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Combustion

Eléments de cours

1/74O. Bonnefoy (bonnefoy@emse.fr)Année 2014-15

Challenges

Réduire les émissions de polluants(CO

2,Nox, suies, ...)

Améliorer l'efficacité des moteurs

pour limiter la consommation de combustibles fossiles 2/74

Biocarburants 2èmegénération

Recherches conduites à l'EMSE

Gazeification

Grinding

3/74

Propulsion aéronautique

Simulations aux Grandes Échelles (SGE ou Large Eddy Simulation -LES- en Anglais) 4/74

Génération d'électricité

Oxycombustion

5/74

Propulsion terrestre

Charge stratifiée

6/74

Sommaire

1. Thermochimie

1. Réactifs et produits

2. Combustions stoechiométrique et non-stoechiométrique

3.Combustions incomplètes3.Combustions incomplètes

4. Pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur, enthalpie de réaction

5. Température adiabatique

6. Polluants et additifs

2. Cinétique

1. Mécanismes réactionnels et loi de vitesse

2. Température critique d'auto-allumage et temps d'induction

3. Limites d'explosivité

4. Ignition et extinction de la combustion

3. Mécanique des fluides

1.Explosions : déflagration et détonation

7/74

1.Explosions : déflagration et détonation

2. Cognement et additifs

4. Aérothermique

1. Flammes de diffusion et de prémélange

2. Structure interne des flammes turbulentes

3. Régimes de combustion turbulente et diagramme de Borghi

La combustion : un domaine riche

La combustion ou comment une réaction d'oxydo-réduction libère de la chaleur. • Chimie : combustion = réaction d'oxydation exothermique • Thermodynamique : espèces stables, loi d'action de masse • Cinétique : mécanismes réactionnels, délai d'allumage • Transferts thermiques : chaleur dégagée, choix des matériaux • Physique : dispersion et vaporisation des combustibles liquides • Mécanique des fluides : turbulences, déflagration et détonation => Un très joli challenge scientifique et technologique 8/74 => Un très joli challenge scientifique et technologique

Unité n°1

Thermochimie

9/74

Thermochimie : sommaire

• Les acteurs : comburant + combustibles -> produits • Combustions stoechiométriques et non-stoechiométriques • Combustions incomplètes • Pouvoirs calorifiques supérieur et inférieur, enthalpie de réaction • Température adiabatique • Polluants et additifs 10/74

Flamme

Flamme = zone de l'espace où se déroule la combustion. Combustion = réaction d'oxydation classique du type

"comburant + combustible produits+ chaleur »"comburant + combustible produits+ chaleur »

Du fait du dégagement de chaleur, la température de la flamme est élevée.

Les produits de combustion solides (suies) se comportent comme des corps noirs. La longueur d'onde émise dépend de la température (T

bleu> Tjaune). 11/74

Comburant

Très souvent, le comburant est l'air. Il contient l'oxygène qui est l'agent oxydant.

Composition de l'air standard

Composant Fraction molaire (%) Masse molaire (g/mol) Fraction massique (%)

N2 78,1 28 75,6

Ar+CO

2+... 0,9 40 1,2

O

221 32 23,2

Azote atmosphérique 79 28,15 76,8

12/74Air = 3,76 moles d'azote atmosphérique pour 1 mole d'oxygène.

Combustibles

•gaz :mélange d'hydrocarbures gazeux avec éventuellement de l'azote et/ou du dioxyde de carbone. Exemples : gaz naturels, butane et propane commerciaux, air propané, essence* ...

•liquide:mélange d'hydrocarbures liquides: diesel, fioul domestique, fiouls lourds, ... contenant

(corps contenant l'agent réducteur)

•liquide:mélange d'hydrocarbures liquides: diesel, fioul domestique, fiouls lourds, ... contenant des atomes de C,S,H,O,N ; alcools ; ...

•solide :charbons, bois, ... (idem)

*Essence : liquide dans les conditions standard mais placé dans la catégorie des combustibles gazeux car sa volatilité est grande : le délai de vaporisation est plus court que le temps caractéristique de la cinétique d'allumage.

Alcane CmH2m+2

Méthane CH4

Ethane C2H6

Propane C3H8

Mélange d'hydrocarbures :

inmi iiH.C 13/74

Butane C4H10

Gaz de Lacq C1,205H4,044

Essence ~ C8H18(octane)

Kérosène C

11H24ou C12H26

Gazole ~ C12H26(dodécane)Combustible équivalent : C mHn (νi: fraction volumique de CmiHni) iiii ii.nn.mm ps: sauf gaz naturel, les hydrocarbures fluides obtenus par distillation/crackage de pétrole brut

Combustibles liquides

Masse volumique :

• 750 kg/m

3pour essence

• 840 kg/m

3pour gazole

14/74

Source : Nicolas LECYSYN, Université d'Aix-Marseille, 2008, Etude et modélisation des effets d'un impact balistique sur un réservoir

• Biomasse →kérogène →combustibles fossiles (dont charbon, pétrole, gaz naturel, ...).

• Temps, profondeur, pression, température => pyrolyse •De moins en moins d'eau, CO, H, ... => de + en + de carbone

Combustibles solides

(les charbons) •De moins en moins d'eau, CO2, H2, ... => de + en + de carbone • Quatre types de charbon : la tourbe, le lignite, la houille et l'anthracite.

ProduitsTeneur en carbone

(en %)

Tourbe< 50

Lignite50 - 60

Flambant70 - 80

Charbon gras ou bitumineux à coke75 -90Temps

15/74

Charbon gras ou bitumineux à coke75 -90

Charbon demi-gras ou semi-bitumineux 80 - 90

Charbon maigre et houille anthraciteuse 90 - 93

Anthracite93 - 97

Temps

* Nota Bene : distillation anaérobie de charbon dans un four →élimination des volatiles →coke utilisé en aciéries, cimenteries ,...

* Plus d'info sur la transformation biomasse combustible fossile sur :

Produits de combustion

Principalement :

- dioxyde de carbone (CO 2) -vapeur d'eau (H2O) (= fumées) -vapeur d'eau (H2O) - azote (N2) - anhydride sulfureux (SO 2)

Eventuellement :

- dioxygène (O 2) - monoxyde de carbone (CO) - NOx (NO et NO 2) - dihydrogène (H 2) -imbrûlés solides (suies,...) ou gazeux (hydrocarbures). 16/74 -imbrûlés solides (suies,...) ou gazeux (hydrocarbures). Certains sont neutres vis-à-vis de l'environnement ou de la santé.

D'autres sont considérés comme polluants.

Combustion stoechiométrique

La combustion est stoechiométrique (=neutre) lorsqu'il y a exactement assez de comburant pour oxyder totalement le combustible les fumées ne contiennent ni oxygène, ni combustible.oxygène, ni combustible.

Exemples :

N 3,76OHCO N 3,76OHCOHO21HCOO21COSOO SCOO COH 2COO 2CH

22222nm

2222222222224

17/74La combustion stoechiométrique conduit à la température de combustion la plus élevée.

Par conséquent, elle est considérée comme combustion idéale. Exercice : équilibrer la dernière réaction ()22222nm

Combustion stoechiométrique

La combustion est stoechiométrique (=neutre) lorsqu'il y a exactement assez de comburant pour oxyder totalement le combustible les fumées ne contiennent ni oxygène, ni combustible.oxygène, ni combustible.

Exemples :

N 3,76OHCO N 3,76OHCOHO21HCOO21COSOO SCOO COH 2COO 2CH

22222nm

2222222222224

18/74La combustion stoechiométrique conduit à la température de combustion la plus élevée.

Par conséquent, elle est considérée comme combustion idéale. Exercice : équilibrer la dernière réaction ()22222nm ( )22222nmN .3,764nmOH2nCO mN 3,76O.4nmHC

Application

Un constructeur automobile annonce, pour une voiture équipée d'un moteur Diesel, une consommation q

V,ade 4,5 litres pour 100 km.

Q1 : quel est l'ordre de grandeur de la quantité qm,CO2de dioxyde de carbone rejetée ? Q2 : effectuer le calcul en considérant la réaction comme stoechiométrique 19/74

Application

( )22222nmN .3,764nmOH2nCO mN 3,76O.4nmHC La voiture rejette 11,9 kg de COpour un trajet de 100 km (soit 119 g/km)

Gazole Essence

Formule (m,n) (12,26) (8,18)

Masse volumique alcaneρ

akg/l 0,85 0,74

Masse molaire alcane M

ag/mol 170 114

Masse molaire CO2 M

CO2g/mol 44 44

Constante de conversionKakg/l 2,64 2,28

La voiture rejette 11,9 kg de CO2pour un trajet de 100 km (soit 119 g/km) Un automobiliste parcourant 15000 km/an rejette 18 tonnes de CO2. 20/74 Dans la pratique, les combustions sont non-stoechiométriques.

On veut éliminer les imbrûlés il faut qu'en tout point, suffisamment d'oxygène soit

disponible pour la combustionon opère avec un grand excès d'air (λ> 1) même s'il dilue les fumées et fait chuter la température.

Combustion non-stoechiométrique

disponible pour la combustionon opère avec un grand excès d'air (λ> 1) même s'il dilue les fumées et fait chuter la température.

Les réactions sont caractérisées par le facteur d'air λ:

Facteur d'air λ

défaut d'air stoechiométrique excès d'air λ=1 ()()O nm.1N 3,76.nm.OHnCO m N 3,76O.nm.HC+-++++→+++λλλ

21/74Deux autres manières existent pour caractériser l'écart à la stoechiométrie :

- Excès d'air (domaine des chaudières) : e=λ-1

- Richesse (domaine des moteurs automobiles) : R=Φ=1/λ= rapport du nombre de moles de combustible contenu dans une quantité déterminée de mélange au même nombre dans le mélange stoechiométrique.

L'analyse des fumées sur site permet de définir la qualité de la combustion. Notamment, la présence d'oxygène caractérise une combustion en excès d'air.

()()222222nmO 4m.1N 3,76.4m.OH2CO m N 3,76O.4m.HC+-++++→+++λλλ

Combustion non complète

Combustion " non complète » = il reste des espèces non oxydées(les imbrûlés).

1) mélange carburant-comburant non homogène => manque local d'oxygène

2) température trop basse => combustion peu réactive (cinétique lente)

O .k4n

2km. 4nm.1N 3,76.4nm.H

2n kOH2n k1 CO m kCO m k1

N 3,76O.4nm.HC

221

22222121

22nm

22/74k

1et k2sont les constantes de dissociation du CO2et de l'eau.

combustion complète?k

1=k2=0

?toutes les espèces oxydables ont été oxydées en CO

2et H2O

combustion incomplète?k

1≠0 ou k2≠0

?il reste des espèces oxydées : CO, H

2ou CmHn

Combustion non complète

Les constantes de dissociation k

1et k2du CO2et de l'eau sont liées par la constante KPcaractérisant la réaction d'équilibre entre les imbrûlés :

OH COHCOg2gg2,g2,+↔+

Loi d'action de masse :

D'après la réaction de combustion, on a : d'où :

Valeur approchée : où T est en Kelvin

OH COHCOg2gg2,g2,+↔+

[ ][ ]222

PH.COOH.COK≡

T

3753387,3expK

P

2.2).1(

HOHet ).1(.

COCO22

22
11 2nkn k mkmk- =-=)1()1(K1221 Pkkkk

23/74Pour K

P>> 1, l'équilibre est déplacé vers la droite : les espèces stables sont CO et H2O

Pour K

P<< 1, l'équilibre est déplacé vers la gauche : les espèces stables sont CO2et H2 L'analyse des fumées permet de connaître les constantes de dissociation k1et k2puis de calculer la constante K P. La température associée est appelée température de figeage. Elle donne une idée de la qualité de la combustion. T

Pouvoir calorifique

PC = quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible (kg ou mol), les éléments nécessaires à la combustion et les produits de la réaction étant pris dans les mêmes conditions de pression etde température (souvent p atmet 25°C).

Soit la réaction :

Le pouvoir calorifique est égal à l'opposé de l'enthalpie (standard) de réaction avec avec h fi=ΔHfi0: enthalpie de formation du constituanti(état standard = 1 bar, 25°C)

44332211AAAAνννν+↔+

0HPCrΔ-≡()()221144330

ffffrhhhhHνννν+-+≡Δ

0HrΔ

24/74Nota Bene:Δ

rH0= f(νi) donc l'enthalpie de réaction dépend de la (non-)stoechiométrie

de la réaction. D'une manière générale, maîtriser la stoechiométrie de la combustion

permet de maximiser la chaleur libérée par unité de matière de combustible et ainsi de maximiser le rendement de la machine thermique. Selon l'état physique des produits (liquide ou vapeur), on distingue le Pouvoir Calorifique Inférieur du Pouvoir Calorifique Supérieur.PCI et PCS d'un combustible Combustible + comburantProduits (état vapeur)Q=PCI Q=L

Q=PCS=PCI+L

Combustion exothermique

Condensation exothermique

25/74Evidemment : PCS > PCI !

L eau= 2,5 MJ/kg = 44 kJ/mol

PCI de l'ordre de 20 à 40 MJ/kg

PCS ~ 1,1.PCI => les chaudières à condensation ont un meilleur rendement.

Produits (état liquide)

PCI et PCS d'un combustible

Combustible Etat physique PCI [MJ/kg]

Tourbe Solide 13

Bois Solide 15,3

Lignite Solide 25

Anthracite Solide 34

Ethanol Liquide 26,9

Fioul domestique Liquide 42

Diesel Liquide 42,6

Essence Liquide 42,7

26/74

Butane Gazeux 45,8

Propane Gazeux 46,4

Méthane Gazeux 50

Dihydrogène Gazeux 121

Nota Bene : 1 calorie = 4,185 Joule

Une estimation du Pouvoir Calorifique Supérieur massique peut être faite grâce à la formule empirique de BOIE :PCI et PCS d'un combustible où la variablexireprésente les fractions massiques du constituantidans le matériau.

[MJ/kg] .1,11.5,10.3,6.61,11.2,35 [Mcal/kg] .65,2.5,2.5,1.75,27.4,8OSNHCOSNHCxxxxxxxxxxPCS

Exemple pour l'éthanol C2H5OH de masse molaire 46 g/mol. x

C= 2.12/46 = 52,2%

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