La combustion - Combustion

Les flammes causées à la suite d'un combustible en cours de combustion (brûlage)

La combustion , ou brûlage , est une réaction chimique redox exothermique à haute température entre un combustible (le réducteur) et un oxydant , généralement l' oxygène atmosphérique , qui produit des produits oxydés, souvent gazeux, dans un mélange appelé fumée . La combustion n'entraîne pas toujours un incendie , car une flamme n'est visible que lorsque les substances en combustion se vaporisent, mais lorsqu'elle le fait, une flamme est un indicateur caractéristique de la réaction. Alors que l'énergie d'activation doit être surmontée pour amorcer la combustion (par exemple, en utilisant une allumette allumée pour allumer un feu), la chaleur d'une flamme peut fournir suffisamment d'énergie pour rendre la réaction auto-entretenue. La combustion est souvent une séquence compliquée de réactions radicalaires élémentaires . Les combustibles solides , comme le bois et le charbon , subissent d'abord une pyrolyse endothermique pour produire des combustibles gazeux dont la combustion fournit ensuite la chaleur nécessaire pour en produire davantage. La combustion est souvent suffisamment chaude pour produire une lumière incandescente sous la forme d'un éclat ou d'une flamme . Un exemple simple peut être vu dans la combustion d' hydrogène et d' oxygène en vapeur d' eau , une réaction couramment utilisée pour alimenter les moteurs de fusée . Cette réaction dégage 242 kJ / mol de chaleur et réduit d'autant l' enthalpie (à température et pression constantes) :  

2 heures
2
(g) + O
2
(g) → 2H
2
O
(g)

La combustion d'un combustible organique dans l'air est toujours exothermique car la double liaison en O 2 est beaucoup plus faible que les autres doubles liaisons ou paires de liaisons simples, et donc la formation de liaisons plus fortes dans les produits de combustion CO
2
et H
2
O
entraîne la libération d'énergie. Les énergies de liaison dans le combustible ne jouent qu'un rôle mineur, car elles sont similaires à celles des produits de combustion ; par exemple, la somme des énergies de liaison de CH 4 est presque la même que celle de CO
2
. La chaleur de combustion est d'environ -418 kJ par mole d'O 2 consommée dans la réaction de combustion, et peut être estimée à partir de la composition élémentaire du carburant.

La combustion non catalysée dans l'air nécessite des températures relativement élevées. La combustion complète est stoechiométrique concernant le combustible, où il n'y a pas de combustible résiduel, et idéalement, pas de comburant résiduel. Thermodynamiquement, l' équilibre chimique de la combustion dans l'air est majoritairement du côté des produits. Cependant, une combustion complète est quasiment impossible à réaliser, car l'équilibre chimique n'est pas forcément atteint, ou peut contenir des imbrûlés comme du monoxyde de carbone , de l' hydrogène et même du carbone ( suie ou cendres). Ainsi, la fumée produite est généralement toxique et contient des produits non brûlés ou partiellement oxydés. Toute combustion à haute température dans l' air atmosphérique , qui contient 78 pour cent d' azote , créera également de petites quantités de plusieurs oxydes d'azote , communément appelés NOx , car la combustion de l'azote est thermodynamiquement favorisée à des températures élevées, mais pas basses. Étant donné que la combustion est rarement propre, le nettoyage des gaz combustibles ou les convertisseurs catalytiques peuvent être requis par la loi.

Les incendies se produisent naturellement, allumés par la foudre ou par des produits volcaniques . La combustion (le feu ) a été la première réaction chimique contrôlée découverte par l'homme, sous la forme de feux de camp et de feux de joie , et continue d'être la principale méthode de production d'énergie pour l'humanité. Habituellement, le combustible est du carbone , des hydrocarbures ou des mélanges plus compliqués tels que le bois qui contient des hydrocarbures partiellement oxydés. L'énergie thermique produite à partir de la combustion soit de combustibles fossiles tels que le charbon ou le pétrole , soit de combustibles renouvelables tels que le bois de chauffage , est récoltée pour divers usages tels que la cuisine , la production d' électricité ou le chauffage industriel ou domestique. La combustion est aussi actuellement la seule réaction utilisée pour propulser les fusées . La combustion est également utilisée pour détruire ( incinérer ) les déchets, à la fois non dangereux et dangereux.

Les oxydants pour la combustion ont un potentiel d'oxydation élevé et comprennent l' oxygène atmosphérique ou pur , le chlore , le fluor , le trifluorure de chlore , l'oxyde nitreux et l'acide nitrique . Par exemple, l' hydrogène brûle dans le chlore pour former du chlorure d'hydrogène avec libération de chaleur et de lumière caractéristique de la combustion. Bien que généralement non catalysée, la combustion peut être catalysée par le platine ou le vanadium , comme dans le processus de contact .

Les types

Complet et incomplet

Compléter

La combustion du méthane , un hydrocarbure .

En combustion complète, le réactif brûle dans l'oxygène et produit un nombre limité de produits. Lorsqu'un hydrocarbure brûle dans l'oxygène, la réaction produira principalement du dioxyde de carbone et de l'eau. Lorsque des éléments sont brûlés, les produits sont principalement les oxydes les plus courants. Le carbone produira du dioxyde de carbone , le soufre produira du dioxyde de soufre et le fer produira de l' oxyde de fer (III) . L'azote n'est pas considéré comme une substance combustible lorsque l'oxygène est l' oxydant . Pourtant, de petites quantités de divers oxydes d'azote (communément appelés NO
X
espèces) se forment lorsque l'air est l'oxydant.

La combustion n'est pas nécessairement favorable au degré maximum d'oxydation, et elle peut être dépendante de la température. Par exemple, le trioxyde de soufre n'est pas produit quantitativement par la combustion du soufre. NON
X
espèces apparaissent en quantités importantes au-dessus d'environ 2 800 °F (1 540 °C), et davantage est produite à des températures plus élevées. La quantité de NON
X
est également fonction de l'excès d'oxygène.

Dans la plupart des applications industrielles et dans les incendies , l' air est la source d' oxygène ( O
2
). Dans l'air, chaque mole d'oxygène est mélangée à environ3,71  moles d'azote. L'azote ne participe pas à la combustion, mais à haute température, une partie de l'azote sera convertie en NO
X
(principalement NO , avec des quantités beaucoup plus petites de NO
2
). D'autre part, lorsqu'il n'y a pas suffisamment d'oxygène pour brûler complètement le carburant, une partie du carbone du carburant est convertie en monoxyde de carbone et une partie des hydrogènes n'ont pas réagi. Un jeu complet d'équations pour la combustion d'un hydrocarbure dans l'air nécessite donc un calcul supplémentaire pour la répartition de l'oxygène entre le carbone et l'hydrogène dans le carburant.

La quantité d'air nécessaire à une combustion complète est appelée air pur. Cependant, en pratique, l'air utilisé est 2 à 3 fois celui de l'air pur.

Incomplet

Une combustion incomplète se produira lorsqu'il n'y aura pas assez d'oxygène pour permettre au carburant de réagir complètement pour produire du dioxyde de carbone et de l'eau. Cela se produit également lorsque la combustion est éteinte par un dissipateur thermique, tel qu'une surface solide ou un piège à flammes. Comme dans le cas d'une combustion complète, l'eau est produite par combustion incomplète ; cependant, du carbone , du monoxyde de carbone et de l'hydroxyde sont produits à la place du dioxyde de carbone.

Pour la plupart des combustibles, tels que le diesel, le charbon ou le bois, la pyrolyse se produit avant la combustion. En cas de combustion incomplète, les produits de pyrolyse ne sont pas brûlés et contaminent la fumée avec des particules et des gaz nocifs. Les composés partiellement oxydés sont également préoccupants; l'oxydation partielle de l'éthanol peut produire de l' acétaldéhyde nocif et le carbone peut produire du monoxyde de carbone toxique.

Les conceptions des dispositifs de combustion peuvent améliorer la qualité de la combustion, tels que les brûleurs et les moteurs à combustion interne . D'autres améliorations sont réalisables par des dispositifs de post-combustion catalytique (tels que des convertisseurs catalytiques ) ou par le simple retour partiel des gaz d'échappement dans le processus de combustion. De tels dispositifs sont requis par la législation environnementale pour les voitures dans la plupart des pays. Ils peuvent être nécessaires pour permettre aux grands appareils de combustion, tels que les centrales thermiques , d'atteindre les normes d'émission légales .

Le degré de combustion peut être mesuré et analysé avec un équipement d'essai. Les entrepreneurs en CVC , les pompiers et les ingénieurs utilisent des analyseurs de combustion pour tester l' efficacité d'un brûleur pendant le processus de combustion. De plus, l'efficacité d'un moteur à combustion interne peut être mesurée de cette manière, et certains États américains et municipalités locales utilisent l'analyse de la combustion pour définir et évaluer l'efficacité des véhicules sur la route aujourd'hui.

Une combustion incomplète produit du monoxyde de carbone

Le monoxyde de carbone est l'un des produits d' une combustion incomplète . Le carbone est libéré dans la réaction de combustion incomplète normale, formant de la suie et de la poussière. Le monoxyde de carbone étant un gaz toxique, une combustion complète est préférable, car le monoxyde de carbone peut également entraîner des troubles respiratoires lorsqu'il est respiré car il remplace l'oxygène et se combine avec l'hémoglobine.

Problèmes liés à la combustion incomplète
Problèmes environnementaux:

Ces oxydes se combinent avec l' eau et l' oxygène dans l'atmosphère, créant de l'acide nitrique et des acides sulfuriques , qui retournent à la surface de la Terre sous forme de dépôts acides, ou « pluies acides ». Les dépôts acides nuisent aux organismes aquatiques et tuent les arbres. En raison de sa formation de certains nutriments moins disponibles pour les plantes comme le calcium et le phosphore, il réduit la productivité de l'écosystème et des fermes. Un autre problème associé aux oxydes d'azote est qu'ils contribuent, avec les polluants d' hydrocarbures , à la formation d' ozone troposphérique , une composante majeure du smog.

Problèmes de santé humaine :

Respirer du monoxyde de carbone provoque des maux de tête, des étourdissements, des vomissements et des nausées. Si les niveaux de monoxyde de carbone sont suffisamment élevés, les humains perdent connaissance ou meurent. L'exposition à des niveaux modérés et élevés de monoxyde de carbone sur de longues périodes est positivement corrélée avec le risque de maladie cardiaque. Les personnes qui survivent à une intoxication grave au monoxyde de carbone peuvent souffrir de problèmes de santé à long terme. Le monoxyde de carbone de l'air est absorbé dans les poumons qui se lie ensuite à l' hémoglobine dans les globules rouges de l'homme. Cela réduirait la capacité des globules rouges à transporter l'oxygène dans tout le corps.

Fumant

La combustion lente est la forme de combustion lente, à basse température et sans flamme, soutenue par la chaleur dégagée lorsque l'oxygène attaque directement la surface d'un combustible en phase condensée. Il s'agit d'une réaction de combustion typiquement incomplète. Les matières solides qui peuvent soutenir une réaction combustion lente comprennent le charbon, la cellulose , le bois , le coton , le tabac , la tourbe , l' humus , de l' humus , les mousses synthétiques, la carbonisation de polymères (y compris la mousse de polyuréthane ) et la poussière . Des exemples courants de phénomènes couvants sont le déclenchement d'incendies résidentiels sur des meubles rembourrés par de faibles sources de chaleur (par exemple, une cigarette, un fil court-circuité) et la combustion persistante de biomasse derrière les fronts enflammés des feux de forêt .

Rapide

Une expérience qui démontre la grande quantité d'énergie libérée lors de la combustion de l'éthanol. Un mélange de vapeur d'alcool (dans ce cas, d'éthanol) et d'air dans une grande bouteille en plastique avec un petit goulot s'enflamme, ce qui entraîne une grande flamme bleue et un son de « whoosh ».

La combustion rapide est une forme de combustion, également connue sous le nom d' incendie , dans laquelle de grandes quantités de chaleur et d' énergie lumineuse sont libérées, ce qui entraîne souvent une flamme . Ceci est utilisé dans une forme de machines telles que les moteurs à combustion interne et dans les armes thermobariques . Une telle combustion est souvent appelée une combustion rapide, bien que pour un moteur à combustion interne, cela soit inexact. Un moteur à combustion interne fonctionne nominalement sur une combustion rapide contrôlée. Lorsque le mélange air-carburant dans un moteur à combustion interne explose, on parle de détonation .

Spontané

La combustion spontanée est un type de combustion qui se produit par auto-échauffement (augmentation de température due à des réactions internes exothermiques ), suivi d'un emballement thermique (auto-échauffement qui accélère rapidement jusqu'à des températures élevées) et enfin, d'inflammation. Par exemple, le phosphore s'auto-enflamme à température ambiante sans application de chaleur. Les matières organiques soumises au compostage bactérien peuvent générer suffisamment de chaleur pour atteindre le point de combustion.

Turbulent

La combustion entraînant une flamme turbulente est la plus utilisée pour les applications industrielles (par exemple , turbines à gaz , moteurs à essence , etc.) car la turbulence facilite le processus de mélange entre le combustible et le comburant .

Micro-gravité

Image composite colorisée en niveaux de gris des images individuelles à partir d'une vidéo d'une gouttelette de carburant rétroéclairée brûlant en microgravité.

Le terme « micro gravité » fait référence à un état gravitationnel « faible » (c'est-à-dire « micro » dans le sens de « petite » et pas nécessairement un millionième de la gravité normale de la Terre) de sorte que l'influence de la flottabilité sur les processus physiques peut être considéré comme petit par rapport à d'autres processus d'écoulement qui seraient présents à la gravité normale. Dans un tel environnement, la dynamique de transport thermique et d' écoulement peut se comporter très différemment que dans des conditions normales de gravité (par exemple, la flamme d' une bougie prend la forme d'une sphère.). Recherche sur la combustion de microgravité contribue à la compréhension d'une grande variété d'aspects qui concernent à la fois l'environnement d'un engin spatial (par exemple, la dynamique du feu concernant la sécurité de l' équipage sur la Station spatiale internationale ) conditions et terrestres ( à base de terre) (par exemple, gouttelettes dynamique de combustion pour aider au développement de nouveaux mélanges de combustibles pour une combustion améliorée, procédés de fabrication de matériaux , gestion thermique des systèmes électroniques , dynamique d'ébullition à écoulement polyphasique, et bien d'autres).

Micro-combustion

Les processus de combustion qui se produisent en très petits volumes sont considérés comme de la micro-combustion . Le rapport surface/volume élevé augmente la perte de chaleur spécifique. La distance d' extinction joue un rôle essentiel dans la stabilisation de la flamme dans de telles chambres de combustion .

Équations chimiques

Combustion stœchiométrique d'un hydrocarbure dans l'oxygène

Généralement, l' équation chimique pour la combustion stoechiométrique d'un hydrocarbure dans l'oxygène est :

où .

Par exemple, la combustion stoechiométrique du propane dans l'oxygène est :

Combustion stœchiométrique d'un hydrocarbure dans l'air

Si la combustion stoechiométrique a lieu en utilisant l'air comme source d'oxygène, l' azote présent dans l'air ( atmosphère terrestre ) peut être ajouté à l'équation (bien qu'il ne réagisse pas) pour montrer la composition stoechiométrique du carburant dans l'air et la composition du gaz de combustion résultant. Notez que le traitement de tous les composants non oxygénés de l'air comme de l'azote donne un rapport « azote » sur oxygène de 3,77, c'est-à-dire (100 % - O2%) / O2% où O2% est 20,95 % vol :

où .

Par exemple, la combustion stoechiométrique du propane ( ) dans l'air est :

La composition stoechiométrique du propane dans l'air est de 1 / (1 + 5 + 18,87) = 4,02 % vol.

La réaction de combustion stoechiométrique pour C α H β O γ dans l'air :

La réaction de combustion stoechiométrique pour C α H β O γ S δ :

La réaction de combustion stoechiométrique pour C α H β S γ N δ S ε :

La réaction de combustion stoechiométrique pour C α H β O γ F δ :

Traces de produits de combustion

Diverses autres substances commencent à apparaître en quantités importantes dans les produits de combustion lorsque la température de la flamme est supérieure à environ1600  K . Lorsqu'un excès d'air est utilisé, l'azote peut s'oxyder en NO et, dans une bien moindre mesure, en NO
2
. Le CO se forme par disproportion du CO
2
, et H
2
et forme OH par dismutation de H
2
O
.

Par exemple, lorsque mol de propane est brûlé avec28,6  mol d'air (120 % de la quantité stoechiométrique), les produits de combustion contiennent 3,3 % d' O
2
. À1400  K , les produits de combustion à l' équilibre contiennent 0,03 % NO et 0,002 % OH . À1800  K , les produits de combustion contiennent 0,17 % NO , 0,05 % OH , 0,01 % CO et 0,004 % H
2
.

Les moteurs diesel fonctionnent avec un excès d'oxygène pour brûler de petites particules qui ont tendance à se former avec seulement une quantité stoechiométrique d'oxygène, produisant nécessairement des émissions d' oxyde d'azote . Les États-Unis et l'Union européenne imposent des limites aux émissions d'oxydes d'azote des véhicules, ce qui nécessite l'utilisation de convertisseurs catalytiques spéciaux ou le traitement des gaz d'échappement à l' urée (voir Liquide d'échappement diesel ).

Combustion incomplète d'un hydrocarbure dans l'oxygène

La combustion incomplète (partielle) d'un hydrocarbure avec de l'oxygène produit un mélange gazeux contenant principalement du CO
2
, CO , H
2
O
et H
2
. De tels mélanges gazeux sont couramment préparés pour être utilisés comme atmosphères protectrices pour le traitement thermique des métaux et pour la cémentation gazeuse . L'équation de réaction générale pour la combustion incomplète d'une mole d'un hydrocarbure dans l'oxygène est :

Lorsque z tombe en dessous d'environ 50 % de la valeur stoechiométrique, CH
4
peut devenir un important produit de combustion; lorsque z tombe en dessous d'environ 35 % de la valeur stoechiométrique, le carbone élémentaire peut devenir stable.

Les produits d' une combustion incomplète peuvent être calculés à l' aide d' un bilan matière , en supposant que les produits de combustion atteignent l' équilibre . Par exemple, dans la combustion d'une mole de propane ( C
3
H
8
) avec quatre moles de O
2
, sept moles de gaz de combustion sont formées et z représente 80 % de la valeur stoechiométrique. Les trois équations d'équilibre élémentaire sont :

  • Carbone:
  • Hydrogène:
  • Oxygène:

Ces trois équations sont insuffisantes à elles seules pour calculer la composition des gaz de combustion. Cependant, à la position d'équilibre, la réaction de déplacement eau-gaz donne une autre équation :

;

Par exemple, à 1200  K la valeur de K eq est de 0,728. En résolvant, le gaz de combustion est constitué de 42,4% H
2
O
, 29,0 % de CO
2
, 14,7% H
2
, et 13,9 % de CO . Le carbone devient une phase stable à1200  K et pression atm lorsque z est inférieur à 30 % de la valeur stoechiométrique, auquel point les produits de combustion contiennent plus de 98 % de H
2
et CO et environ 0,5% CH
4
.

Les substances ou matériaux qui subissent une combustion sont appelés combustibles . Les exemples les plus courants sont le gaz naturel, le propane, le kérosène, le diesel, l'essence, le charbon de bois, le charbon, le bois, etc.

Combustibles liquides

La combustion d'un combustible liquide dans une atmosphère oxydante se produit en fait en phase gazeuse. C'est la vapeur qui brûle, pas le liquide. Par conséquent, un liquide ne s'enflammera normalement qu'au-dessus d'une certaine température : son point d'éclair . Le point d'éclair d'un combustible liquide est la température la plus basse à laquelle il peut former un mélange inflammable avec l'air. C'est la température minimale à laquelle il y a suffisamment de carburant évaporé dans l'air pour démarrer la combustion.

Combustibles gazeux

La combustion de combustibles gazeux peut se produire par l' un des quatre types distincts de combustion: flamme de diffusion , flamme prémélangée , avant de réaction autoignitive , ou comme une détonation . Le type de combustion qui se produit réellement dépend du degré de mélange du combustible et du comburant avant le chauffage : par exemple, une flamme de diffusion se forme si le combustible et le comburant sont séparés initialement, alors qu'une flamme prémélangée se forme autrement. De même, le type de combustion dépend aussi de la pression : une détonation, par exemple, est un front de réaction auto-inflammable couplé à une forte onde de choc lui conférant son pic de haute pression caractéristique et sa vitesse de détonation élevée .

Combustibles solides

Un schéma général de la combustion des polymères

L'acte de combustion se compose de trois phases relativement distinctes mais qui se chevauchent :

  • Phase de préchauffage , lorsque le combustible imbrûlé est réchauffé jusqu'à son point d'éclair puis son point de feu . Les gaz inflammables commencent à se dégager dans un processus similaire à la distillation sèche .
  • Phase de distillation ou phase gazeuse , lorsque le mélange de gaz inflammables dégagés avec de l'oxygène est enflammé. L'énergie est produite sous forme de chaleur et de lumière. Les flammes sont souvent visibles. Le transfert de chaleur de la combustion au solide entretient le dégagement de vapeurs inflammables.
  • Phase de charbon de bois ou phase solide , lorsque la sortie de gaz inflammables du matériau est trop faible pour une présence persistante de flamme et que le combustible carbonisé ne brûle pas rapidement et s'illumine et plus tard, il ne fait que couver .

Gestion de la combustion

Un chauffage de processus efficace nécessite la récupération de la plus grande partie possible de la chaleur de combustion d'un combustible dans le matériau en cours de traitement. Il existe de nombreuses possibilités de perte dans le fonctionnement d'un processus de chauffage. Typiquement, la perte dominante est la chaleur sensible sortant avec les gaz d'échappement (c'est-à-dire les gaz de combustion ). La température et la quantité de gaz d'échappement indiquent sa teneur en chaleur ( enthalpie ), donc garder sa quantité faible minimise les pertes de chaleur.

Dans un four parfait , le débit d'air de combustion serait adapté au débit de combustible pour donner à chaque molécule de combustible la quantité exacte d'oxygène nécessaire pour provoquer une combustion complète. Cependant, dans le monde réel, la combustion ne se déroule pas de manière parfaite. Combustible non brûlé (généralement CO et H
2
) rejeté du système représente une perte de pouvoir calorifique (ainsi qu'un danger pour la sécurité). Étant donné que les combustibles sont indésirables dans les gaz d'échappement, alors que la présence d'oxygène n'ayant pas réagi présente des problèmes de sécurité et d'environnement minimes, le premier principe de la gestion de la combustion est de fournir plus d'oxygène que ce qui est théoriquement nécessaire pour garantir que tout le combustible brûle. Pour le méthane ( CH
4
) combustion, par exemple, un peu plus de deux molécules d'oxygène sont nécessaires.

Le deuxième principe de la gestion de la combustion est cependant de ne pas utiliser trop d'oxygène. La quantité correcte d'oxygène nécessite trois types de mesure : premièrement, un contrôle actif du débit d'air et de carburant ; deuxièmement, la mesure de l'oxygène des gaz d'échappement ; et troisièmement, la mesure des combustibles gazeux dégagés. Pour chaque processus de chauffage, il existe une condition optimale de perte de chaleur minimale des gaz d'échappement avec des niveaux acceptables de concentration de combustibles. Minimiser l'excès d'oxygène apporte un avantage supplémentaire : pour une température de gaz d'échappement donnée, le niveau de NOx est le plus bas lorsque l'excès d'oxygène est maintenu au plus bas.

L'adhésion à ces deux principes est favorisée en réalisant des bilans de matière et de chaleur sur le processus de combustion. Le bilan matière relie directement le rapport air/carburant au pourcentage d' O
2
dans les gaz de combustion. Le bilan thermique rapporte la chaleur disponible pour la charge à la chaleur nette globale produite par la combustion du combustible. Des bilans matières et thermiques supplémentaires peuvent être réalisés pour quantifier l'avantage thermique du préchauffage de l'air de combustion, ou de son enrichissement en oxygène.

Mécanisme de réaction

La combustion dans l'oxygène est une réaction en chaîne à laquelle participent de nombreux intermédiaires radicalaires distincts . La haute énergie requise pour l'initiation s'explique par la structure inhabituelle de la molécule de dioxygène . La configuration à plus basse énergie de la molécule de dioxygène est un diradical stable et relativement peu réactif dans un état de spin triple . La liaison peut être décrite avec trois paires d'électrons de liaison et deux électrons anti-liaison, avec des spins alignés, de sorte que la molécule a un moment angulaire total non nul. La plupart des carburants, en revanche, sont dans un état singulet, avec des spins appariés et un moment angulaire total nul. L'interaction entre les deux est en mécanique quantique une « transition interdite », c'est-à-dire possible avec une très faible probabilité. Pour initier la combustion, de l'énergie est nécessaire pour forcer le dioxygène dans un état apparié de spin, ou oxygène singulet . Cet intermédiaire est extrêmement réactif. L'énergie est fournie sous forme de chaleur , et la réaction produit alors de la chaleur supplémentaire, ce qui lui permet de se poursuivre.

On pense que la combustion des hydrocarbures est initiée par l'extraction d'atomes d'hydrogène (et non par l'extraction de protons) du combustible en oxygène, pour donner un radical hydroperoxyde (HOO). Celui-ci réagit davantage pour donner des hydroperoxydes, qui se désagrègent pour donner des radicaux hydroxyle . Il existe une grande variété de ces processus qui produisent des radicaux combustibles et des radicaux oxydants. Les espèces oxydantes comprennent l'oxygène singulet, l'hydroxyle, l'oxygène monoatomique et l' hydroperoxyle . De tels intermédiaires sont de courte durée et ne peuvent pas être isolés. Cependant, les intermédiaires non radicaux sont stables et sont produits en combustion incomplète. Un exemple est l' acétaldéhyde produit lors de la combustion de l' éthanol . Un intermédiaire dans la combustion du carbone et des hydrocarbures, le monoxyde de carbone , est d'une importance particulière car c'est un gaz toxique , mais aussi économiquement utile pour la production de gaz de synthèse .

Les combustibles solides et liquides lourds subissent également un grand nombre de réactions de pyrolyse qui donnent des combustibles gazeux plus facilement oxydés. Ces réactions sont endothermiques et nécessitent un apport constant d'énergie provenant des réactions de combustion en cours. Un manque d'oxygène ou d'autres conditions mal conçues entraînent l'émission de ces produits de pyrolyse nocifs et cancérigènes sous la forme d'une épaisse fumée noire.

Le taux de combustion est la quantité d'un matériau qui subit une combustion sur une période de temps. Elle peut être exprimée en grammes par seconde (g/s) ou en kilogrammes par seconde (kg/s).

Les descriptions détaillées des processus de combustion, du point de vue de la cinétique chimique, nécessitent la formulation de réseaux larges et complexes de réactions élémentaires. Par exemple, la combustion de carburants hydrocarbonés implique généralement des centaines d'espèces chimiques réagissant selon des milliers de réactions.

L'inclusion de tels mécanismes dans les solveurs de flux informatiques représente toujours une tâche assez difficile, principalement sous deux aspects. Premièrement, le nombre de degrés de liberté (proportionnel au nombre d'espèces chimiques) peut être extrêmement important ; deuxièmement, le terme source dû aux réactions introduit un nombre disparate d'échelles de temps qui rend l'ensemble du système dynamique rigide. En conséquence, la simulation numérique directe des écoulements réactifs turbulents avec des combustibles lourds devient rapidement insoluble même pour les supercalculateurs modernes.

Par conséquent, une pléthore de méthodologies a été conçue pour réduire la complexité des mécanismes de combustion sans recourir à un niveau de détail élevé. Des exemples sont fournis par :

  • La méthode de redistribution de la relaxation (RRM)
  • L'approche du collecteur intrinsèque à faible dimension (ILDM) et les développements ultérieurs
  • La méthode de courbe de préimage de bord d'équilibre invariant contraint.
  • Quelques approches variationnelles
  • La méthode Computational Singular Perturbation (CSP) et ses développements ultérieurs.
  • L'approche d'équilibre contraint à débit contrôlé (RCCE) et de collecteur de quasi-équilibre (QEM).
  • Le G-Schéma.
  • La méthode des grilles invariantes (MIG).

Modélisation cinétique

La modélisation cinétique peut être explorée pour mieux comprendre les mécanismes réactionnels de la décomposition thermique dans la combustion de différents matériaux en utilisant par exemple l' analyse thermogravimétrique .

Température

Antoine Lavoisier réalisant une expérience liée à la combustion générée par la lumière solaire amplifiée.

En supposant des conditions de combustion parfaites, telles qu'une combustion complète dans des conditions adiabatiques (c'est-à-dire sans perte ou gain de chaleur), la température de combustion adiabatique peut être déterminée. La formule qui donne cette température est basée sur la première loi de la thermodynamique et prend en compte le fait que la chaleur de combustion est entièrement utilisée pour chauffer le combustible, l'air ou l'oxygène de combustion et les gaz de combustion (communément appelés le fumées ).

Dans le cas des combustibles fossiles brûlés dans l'air, la température de combustion dépend de tous les éléments suivants :

La température de combustion adiabatique (également connue sous le nom de température de flamme adiabatique ) augmente pour des valeurs calorifiques et des températures d'air d'admission et de combustible plus élevées et pour des rapports d'air stoechiométriques approchant un.

Le plus souvent, les températures de combustion adiabatique pour les charbons sont d'environ 2 200 °C (3 992 °F) (pour l'air d'admission et le combustible à température ambiante et pour ), d'environ 2 150 °C (3 902 °F) pour le fioul et de 2 000 °C (3 632 °F) F) pour le gaz naturel .

Dans les appareils de chauffage industriels , les générateurs de vapeur des centrales électriques et les grandes turbines à gaz , la façon la plus courante d'exprimer l'utilisation de plus que l'air de combustion stoechiométrique est le pourcentage d'air de combustion en excès . Par exemple, un excès d'air de combustion de 15 % signifie que 15 % de plus que l'air stoechiométrique requis est utilisé.

Instabilités

Les instabilités de combustion sont typiquement de violentes oscillations de pression dans une chambre de combustion. Ces oscillations de pression peuvent atteindre 180  dB, et une exposition à long terme à ces pressions cycliques et charges thermiques réduit la durée de vie des composants du moteur. Dans les fusées, telles que la F1 utilisée dans le programme Saturn V, les instabilités ont causé des dommages massifs à la chambre de combustion et aux composants environnants. Ce problème a été résolu en redessinant l'injecteur de carburant. Dans les moteurs à jet de liquide, la taille et la distribution des gouttelettes peuvent être utilisées pour atténuer les instabilités. Les instabilités de combustion sont une préoccupation majeure dans les moteurs à turbine à gaz au sol en raison du NO
X
émissions. La tendance est au fonctionnement pauvre, un rapport d'équivalence inférieur à 1, pour diminuer la température de combustion et ainsi diminuer le NO
X
émissions; cependant, le fonctionnement de la combustion pauvre la rend très sensible à l'instabilité de la combustion.

Le critère de Rayleigh est la base de l'analyse de l'instabilité de combustion thermoacoustique et est évalué à l'aide de l'indice de Rayleigh sur un cycle d'instabilité

où q' est la perturbation du taux de dégagement de chaleur et p' est la fluctuation de la pression. Lorsque les oscillations de dégagement de chaleur sont en phase avec les oscillations de pression, l'indice de Rayleigh est positif et l'amplitude de l'instabilité thermoacoustique est maximisée. D'autre part, si l'indice de Rayleigh est négatif, alors un amortissement thermoacoustique se produit. Le critère de Rayleigh implique qu'une instabilité thermoacoustique peut être contrôlée de manière optimale en ayant des oscillations de dégagement de chaleur déphasées de 180 degrés avec des oscillations de pression à la même fréquence. Cela minimise l'indice de Rayleigh.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires

  • Poinsot, Thierry ; Veynante, Denis (2012). Combustion théorique et numérique (3e éd.). Centre européen de recherche et de formation avancée en calcul scientifique.
  • Lackner, Maximilien ; L'hiver, Franz ; Agarwal, Avinash K., éd. (2010). Manuel de combustion, ensemble de 5 volumes . Wiley-VCH . ISBN 978-3-527-32449-1.
  • Baukal, Charles E., éd. (1998). Combustion augmentée d'oxygène . CRC Appuyez sur .
  • Glassman, Irvin; Yetter, Richard. Combustion (quatrième édition).
  • Tours, Stephen (2011). Une introduction à la combustion : concepts et applications .
  • Ragland, Kenneth W ; Bryden, Kenneth M. (2011). Ingénierie de la combustion (deuxième édition).
  • Baukal, Charles E. Jr, éd. (2013). "Combustion industrielle". The John Zink Hamworthy Combustion Handbook: Three-Volume Set (Deuxième édition).
  • Gardiner, WC Jr (2000). Chimie de combustion en phase gazeuse (éd. révisé).