression et de température; voir chapitre I). - Si on veut maintenant exprimer la quantité de chaleur ou d'énergie qu'un brûleur ou un appareil peut dégager, on parle de la production de chaleur par unité de temps ou de la PUISSANCE. unité: Joule par seconde (symbole: J/s) ou WATT (symbole: W) 1 W = 1 J/s. unité dérivée: kw = 1000W. 1 kwh = 3,6 MJ 1 MJ = 0,2778 kwh La puissance des appareils est exprimée en kw Vapeur d'eau / condensation L'eau "chimique" produite lors de la combustion est directement transformé en vapeur par la chaleur de cette combustion. Cette vapeur est évacuée en même temps que les autres produits 8 / 11

9 de combustion à l'extérieur du bâtiment par le conduit d'évacuation. La chaleur qui se trouve dans cette vapeur est ainsi perdue. On l'appelle chaleur de condensation. Seul les appareils à condensation utilisent cette chaleur de condensation de façon utile. Lors de l'extraction de cette chaleur dans un échangeur spécial la vapeur d'eau se refroidit au dessous du point de condensation (point de rosée) et est transformée en état d'eau. Par exemple: une chaudière à condensation produit environ 2,5 à 3,5 litres d'eau par m³ n de propane et 3 à 4 litres d'eau par m³ n de butane. Le point de condensation est fonction: - du combustible (p.ex. 54 C pour les gaz de pétrole liquéfiés); - de la quantité d'air dans les produits de combustion (un excés d'air important ou un ajout d'air de dilution au coupe-tirage antirefouleur abaisse le point de condensation); - la pression et la composition de l'air comburant DEUX VALEURS DE POUVOIR CALORIFIQUE DIFFÉRENTES - LE POUVOIR CALORIFIQUE SUPÉRIEUR H S C'est la quantité de chaleur que peut dégager la combustion complète de 1 m³ de LPG sec, si les produits de combustion sont ramenés à la température de 0 C, température initiale des réactifs. L'eau "chimique" formée lors de la combustion est ramené à l'état liquide. - LE POUVOIR CALORIFIQUE INFÉRIEUR H i C'est la quantité de chaleur que peut dégager la combustion complète de 1 m³ de LPG sec, si les produits de combustion sont ramenés à la température de 0 C, température initiale des réactifs. L'eau "chimique" formée lors de la combustion reste à l'état de vapeur. Suivant les conditions internationales de référence, les mesures effectuées dans les conditions réelles sont ramenées aux conditions de référence : - pression absolue de 1013 mbar; - température de 273,15 K (0 C). La différence existant entre le pouvoir calorifique supérieur et le pouvoir calorifique inférieur est la quantité de chaleur de condensation ou de vaporisation de la vapeur d'eau "chimique" formée lors de la combustion. A 273,15 K (0 C) cette différence est de 2.501,6 kj/kg. Seuls les combustibles qui produisent de la vapeur d'eau ont une différence entre les pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur. H S = H i + chaleur de condensation 9 / 11

10 Exemples Le tableau III.2 donne les valeurs moyennes de H s et H i pour le butane, le propane et le gaz naturel (Mer du Nord) aux conditions normales (0 C, 1013 mbar). Tableau III.2 Pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur de butane, propane et gaz naturel BUTANE PROPANE GAZ NATUREL MJ kwh MJ kwh MJ kwh H s par m 3 n de gaz 133,7 37,14 101,2 28,11 40,77 11,33 H i par m n 3 de gaz 123,6 34,34 93,6 26,00 36,70 10,20 5. DÉBIT CALORIFIQUE PUISSANCE UTILE - RENDEMENT - La quantité d'énergie fournie par le gaz par unité de temps au brûleur de l'appareil d'utilisation est le DÉBIT CALORIFIQUE le INPUT du brûleur. - La PUISSANCE UTILE d'un appareil (le OUTPUT) est la quantité de chaleur (énergie) transmise au fluide caloporteur, de l'eau ou de l'air, pendant l'unité de temps. - Le RENDEMENT est le rapport entre ce qui sort du système OUTPUT et ce qui est fourni au système INPUT. symbole: η unité: sans unité le plus souvent exprimé en % OUTPUT η = INPUT - Pour les applications de chauffage, on considère le débit calorifique comme INPUT et la puissance utile comme OUTPUT. On utilise toujours comme valeur du INPUT le débit calorifique sur base du pouvoir calorifique inférieur donc sans compter avec la chaleur de condensation. De cette façon on obtient toujours des valeurs plus petites que 1 ou de 100% pour le rendement des appareils sans condensation. P.ex. si le rendement d'une chaudière est de 89%, cela veut dire que 89% de l'énergie fournie par la combustion au brûleur est transformée en chaleur utile. Les 11% restants sont perdus essentiellement sous forme de rayonnement et de perte de chaleur dans la cheminée. ATTENTION Si on calcule le rendement d'un appareil à condensation en utilisant la méthode de cidessus, on peut obtenir un rendement de plus que 100%. 10 / 11

11 6. EN RÉSUMÉ LES 4 TYPES DE COMBUSTION COMBUSTION STOECHIOMÉTRIQUE (ou neutre) GAZ + AIR CO 2 + H 2 O + N 2 + chaleur facteur d'air comburant n = 1 COMBUSTION COMPLÈTE AVEC EXCÈS D'AIR GAZ + AIR CO 2 + H 2 O + N 2 + reste d'air + chaleur facteur d'air comburant n > 1 COMBUSTION COMPLÈTE AVEC DÉFAUT D'AIR (manque d'oxygène) GAZ + AIR CO 2 + H 2 O + N 2 + imbrûlés (CO + H ) + chaleur facteur d'air comburant n < 1 COMBUSTION INCOMPLÈTE AVEC EXCÈS D'AIR GAZ + AIR CO 2 + H 2 O + N 2 + reste d'air + imbrûlés (CO + H ) + chaleur facteur d'air comburant n > 1 CO 2 = dioxyde de carbone H 2 O = eau (vapeur) H 2 = hydrogène N 2 = azote CO = monoxyde de carbone oo0oo 11 / 11