[PDF] Combustion-EMSE.pdf Combustion stœchiométrique. La

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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.4nmHCquotesdbs_dbs22.pdfusesText_28

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