Les éléments chimiques constituant la combustion

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Dynamiques des fluides

Fluide

Les fluides sont des substances déformables sous l’action de forces très faibles. Les fluides peuvent être liquides et gaz. Un fluide estun corps dont les molécules glissent facilement les unes sur les autres, pour le cas du liquide, ou se déplacent librement les unes par rapport aux autres pour le gaz. Les liquides et les gaz se différencient en leur compressibilité, les liquides ont une compressibilité très faible contrairement aux gaz parfois appelés fluides élastiques .
En thermodynamique, liquides et gaz c’est-à-dire les fluides sont caractérisés par des grandeurs comme la température d’ébullition ou de ondensation,c la viscosité, la pression de vapeur saturante et la chaleur latente de changement d’état.

Viscosité et conductivité thermiqu.e

Pendant le mouvement du fluide, les répulsion et d’attraction. Il en résulte un effet déformable. molécules sont soumises à des forces de de cohésion bien que le fluide soit facilement

Conductivité thermique

S’il y a différence de température entre particules, l’agitation des molécules est responsable d’un transfert de chaleur qui est décrit par l’intermédiaire de la conductivité thermique .

Viscosité

S’il existe entre les particules une différence de vitesse, l’agitation des molécules est responsable d’un transfert microscopique de quantité de mouvement d’une particule à sa voisine. Le transfert moléculaire de quantité de mouvement est traduit par la propriété appelée viscosité.
La viscosité désigne l’aptitude d’un liquide à s’écouler. Elle est déterminée par la capacité d’entraînement que possède une couche en ouvement sur les autres couches adjacentes.
Lorsque la viscosité diminue la capacité du fluideà s’écouler augmente. Quand la température augmente pour un liquide, la viscosité tend généralement à diminuer. La viscosité est indiquée par un chiffre : moins il est élevé, moins le liquide est visqueuse. Il existe deux types de viscosité :
· la viscosité dynamique
· la viscosité cinématique

Ligne de courant et tube de courant

On appelle ligne de courant une courbe tangente en chacun de ses points au vecteur vitesse ( ). Un tube de courant est la surface engendrée par les lignes de courant s’appuyant sur une courbe fermée C dont aucun tronçon ne coïncide avec une ligne de courant.
Si l’écoulement est stationnaire, les lignes de courant ne se déforment pas au cours du temps. Ils correspondent alors aux trajectoires des particules du fluide.
Ligne tourbillon
On appelle ligne tourbillon, une ligne tangente en chacun de ses points au vecteur tourbillon. L’ensemble des lignes tourbillons, s’ap puyant sur une courbe fermée, définit un tube tourbillon et, si la section droite de ce tube est très petite, on obtient un filet tourbillon.

Écoulements laminaire et turbulent

L’écoulement d’un fluide peut être de deux typeslaminaire: ou turbulent. La transition entre ces deux régimes dépend de la vitesse, de ladensité et de la viscosité du fluide.
L’écoulement est laminaire quand le déplacement desparticules est parallèle aux parois et il est turbulent quand les particules se déplacent d’une façon désordonnée et tourbillonnaire.
La limite entre le régime laminaire et le régime turbulent est caractérisée par la valeur critique RC du nombre de Reynolds:
– Si Re<RC, l’écoulement est laminaire,
– Si Re >RC, l’écoulement est turbulent.
En règle générale, R est compris entre 2000 et 3000, mais il dépend de la canalisation C (forme, état des parois), de sorte que des valeurs plus petites ou plus grandes ne sont pas exclues.

Le principe de Bernoulli

Les fondements théoriques de l’aérodynamique relèvent de la mécanique des fluides. Cette science s’intéresse, dans une première approche, à l’écoulement des fluides incompressibles et non visqueux. Le principe de Bernoulli est que l’énergie mécanique totale d’un écoulement de fluide incompressible et sans frottement est constante le long d’une ligne de courant de cet écoulement. Pour un écoulement uniforme, les lignesde courant correspondent à la trajectoire des molécules de fluide prises individuellement. Ceprincipe conduit à une relation entre la pression, la vitesse du fluide et la force de gravitation. Dans ce cadre, le principe de Bernoulli traduit la loi fondamentale de conservation de l’énergie le long d’un filet fluide : la somme de la pression et de l’énergie cinétique volumique peut être considérée comme constante en chaque point de cette ligne de courant, si on néglige les effets de la pesanteur.
Beaucoup de phénomènes concernant l’écoulement desfluides peuvent être analysés en employant l’équation de Bernoulli.
L’équation de Bernoulli est employée pour analyserle flux de fluide le long d’une ligne profilée d’un endroit 1 à un endroit 2.

Utilisation de l’effet Venturi 

Le tube de Venturi est un appareil d’étranglement,la réduction de la section du tube entraîne une augmentation de la vitesse qui a pour conséquence une baisse mesurable de la pression.
On peut comprendre cet effet avec le théorème de Bernoulli : si le débit de fluide est constant et que le diamètre diminue, la vitesse augmente nécessairement ; du fait de la conservation de l’énergie, l’augmentation d’énergiecinétique se traduit par une diminution d’énergie élastique, c’est-à-dire une dépression.
L’effet Venturi peut être utilisé pour créer une pressiondé et ainsi réaliser une aspiration.
On le trouve dans de nombreuses applications technologiques comme :
– dans les carburateurs des moteurs à combustion inte rne pour la préparation du mélange air-carburant. En effet, le fluide qui circule dans le Venturi est le carburant, sur la partie où il existe une dépression il y a unorifice qui permet l’aspiration de l’air qui est dont mélangé au carburant en sortie de Venturi.
– pour mélanger des liquides : un liquide mis en dépression aspire l’autre liquide et permet le mélange.
– dans les pistolets à peintures, alimentés par le biais d’une turbine basse pression ou d’un compresseur.
L’effet de venturi crée un vide par l’écoulement ‘und fluide, typiquement air, au-dessus d’une ouverture. C’est cet effet que l’on utilise pour certains injecteurs dans le brûleur. En effet, le fluide qui circule dans le Venturi est l’air, venant du compresseur, et l’orifice permet d’aspirer le comburant qui est dont mélangé à l’air et pulvérisé en sortie de Venturi.

Théorie de la combustion

La combustion

Définitions

Le comburant

Un comburant est le gaz dans lequel la combustion a lieu. C’est un corps chimique qui a pour propriété de permettre la combustion d’un combustible. Le principal comburant est le dioxygène.

Le combustible

Un combustible est une matière qui, en présence d’oxygène et d’énergie, peut se combiner à l’oxygène qui sert de comburant dans une réaction chimique générant de la chaleur.

Energie d’activation 

C’est l’énergie qui permet de déclencher la réaction, il s’agit généralement de chaleur. Elle est nécessaire au début du processus de la réaction chimique qui va permettre la combustion. Elle peut être une étincelle, un échauffement, une flamme.
Mais il y a aussi d’autres façons de fournir l’énergie d’activation : électricité, radiation, pression qui permet toujours une augmentation de la température.

La combustion

La production de chaleur est le résultat d’une réaction chimique provoquée entre deux composants : le combustible et le comburant. On appelle cette réaction chimique la combustion ; la réaction est globalement exothermique, assez lente au début mais elle peut devenir très rapide voire même violente, avec émission de rayonnements et élévation de température.
La combustion ne peut avoir lieu que si l’on réunittrois facteurs : deux composés chimiques (un combustible et un comburant) et une source d’énergie (énergie d’activation).

Les éléments chimiques constituant la combustion

L’étude de la combustion se fait au niveau des atomes et des molécules. Les éléments qui interviennent couramment dans la combustion sont les corps simples et les corps composés.

Les corps simples

– L’oxygène,
– L’azote,
– L’hydrogène
– Le carbone
– Le soufre : on le trouve dans le gaz naturel (mais ce dernier en est débarrassé après extraction), et dans le fuel. C’est un composé indésirable, par les produits de combustion qu’il dégage. Les huiles végétales ne ntiennentco pas de soufre.

Les corps composés 

Les corps simples que nous venons d’énumérer sontarement seuls : on les trouve dans la nature, soit mélangés (cas de l’air), soit combinés chimiquement pour former d’autres molécules. Les principaux éléments qui interviennensont :
– L’air, est un mélange d’oxygène, d’azote et de quelques gaz appelés gaz rares parce qu’ils sont en petites quantités environ 1 % en composition volumique.
– L’eau, symbole chimique H20
– Le gaz carbonique, symbole chimique C02 : on l’obtient en attachant aux quatre liaisons du carbone, deux atomes d’oxygène. Le gazcarbonique est un gaz incolore et inodore.

Équations de combustion 

La réaction chimique est un processus par lequel une ou plusieurs substances dites les réactifs, sont transformées en d’autres composés chimiques appelés les produits de la réaction. Les produits obtenus à partir de réactifs donnés dépendent des conditions dans lesquelles la réaction chimique est mise en œuvre. Pour la combus tion, ces réactions chimiques sont régies par les équations de combustion .

Combustions incomplètes

La combustion incomplète a lieu quand il n’y a pasassez d’oxygène pour permettre au combustible  (souvent un hydrocarbure) de réagir complètement avec le dioxygène pour produire du dioxyde de carbone et de l’eau.
Quand un hydrocarbure brule dans l’air, la réactionproduira du dioxyde de carbone, de l’eau, du monoxyde de carbone, du carbone pur (suie ou cendres), mais aussi de nombreux autres composés tels que les oxydes d’azote.

Combustions incomplètes en excès d’air.

En principe, la combustion incomplète en excès d’air ou incomplète oxydante se produit par suite d’une trop grande quantité d’air,qui, à cause des vitesses importantes du gaz et de l’air, entraîne le mélange imbrulé en dehorsde la flamme.

Grandeurs caractéristiques de la combustion

Lors de la combustion, il est nécessaire d’avoir un excès d’air, mais il est important de connaître avec quel excès d’air optimal la combustion doit se faire car cet excès entraine la perte d’une certaine quantité de chaleur.

Excès d’air

On appelle excès d’air la quantité d’air fournie enplus de la quantité théorique nécessaire pour une combustion neutre. Cet excès d’air e est exprimé en pourcentage (%).
L’air en excès ne sert pas à la réaction, bien pire, il se réchauffe en absorbant une partie de la chaleur de la flamme. Il faut donc déterminer les limites en excès pour avoir un meilleur rendement. 100( 1) (2.8)
λ : taux d’aération.

1-5-2. Pouvoir comburivore.

On appelle pouvoir comburivore d’un combustible la quantité d’air nécessaire pour assurer la combustion théorique complète d’une unité de volume ou de poids du combustible. Il est aussi appelé l’air stœchiométrique ou encore air théorique symbolisé par Va, il s’exprime en m3 normal ou en kg.

Pouvoir fumigène

C’est le volume de fumée symbolisé parVf correspondant à la combustion théorique complète d’une  unité de volume ou de poids du combustible.

Aération réelle

C’est le volume d’air réellement fourni lors de lacombustion (symbole VR) exprimé en m3 normal ou kg.
En combustion :
– théorique VR = Va
– en excès d’air VR > Va
– à défaut d air VR < Va

Taux d’aération ou facteur d’ai.r

Le taux d’aérationλ est le rapport entre l’aération réelle et l’air œchiométriquest. (2.9)
Ce qui donne :
– en combustion complète : λ = 1
– en combustion avec excès d’air : λ > 1
– en combustion avec défaut d’air : λ < 1

Paramètre thermique de la combustion

Un des aspects les plus intéressants de la combustion, est bien la quantité de chaleur qu’elle dégage. Cette quantité d’énergie calorifique dépend directement de la composition du combustible considéré, c’est-à-dire de la quantitéd’éléments de carbone et d’hydrogène.

Pouvoir calorifique

Nous appelons pouvoir calorifique d’un combustible, la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète, sous la pression atmosphérique, de l’unité de quantité de ce combustible, le combustible et l’air étant à 0°C et les produits de combustion ramenés à 0°C.
Les combustions d’hydrocarbures dégagent de l’eau ous forme de vapeur. Cette vapeur d’eau contient une grande quantité d’énergie. Ce par mètre est donc pris en compte de manière spécifique pour l’évaluation du pouvoir calorifique, et l’on définit :
– Le pouvoir calorifique supérieur PCS, il est supérieur quand l’eau résultant de la combustion est ramenée à l’état liquide dans les produits de combustion.
– Le pouvoir calorifique inférieur PCI, il est inférieur quand cette eau reste à l’état de vapeur dans les produits de combustion.
La différence entre le PCI et le PCS est la chaleur latente de vaporisation de l’eau (Lv) multipliée par la quantité de vapeur produite (m),qui dépend de la pression et de la température. (2.10)

Température théorique de combustion

On appelle température théorique de combustion, latempérature à laquelle seraient portés les produits de la combustion, si toute la chaleur dégagée par la réaction était utilisée à les échauffer.
Dans la pratique, cette température n’est jamaisatteinte, car la combustion s’effectue toujours avec des pertes de chaleur. De plus l’azote de l’air et l’excès d’air absorbent une partie de cette chaleur.
On retiendra seulement que plus on a d’excès d’air plus on refroidit la flamme.

 Température de rosée

La température de rosée ou point de rosée indiquea ltempérature à laquelle les gaz de combustion se condensent.
Si le combustible est du gaz naturel, les produits de condensation sont presque uniquement de l’eau et le point de rosée se situe à environ 60°C en combustion neutre.
S’il s’agit de fuel, les produits de condensation sont partiellement composés d’acide sulfurique (H2S04) et le point de rosée se situe à environ 100°C en combustion neutre.
Si les produits de combustion humides sont dilués avec un excès d’air supposé sec, il en résulte un abaissement du point de rosée. Mais, si cet air est humide, ce qui est généralement le cas, ces températures sont un peulusp élevées.

Principe de la combustion

Les réactions chimiques de combustions ne peuvent se produire que si des espèces chimiques, atomes, ions, radicaux, molécules, commencent par se rencontrer ou du moins se trouver assez près pour se modifier mutuellement.
Indépendamment de toute autre considération, les éactionsr chimiques ne peuvent donc être que lentes si les espèces sont peu mobiles, donc les rencontres rares.
C’est la raison pour laquelle les réactions de combustion se font de préférence en phase gazeuse. L’essentiel de la combustion des liquides se fait après vaporisation. Par contre, les combustibles solides, bien qu’ils contiennent des matières volatiles par chauffage, brulent généralement à l’état solide.

Approche chimique de la combustion

La réaction de combustion est la rupture des liaisons entre les molécules de deux corps, et la création de nouvelles molécules plus tables chimiquement.
La combustion est une réaction d’oxydoréduction, enl’occurrence l’oxydation d’un combustible par un comburant ;
· le combustible est le corps qui est oxydé durant lacombustion ; c’est un réducteur, il perd des électrons ;
· le comburant est le corps qui est réduit ; c’est unoxydant, il gagne des électrons.
Dans le cas des combustibles solides, l’énergie d’activation va permettre de vaporiser ou de pyrolyser le combustible. Les gaz, ainsi produits, vont se mélanger au comburant et donner le mélange combustible.
Soit la combustion du méthane de la formule(2.7).
Le dioxyde de carbone CO2 et l’eau H2O sont plus stables que le dioxygène et le méthane.

Table des matières

Introduction
Chapitre 1 : Transferts thermiques et fluides.
I. Les transferts thermiques
II. Dynamiques des fluides.
Chapitre 2 : Théorie de la combustion.
I. La combustion.
1-1. Définitions
1-2. Les éléments chimiques constituant la combustion
1-3. Équations de combustion
1-4. Les différents types de combustion.
1-5. Grandeurs caractéristiques de la combustion.
1-6. Paramètre thermique de la combustion.
II. Principe de la combustion.
2-1. Approche chimique de la combustion.
2-2. Température d’auto-inflammation
2-3. Mécanisme d’inflammation de la combustion
2-4. Délai d’allumage.
2-5. Contrôle de la combustion
2-6. Rendement de la combustion
III. Le combustible.
Chapitre 3 : Etude de la flamme
I. Le feu
1-1. Définition
1-2. Formation du feu.
1-3. Les aspects du feu
II. La flamme.
2-1. Les différents types de flamme
2-2. Propagation de la flamme
2-3. Front de flamme.
2-4. Le front de flamme de prémélange
III- Température
Chapitre 4 : Le brûleur
1. Définition.
2. Les éléments nécessaires dans un brûleur.
3. Chambre de combustion
4. Rôle de la chambre de combustion
5. Les différents types de brûleurs
6. Energies dans un brûleur.
7. Utilisation des brûleurs
I. Introduction.
1-1. Objectif
1-2. Méthodologie
II. Premier Cycle du PDCA : Prototype n°1.
2-1. Le plan du cycle.
2-2. Etude et réalisation des tâches
2-3. Fonctionnement du brûleur
2-4. L’essai du brûleur
2-5. Amélioration du brûleur.
III. Deuxième cycle du PDCA : Prototype n°2.
3-1. Le nouvel injecteur
3-2. Chambre de combustion 2
3-3. Couverture de protection de la chambre.
3-4. Réalisation du brûleur n°2
3-5. Fonctionnement
3-6. Essai du brûleur n° 2.
IV. Conclusion
Chapitre 6 : Coût des brûleurs
1. Coûts des matériels et matériaux du Brûleur n°1.
2. Consommation électrique lors de la réalisation
3. Coût matériels Brûleur n°2
4. Consommation électrique
5. Interprétations
Chapitre 7 : Etudes d’impacts environnementaux
1. Introduction.
2. Description du Projet
2-1. Présentation du projet
2-2. Motivation
3. Regard sur l’environnement.
3-1. Environnement
3-2. Impacts négatifs.
3-3. Impacts positifs.
3-4. Mesure d’atténuation
4. Conclusion
Conclusion générale.
Annexes
Bibliographie

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