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Article

1 - COMBUSTIBLES INDUSTRIELS

2 - POUVOIRS CALORIFIQUES

3 - POUVOIR COMBURIVORE – POUVOIR FUMIGÈNE – EXCÈS D'AIR

4 - CHALEUR DÉGAGÉE PAR UNE COMBUSTION. TEMPÉRATURE DES FUMÉES

5 - EXERGIE ET IRRÉVERSIBILITÉ D'UNE COMBUSTION

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : BE8312 v1

Pouvoir comburivore – Pouvoir fumigène – Excès d'air
Énergétique de la combustion - Caractéristiques techniques

Auteur(s) : André LALLEMAND

Relu et validé le 04 janv. 2020

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RÉSUMÉ

Après une courte présentation des combustibles industriels, les pouvoirs calorifiques, comburivores et fumigènes des combustibles industriels solides, liquides ou gazeux sont présentés. On distingue le cas des combustions complètes et incomplètes. Le calcul des températures des fumées et de l'énergie thermique récupérée lors d'une combustion réelle est présenté, ainsi que la détermination de ces grandeurs à partir des diagrammes enthalpiques. Enfin, l'importance des irréversibilités dues à la combustion est mise en exergue au travers du calcul des pertes exergétiques dans le cas des combustions stoechiométriques ou complètes avec excès d'air.

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ABSTRACT

Energetics of combustion - Technical characteristics

After a brief presentation of industrial fuels, the calorific, comburivorous and smoke developing power of solid, liquid or gaseous solid industrial fuels are presented. The differences between complete and incomplete combustions are dealt with. The calculation of the temperature of smokes and of the thermal energy recovered during an industrial combustion is presented, as well as the determination of these measurands from enthalpic diagrams. Finally, the importance of irreversibilities generated by combustion is highlighted via the calculation of energy losses in the case of stoichiometric combustion or complete combustion with air excess.

Auteur(s)

  • André LALLEMAND : Professeur émerite des universités - Ancien directeur du département de génie énergétique de l'INSA de Lyon

INTRODUCTION

L'article [BE 8 311] ne présente que les aspects basiques de la combustion et toutes les grandeurs spécifiques sont relatives à la mole de combustible. Or, industriellement, cette référence est peu pratique. On lui préfère une référence à la masse de combustible lorsque celui-ci est solide ou liquide, au volume quand il est gazeux. C'est ainsi que, par exemple, l'enthalpie molaire de combustion est transformée en pouvoir calorifique inférieur PCI ou supérieur PCS, à volume constant ou sous pression constante. Par ailleurs, les différences entre ces diverses grandeurs doivent être exprimées, et cela, en fonction de la teneur des combustibles en leur divers éléments et des paramètres thermodynamiques classiques.

Il est également important dans les applications industrielles, pour dimensionner les installations motrices ou de chauffage, de pouvoir déterminer les débits d'air nécessaires à la combustion ainsi que les débits des fumées en fonction de la puissance thermique ou mécanique désirée. Les notions de pouvoirs comburivores et fumigènes permettent de faire ces calculs aussi bien dans le cas de combustions théoriques (stœchiométriques) que de combustions plus proches de la réalité, c'est-à-dire qui ont lieu soit avec un excès d'air, complètes ou incomplètes, soit avec un défaut d'air.

Dans les installations motrices (moteurs alternatifs à allumage commandé ou diesels, turboréacteurs ou turbopropulseurs, etc.), la combustion est adiabatique ou avec une proportion de pertes thermiques relativement faible. Pour ces applications, comme pour les foyers adiabatiques, il est intéressant de connaître la température atteinte par les produits de la combustion ou température adiabatique de combustion. Si un échange thermique entre une flamme ou des fumées et des parois ou un échangeur de chaleur est recherché, on a besoin de connaître la puissance thermique échangée qui dépend de la température de la flamme ou des fumées. C'est en particulier le cas des fours et chaudières. Dans certains cas, celui des chaudières à condensation, il faut connaître la température de rosée et la température finale atteinte par les fumées pour déterminer la quantité d'énergie supplémentaire récupérable grâce à la chaleur latente de condensation de l'eau.

Enfin, pour limiter les pertes dans les installations complexes comme une raffinerie par exemple, il faut savoir calculer les irréversibilités attachées à chaque poste énergétique. Le chiffrage de ces irréversibilités est fait au travers des pertes exergétiques. Pour les combustions, cela passe par le calcul des pertes exergétiques en combustion adiabatique. En effet, lors d'un dégagement de chaleur, les pertes exergétiques concernent, pour l'essentiel, le transfert au niveau de l'échangeur.

Le but de cet article est de présenter l'ensemble de ces problématiques. Cependant, comme tous les paramètres étudiés sont fonction notamment de la composition des combustibles, le premier paragraphe est réservé à une présentation générale des combustibles et à l'adoption d'une nomenclature.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-be8312


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3. Pouvoir comburivore – Pouvoir fumigène – Excès d'air

3.1 Excès ou défaut d'air

La combustion théorique d'un combustible consiste à faire brûler tous les éléments de ce combustible conformément aux équations stœchiométriques. C'est un cas idéal, rarement réalisé en pratique, mais dont l'étude sert de base à celle de la combustion réelle.

Pour la combustion théorique, il faut une quantité précise d'air (ou d'oxygène) pour une masse ou un volume de combustible donnés. Par rapport à cette quantité, la combustion réelle a lieu avec :

  • soit un excès d'air → la combustion est dite oxydante ;

  • soit un défaut d'air → la combustion est dite réductrice.

Par ailleurs, en pratique, la température des fumées diffère sensiblement de celle des réactifs. Alors, pour une combustion oxydante, l'air en excès, qui se retrouve dans les fumées, représente un vecteur de calories inutile vers l'extérieur. Avec un défaut d'air, la combustion est incomplète et la chaleur utile est plus faible. Ainsi, dans les deux cas, la chaleur utile est inférieure à la chaleur théorique.

Industriellement, on peut distinguer plusieurs cas :

  • on cherche à se rapprocher de la combustion théorique (dans le cas des chaudières par exemple) ;

  • on cherche à avoir une combustion oxydante dans le traitement des produits métallurgiques en vue de certaines opérations : forgeage, laminage, etc., ou lorsque la température des gaz de combustion ne doit pas être trop élevée (cas des turbines à gaz et turboréacteurs par exemple) ;

  • au contraire, dans le cas de l'élaboration de la fonte, on cherche une combustion réductrice.

On peut noter également que les combustibles gazeux se prêtent bien à une combustion réductrice alors que les combustibles liquides et solides brûlent principalement avec un excès d'air.

HAUT DE PAGE

3.2 Étude de la combustion théorique

HAUT DE PAGE

3.2.1 Définitions

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