notions de thermique

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Les limites d’inflammabilité : le mélange d’un comburant (combustible) et d’un carburant comporte une plage d’inflammabilité comprise entre une limite inférieure Li (en deça le mélange est trop pauvre pour brû­ler) et une limite supérieure Ls (au-delà le défaut d’air interdit la combustion).

Le tableau 86 donne les limites de la plage d’inflammabilité pour les quatre mélanges hydrogène ou méthane avec air ou oxygène (pur) : Li et Ls exprimées en %

formule : Notions thermique - quatre mélanges hydrogène ou méthane avec air ou oxygène

; de même on trouvera les données concernant les mélanges méthanol/éthanol ou NH4 dans l’air.

La température d’inflammation représente (même très localisée) la température la plus basse qui peut enflammer (faire exploser) un mélange situé entre les limites Li et Ls.

limites plage inflammabilité quatre mélange hydrogène méthaneImage sécurisée
Tableau 86. Limites de la plage d’inflammabilité pour les quatre mélanges hydrogène ou méthane avec air ou oxygène (pur)

La chaleur de combustion est la quantité de chaleur dégagée au cours de la combustion d’un corps pous­sée jusqu’à son oxydation totale. Dans le cas d’un corps composé, cette chaleur est égale à la somme de sa chaleur de formation et de celles libérées par la combustion de chacun de ses éléments.

pouvoir calorifique

Le pouvoir calorifique est la chaleur de combustion rapportée à l’unité de masse ou de volume du com­bustible (KJ · kg–1, ou KJ · m–3, ou encore mth · kg–1). On distingue :

  • le pouvoir calorifique sur pur : quantité de chaleur dégagée par la combustion de l’unité de masse ou de volume du combustible exempt d’humidité, de matières minérales et de gaz incombustibles.
  • le pouvoir calorifique sur sec qui s’applique à l’unité de masse ou de volume du combustible débarrassé de son humidité.
  • le pouvoir calorifique sur brut qui prend en compte la présence de tous les combustibles dans l’unité de masse ou de volume du produit.

Si le combustible contient de l’hydrogène ou des composés hydrogénés, ceux-ci se retrouveront sous forme d’eau dans les produits de la combustion. Selon l’état de cette eau dans les produits de combustion, gazeux ou liquide, on définit le pouvoir calorifique inférieur ou le pouvoir calorifique supérieur.

le pouvoir calorifique inférieur (PCI)

Ne comprend pas la chaleur de vaporisation de l’eau contenue dans les produits de combustion (on con­sidère donc que cette eau reste sous forme de vapeur).

le pouvoir calorifique supérieur (PCS)

Comprend la chaleur de vaporisation de l’eau formée en cours de combustion. La définition du PCS sup­pose donc que la totalité de l’eau provenant de l’humidité du combustible et de la combustion se trouve à l’état condensé dans les produits de combustion. L’eau amenée par le comburant (air humide) est supposée rester à l’état de vapeur.

La différence entre le PCI et le PCS correspond à la chaleur latente de vaporisation de l’eau. Le PCI, qui est seul utilisé dans le calcul des installations, se déduit du PCS après détermination de la teneur en hydrogène et en eau du combustible. Le tableau 87 donne quelques valeurs moyennes de PCI.

L’écart entre le PCS et le PCI ramené aux seules matières organiques sèches est de l’ordre de 10 à 15 % ; pour le fuel domestique, il est de 5 à 9 %.

Remarque : les études économiques font généralement appel à la notion de tonne d’équivalent pétrole(tep). 1 tep équivaut à la valeur énergétique d’une tonne de gaz liquéfié ou 1 000 m3 de gaz naturel, soit 36·103 kJ.

valeurs moyennes PCIImage sécurisée
Tableau 87. Exemples de valeurs moyennes de PCI

combustion

Parmi les combustions conventionnelles, dans lesquelles le comburant est l’air atmosphérique, on distin­gue

la combustion théorique

La quantité d’air mise en œuvre est égale au pouvoir comburivore du combustible (voir ci-dessous). Cette combustion est incomplète,

la combustion oxydante et semi‑oxydante

La quantité d’air mise en œuvre est supérieure au pouvoir comburivore du combustible. Cette combustion avec excès d’air est complète dans le premier cas, incomplète dans le second,

la combustion réductrice et semi-réductrice

La quantité d’air donnée au combustible est inférieure à son pouvoir comburivore, elle est complètement absorbée dans le premier cas et partiellement dans le second.

la combustion mixte

Elle donne des fumées dans lesquelles on retrouve de l’oxygène non utilisé et des imbrûlés. C’est une combustion que l’on rencontre parfois dans la pratique en raison de difficultés technologiques.

On appelle combustion neutre une combustion s’effectuant de façon complète avec la quantité de com­burant nécessaire et strictement suffisante pour qu’il en soit ainsi. Une telle combustion correspond à une notion théorique et est difficilement réalisable en pratique. Elle permet cependant la définition d’un certain nombre de paramètres caractéristiques d’une combustion.

Le pouvoir comburivore d’un combustible est la quantité d’air strictement nécessaire pour assurer la com­bustion neutre de l’unité de ce combustible.

Pour les combustibles solides et liquides on peut considérer en première approximation qu’il est de l’ordre de 1 Nm3 d’air par kg pour un PCI de 4 000 kJ · kg–1.

Pour les combustibles gazeux, la valeur est la même mais ramenée non plus au kg mais au m3 dans les conditions normales :

1 Nm3 d’air par Nm3 de gaz pour un gaz de PCI 4 000 kJ par kg Nm3.

Pour les boues résiduaires urbaines, il est de l’ordre de 6,5 Nm3·kg–1 de MV.

Le pouvoir fumigène d’un combustible est la quantité de fumées résultant de la combustion neutre de ce combustible. En pratique on utilise généralement la notion de pouvoir fumigène sur fumées humides. On suppose dans ce cas que la vapeur d’eau n’est pas condensée. On peut en première approximation, le déter­miner par les formules de Véron qui donnent :

  • pour un combustible solide : 1 Nm3·kg–1 par 3 500 kJ · kg–1 de PCI,
  • pour un combustible liquide : 1 Nm3·kg–1 par 3 800 kJ · kg–1 de PCI,
  • pour un combustible gazeux : 1 Nm3·Nm–3 par 3 500 kJ · Nm–3 de PCI,

(non valable pour les gaz pauvres, de PCI inférieur à 8 000 kJ · Nm–3).