télécharger 70.36 Kb.
|
COMBUSTIONINTRODUCTION : Pourquoi la combustion ? - Pour produire de la chaleur et la transmettre à des installations d’eau chaude, à partir d’énergie fossile. s Pertes Pertes Fumées Parois s ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Chauffage Eau Chaude Sanitaire Combustible Comburant O2 Etincelles ![]() ![]() ![]()
11. DéfinitionLa combustion est une réaction chimique d’oxydation exothermique. C G ![]() az ,bois... Air CO2 , H2O, N2, … 12. Nature et composition de l’air comburantLe comburant est l’air atmosphérique dont la composition est la suivante : Oxygène : O2 Dioxyde de carbone : CO2 Azote : N2 Gaz rares : Néon, Krypton… En combustion, pour déterminer les quantités d’air théoriques, on utilise les pourcentages suivants :
13. Caractéristiques des combustibles La composition générale des combustibles courants est donnée ci-dessous : On distingue les combustibles suivants accompagnés de leurs compositions générales :
Exemple : gaz naturel = CH4 majoritairement Bois « sec » : en moyenne 19% d’eau, 1% de cendres, 40% de Carbone, 5% d’Hydrogène, 35% d’Azote et d’Oxygène, mais la teneur en eau peut varier de quelques pour cents. 14. Produits de combustion (fumées) Les produits de combustion (fumées) sont constitués de : ![]() ![]() Principalement : Eventuellement : 4.Oxyde de soufre SO2 1. Dioxyde de carbone : CO2 5. Oxygène : O2 6. Monoxyde de carbone :CO 2. Vapeur d’eau : H2O 7. NOx : NO, NO2 3. Azote : N2 8. Hydrogène libre : H2 9. Imbrûlés solides ou gazeux La présence et le pourcentage de ces constituants présents dans les produits de combustion permettront : a) De définir le type de combustion b) D’envisager les risques potentiels : - d’asphyxie pour les personnes
c) D’affiner les réglages du brûleur et d’améliorer les rendements. Compléments sur les NOx (Oxydes d’azote)L’azote de l’air reste globalement neutre dans la combustion. Une infime partie est oxydée.Ils ne sont pas pris en compte dans les équations de combustion classique, mais sont à l’origine des pluies acides par formation d’acide nitrique. C’est pourquoi des textes de loi limitant les rejets de NOx existent selon le combustible et la puissance. 15. Les différents types de combustionIl ne suffit pas de mettre en présence un combustible, de l’air et une étincelle pour réaliser une bonne combustion : Selon la quantité d’air, les réglages de l’appareil de combustion, la cheminée…, la combustion sera de plus ou moins bonne « qualité », c'est-à-dire : - Sans produit toxique pour l’homme ou l’environnement dans les fumées - Avec un bon rendement C’est pour cette raison que l’on étudie les différents types de combustion La combustion est complète si la totalité du combustible est oxydée. A contrario elle est incomplète s’il y a présence de combustible dans les fumées, ou si certains composants sont partiellement oxydés (ex : CO) La combustion est dite stœchiométrique, neutre ou théorique si l’air comburant est en quantité suffisante et strictement nécessaire à la combustion complète de l’unité de combustible. Les fumées ne contiennent pas d’oxygène. La combustion est oxydante ou en excès d’air si une partie de l’air comburant est utilisé pour l’oxydation du combustible, l’autre partie se retrouvant dans les fumées. La combustion est dite réductrice ou en défaut d’air si le volume d’air admis pour la combustion de l’unité de combustible est inférieur au volume d’air stœchiométrique ; l’oxygène y est néanmoins totalement utilisé donc pas de présence d’O2 dans les fumées, mais il y a formation de monoxyde de carbone (CO). Sans entrer dans les formules chimiques de combustion, il est indispensable de connaître les paramètres de combustion suivants : - Les pouvoirs calorifiques des combustibles
Le pouvoir calorifique d’un combustible est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète, sous la pression atmosphérique normale, de l’unité de combustible, celui-ci ainsi que les produits de combustion étant à 0 °C. Notation : PC Unité : [kJ/kg(n) de combustible] ou [kJ/m3(n) de combustible] Remarque : (n) signifie que toutes les réactions se produisent dans les conditions normales de température et de pression. Le pouvoir calorifique est dit inférieur (PCI) quand l’eau résultant de la combustion de l’hydrogène et des hydrocarbures est supposée à l’état de vapeur dans les produits de combustion. Le pouvoir calorifique est supérieur (PCS) quand cette eau de combustion est ramenée à l’état liquide dans les fumées. ![]() Lv=2500 kJ/kg aux CNTP Masse d’eau contenue dans les fumées Elle dépend de la quantité d’hydrogène présente dans le combustible Exemple : m(H2O) = 1,6 kg dans les fumées pour la combustion de 1 m3(n) de gaz naturel Quelques PCI/PCS Gaz naturel : PCI et PCS d’environ 10.2 kWh / m3(n) et 11.3 kWh / m3(n) Fioul domestique : PCI et PCS d’environ 10 kWh / l(n) et 11 kWh / l(n)
31. DéfinitionLa combustion stœchiométrique est la base des calculs théoriques en combustion. Les analyses réalisées ou les résultats fournis d’une combustion réelle, d’un combustible de composition connue, vont permettre de la définir précisément, par comparaison avec les résultats de la combustion neutre. Ainsi, par rapport à la théorie, on pourra définir :
En pratique, c’est l’analyse des fumées sur site qui donnera les renseignements techniques nécessaires à la définition de la combustion réelle. 32. La combustion en excès d’airOn parlera de « combustion en excès d’air » chaque fois que l’on détectera la présence d’oxygène dans les produits de combustion. L’excès d’air peut résulter soit d’un réglage du volet d’air au niveau du brûleur (brûleur à air soufflé), soit d’une impossibilité à régler l’arrivée d’air (brûleur atmosphérique). Cet excès d’air est indispensable pour une combustion complète L’air en excès impliquera :
Ainsi cette augmentation entraînera un accroissement des dépenses énergétiques sur une saison de chauffe (consommation de combustible plus importante), qui restent non négligeables même pour de petites puissances de chaudières. On caractérise l’air en excès par le facteur d’air Fa ou taux d’aération n en utilisant la relation suivante : ![]() ![]() ![]() Avec : Va : Pouvoir comburivore [m3(n) d’air / unité de combustible] VEA : Volume d’air en excès [m3(n) d’air en excès / unité de combustible] Nota : Généralement « n » est fourni par les relevés réalisés sur site à l’aide d’analyseurs de fumées. ![]() ![]() ![]() Pourcentage d’excès d’air EA% : EA% = (n-1)*100 33. Le Diagramme d’OSTWALDPour caractériser facilement la qualité de la combustion d’une installation, on mesure les taux CO2 et O2 dans les fumées, à l’aide d’un analyseur de fumées. Ensuite, le diagramme permet d’obtenir en fonction du CO2 mesuré et du O2 mesuré :
Il est défini pour un combustible donné, l’axe des abscisses représente le O2 et celui des ordonnées représente le CO2. Il comporte en général :
Les diagrammes d’OSTWALD sont applicables à tous les combustibles, ils sont insensibles aux teneurs en eau et en cendres des combustibles solides, mais ne sont plus utilisables si la teneur en imbrûlés solides dépasse 3%. Les diagrammes pratiques sont limités à leur partie utile (O2 <21%). F ![]() igure 1 : Diagramme d'OSTWALD du FOD Exemple : On mesure CO2 =11% et O2 =6% Sur le diagramme, on place le point, qui sur la diagonale supérieure : La combustion est donc complète, avec 38 % d’excès d’air, et 0%de CO En fonction de la fiche technique du matériel de combustion, on peut ensuite modifier les réglages pour diminuer l’excès d’air. 34. Température de rosée des fumées Température à laquelle la vapeur d’eau des fumées se condense : Elle dépend du combustible et de l’excès d’air. La chaudière doit présenter aux fumées une température de surface inférieure ou égale (environ 50/55 °C pour le gaz) pour récupérer cette chaleur de condensation. 4.Rendements de combustion, de générateurs A partir de la puissance absorbée par le brûleur, quelles sont les différentes puissances à calculer ? voir schéma page suivante 41. Brûleur en marche Schéma de principe ![]() 41.1 Puissance absorbée : générée par la combustion du combustible Pa = qm * PC ou = qv * PC kW kg/s kJ/kg m3/s kJ/m3 qm ou qv : débit de combustible PC : Pouvoir Calorifique du combustible Suivant le PC que l’on considère, (PCI ou PCS), on obtient Pa en kW PCI ou PCS. Pa est repéré A ou A’ sur le schéma 41.2 Puissance utile : Puissance transmise au fluide caloporteur repéré C sur le schéma Pu = Qm * C * (Ts – Te) à calculer de part et d’autre de la chaudière kW kg/s kJ/kg.K K Ts, Te : Température de sortie / d’entrée d’eau à la chaudière C : Capacité calorifique de l’eau = 4.18 kJ/kg.K pour de l’eau pure Qm : débit massique de l’eau dans la chaudière 41.3 Pertes par les fumées On distingue 2 types de pertes : pertes en chaleur sensible (température des fumées) et pertes en chaleur latente (pertes de vapeur d’eau) pertes en chaleur sensible A calculer à partir d’abaques, ou de la capacité calorifique des fumées, ou des enthalpies spécifiques des composants des fumées, ou encore par des formules empiriques (ex : SIEGERT) Pf = qmf * cf * (Tf - Ta) kW kg /s kJ/kg.K K Tf : Température des fumées Ta: Température de l’air ambiant Qmf : débit massique des fumées Qvf : débit volumique des fumées Avec : qmf = qvf * ρf kg/s m3(n)/s kg/m3(n) qvf = VFH * q(combustible) m3(n)/s m3(n)/unité(n) unité(n)/s Remarque : dans le cas d’une chaudière à condensation, VFH sera remplacé par VFS car la vapeur d’eau s’est condensée Formule de SIEGERT : en % %Pf = X * (Tf - Ta) / %CO2 Avec X : Coefficient dépendant du combustible X = 0.57 FOD X = 0.49 gaz naturel %Pf : % de pertes des fumées % CO2 : Taux de CO2 Cette formule ne tient pas compte des pertes par les imbrûlés (CO, C) pertes en chaleur latente elles dépendent de la masse d’eau m(H2O) qui s’échappe dans les fumées et qui n’est pas condensée, pour une unité normale de combustible perte = m(H2O) * Lv kJ kg kJ/kg Lv : chaleur latente de condensation de l’eau : environ 2500 kJ/kg 41.4 Pertes par les parois de la chaudière Par convection et rayonnement dans la chaufferie Ces pertes se déduisent des résultats précédents, ou bien sont données par le constructeur de chaudière en % de la puissance utile 42. Brûleur à l’arrêt Pertes d’entretien Brûleur à l’arrêt, les pertes de chaleur se font par les parois de la chaudière, par balayage 43. Rendements 431. Rendements de combustion (voir schéma) Rendement de combustion sur PCS Rc = B / A’ B : dans le cas d’une chaudière à condensation, il faut tenir compte de la masse d’eau condensée qui dégage de la chaleur latente Rendement de combustion sur PCI (parfois supérieur à 100 %...) Rc = B / A Remarque : Dans le cas d’une chaudière sans condensation, lorsque les pertes par les fumées sont exprimées en %, il suffit de faire : Rc (PCI) = 100 - %pertes fumées Comment passer du Rc (PCI) au Rc (PCS) ? Rc (PCI) = Rc (PCS) *PCS / PCI 432. Rendement utile sur PCS ou sur PCI Ru = Pu / Pa = C / A’ (ou A) Remarque : Dans le cas d’une chaudière sans condensation, lorsque les pertes par les fumées et les pertes par les parois sont exprimées en %, il suffit de faire : Ru (PCI) = 100 - %pertes fumées - %pertes parois 433. Rendement global Rg = Qu / Qa Qu = Energie utile cédée à l’eau (kJ) Qa = Energie absorbée par le brûleur (kJ ) 434. Cas des chaudières à condensation Dans ce cas, on récupère :
Rendement de combustion du gaz sur PCI : (formule empirique donnée par GDF) RC(PCI) = 100 – (35 n +6) *(Tf – Ta)/1000 + 6.6 * m Avec n : facteur d’air, m masse d’eau condensée en kg par m3(n) de gaz, Tf température des fumées, Ta température ambiante de la chaufferie ![]() Exercices combustion : - Calculs de puissances et rendements sur des chaudières - Analyses de combustion Exemple : Chaudière à condensation gaz Documents ressources :
Une chaudière gaz de 70 kW utile est située dans un local à 15 °C, est alimentée en gaz à 20 mbar. Le constructeur annonce un rendement de 92 % Une analyse de combustion donne :
Questions1ère partie
2ème partie On place un récupérateur sur les fumées de la chaudière, placé hydrauliquement en série avant la chaudière. En 1 h de fonctionnement, on récupère les masses de condensation sur les fumées suivant la température de retour d’eau, on note également la température des fumées après le récupérateur.
Pperdue = VFH.fh.cfh.Tfumées Avec .fh : 1,2 kg / m3(n) Cfh = 1.4 kJ / (kg.K) VFH volume des fumées humides en m3(n) = 17 m3(n)
|
![]() | «Rien ne se perd, rien ne se crée, tout se transforme». En d’autres termes, on doit avoir autant d’atomes au départ qu’à la fin dans... | ![]() | «Du carbone brûle dans l’air» : transformation chimique de combustion (voir exercice précédent) où les réactifs sont le carbone et... |
![]() | «réactif» une espèce chimique dont la quantité de matière diminue au cours du temps. Un réactif est situé à gauche dans l’équation... | ![]() | |
![]() | «nanoparticules» de carbone. IL est possible de rendre une surface super-hydrophobe avec cette fumée | ![]() | |
![]() | ![]() | ||
![]() | ![]() | «ce qui se passe» au niveau microscopique pendant la transformation, sur la façon dont les réactifs entrent en contact et engendrent... |