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RÉSUMÉ
Les éléments de base nécessaires à la compréhension du phénomène de combustion sont présentés sans entrer dans le détail de la cinétique chimique. Ainsi, les conditions indispensables à la réalisation d'une combustion industrielle sont développées. La combustion est vue comme une source de chaleur et/ou d'élévation de l'énergie interne ou de l'enthalpie d'un fluide. Les diverses expressions des températures des fumées sont abordées et on fournit une méthode de détermination des irréversibilités de la combustion à travers la notion d'exergie. Des exemples de calculs sont fournis.
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André LALLEMAND : Professeur émérite des universités - Ancien directeur du département de génie énergétique de l'INSA de Lyon
INTRODUCTION
La combustion est une opération technique importante et très répandue. Elle a essentiellement deux buts soit produire de la chaleur, soit fournir, in fine, de l'énergie mécanique. Dans le premier cas, les systèmes énergétiques sont basés sur les chaudières ou les fours. On cherche alors à obtenir des fumées à température de sortie aussi basse que possible pour récupérer un maximum de chaleur. Le second cas correspond aux moteurs de toutes sortes où la combustion peut être adiabatique. C'est l'enthalpie communiquée aux fumées qui est ensuite transformée en énergie mécanique.
Pour maîtriser ces combustions, l'ingénieur énergéticien a besoin de connaître certains éléments de base qui s'appuient sur des connaissances physiques et chimiques. C'est l'objectif de cet article qui sera suivi par un article plus technique donnant les éléments utilisés en pratique dans l'industrie.
Après avoir donné les définitions essentielles, on présente les réactions sous leur aspect global, c'est-à-dire sans aucune considération de cinétique chimique. Cependant, quelques notions relatives aux réactions en chaîne sont fournies afin d'aider à la compréhension des conditions indispensables à l'amorçage et au maintien d'une combustion. L'accent est mis sur les évolutions énergétiques qui ont lieu au cours de la combustion. On donne aussi le lien entre les chaleurs de combustion et celles de formation des corps purs.
Les conditions limites de combustion isotherme d'une part, adiabatique d'autre part, sont considérées afin de définir la chaleur maximale dégagée par une combustion ou la température maximale atteinte par les fumées. Le cas intermédiaire est bien évidemment abordé, même avec condensation partielle de l'eau dans les fumées, toutefois sans prendre en compte les réactions de dissociation pour lesquelles le lecteur est renvoyé aux ouvrages spécialisés en chimie de la combustion.
Les aspects exergétiques de la combustion sont abordés en fin d'article. Leur intérêt, comme cela est toujours le cas en matière d'exergie, est de mettre en évidence les irréversibilités liées à ce processus. On note qu'elles sont de l'ordre du quart de l'énergie contenue dans le mélange combustible.
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3. Température des fumées
La définition des chaleurs de combustion suppose que les produits de la réaction (fumées) soient à la même température (et à la même pression ou au même volume) que les réactifs. En pratique, il est très rare que cette condition d'identité des températures soit respectée. De même, dans de nombreuses applications (combustion dans les moteurs ou en centrales thermiques), les réactifs ne sont pas à la température standard, mais à une température quelconque qui peut aussi être différente pour le combustible et pour le comburant. Alors, la quantité de chaleur Q cédée à l'extérieur au cours de la combustion ne correspond plus à l'opposé de la chaleur de combustion. L'application de la relation (1), qui traduit le premier principe de la thermodynamique, est toujours possible et peut être détaillée, par exemple, pour la combustion d'une mole de combustible sous pression constante :
avec :
- 1 et 2 :
- respectivement l'état initial des réactifs et l'état final des produits (figure 10),
- Q12 :
- chaleur dégagée par la...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - LALLEMAND (A.) - Exercices et problèmes résolus de thermodynamique. - Ellipses (2011).
-
(2) - BORGHI (R.), DESTRIAU (M.) - La combustion et les flammes. - Technip (1995).
-
(3) - PERTHUIS (E.) - La combustion industrielle. - Technip (1983).
-
(4) - RAZNJEVIC (K.) - Tables et diagrammes thermodynamiques. - Eyrolles (1970).
-
(5) - MAHAN (B.H.), L'ECUYER (P.), LEFRANCOIS (M.) - Chimie. - Éditions du Renouveau Pédagogique Montréal (1970).
-
(6) - SOMA (S.K.), DATTA (A.) - Thermodynamic irreversibilities and exergy balance in combustion processes. - Progress in Energy and Combustion Science, 34, p. 351-376 (2008).
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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