Énergétique de la combustion - Caractéristiques techniques

L'article [BE 8 311] ne présente que les aspects basiques de la combustion et toutes les grandeurs spécifiques sont relatives à la mole de combustible. Or, industriellement, cette référence est peu pratique. On lui préfère une référence à la masse de combustible lorsque celui-ci est solide ou liquide, au volume quand il est gazeux. C'est ainsi que, par exemple, l'enthalpie molaire de combustion est transformée en pouvoir calorifique inférieur PCI ou supérieur PCS, à volume constant ou sous pression constante. Par ailleurs, les différences entre ces diverses grandeurs doivent être exprimées, et cela, en fonction de la teneur des combustibles en leur divers éléments et des paramètres thermodynamiques classiques.

Il est également important dans les applications industrielles, pour dimensionner les installations motrices ou de chauffage, de pouvoir déterminer les débits d'air nécessaires à la combustion ainsi que les débits des fumées en fonction de la puissance thermique ou mécanique désirée. Les notions de pouvoirs comburivores et fumigènes permettent de faire ces calculs aussi bien dans le cas de combustions théoriques (stœchiométriques) que de combustions plus proches de la réalité, c'est-à-dire qui ont lieu soit avec un excès d'air, complètes ou incomplètes, soit avec un défaut d'air.

Dans les installations motrices (moteurs alternatifs à allumage commandé ou diesels, turboréacteurs ou turbopropulseurs, etc.), la combustion est adiabatique ou avec une proportion de pertes thermiques relativement faible. Pour ces applications, comme pour les foyers adiabatiques, il est intéressant de connaître la température atteinte par les produits de la combustion ou température adiabatique de combustion. Si un échange thermique entre une flamme ou des fumées et des parois ou un échangeur de chaleur est recherché, on a besoin de connaître la puissance thermique échangée qui dépend de la température de la flamme ou des fumées. C'est en particulier le cas des fours et chaudières. Dans certains cas, celui des chaudières à condensation, il faut connaître la température de rosée et la température finale atteinte par les fumées pour déterminer la quantité d'énergie supplémentaire récupérable grâce à la chaleur latente de condensation de l'eau.

Enfin, pour limiter les pertes dans les installations complexes comme une raffinerie par exemple, il faut savoir calculer les irréversibilités attachées à chaque poste énergétique. Le chiffrage de ces irréversibilités est fait au travers des pertes exergétiques. Pour les combustions, cela passe par le calcul des pertes exergétiques en combustion adiabatique. En effet, lors d'un dégagement de chaleur, les pertes exergétiques concernent, pour l'essentiel, le transfert au niveau de l'échangeur.

Le but de cet article est de présenter l'ensemble de ces problématiques. Cependant, comme tous les paramètres étudiés sont fonction notamment de la composition des combustibles, le premier paragraphe est réservé à une présentation générale des combustibles et à l'adoption d'une nomenclature.