COMBUSTION DES GAZ NON MÊLÉS

Ce cas est celui des becs de gaz à flamme lumineuse et des fours industriels chaufiésau gnz pauvre. Dans les premiers, le gaz se dégage librement par un orifice au milieu de l'air ; dans les seconds, l'air et le gaz arrivent par des orifices différents mais voisins l'un de l'autre, cheminent parallèlement dans le four et se mêlent progressivement. Les dimensions des orifices de dégagement des gaz jouent un rôle considérable et tout à fait prépondérant sur les propriétés de la flamme. La longueur de celle-ci, la concentration de la chaleur maxima dans une étendue plus ou moins grande, dépendent avant tout de ces dimensions.

Fours à gaz. — Dans l'installation d'un four chaufié au gaz, le talent du constructeur consiste à savoir proportionner les orifices d'arrivée des gaz, de telle sorte que la flamme traverse la totalité du four et que la combustion ne s'achève qu'au moment où les flammes vont pénétrer dans la cheminée. C'est la condition essentielle pour avoir un chauflfage uniforme dans une grande enceinte. La possibilité d'obtenir cette régularité de chauffage dans des cas particuliers est un des grands avantages de Temploi des combustibles gazeux. Il n'existe cependant pas de règle à priori permettant de prévoir les formes et dimensions l'îs plus convenables pour les orifices d'arrivée de gaz en vue du chauffage régulier d'enceintes de forme et de dimensions déterminées. Les spécialistes arrivent, par des tâtonnements empiriques à con-

naître les conditions les plus convenables, mais souvent après un grand nombre d'insuccès. C'est une expérience très coûteuse à acquérir. Nous reviendrons sur cette question dans un chapitre ultérieur consacré à Tétude des fours.

Bec8d*éclairage. — Dans le cas des flammes éclairantes comme celles du gaz d'éclairage» la question de la dimension des orifices, ou, ce qui revient au même, de la pression sous laquelle on fait sortir les gaz, a une très grande importance. Pour un débit donné, la pression et la section de l'orifice varient bien entendu en sens inverse.

Le mécanisme de la production de la lumière dans la combustion du gaz d'éclairage est le suivant : Les filets gazeux s'échappant par le bec cheminent un certain temps avant d'être mêlés à une quantité d*air suffisante pour leur combustion complète. Les filets du centre cheminent ainsi plus longtemps que ceux des bords; pendant leur trajet, ces gaz sont échauffés par la combustion sur Tenveloppe externe de la flamme, les carbures se décomposent en mettant en liberté du charbon ; ce charbon rencontre finalement Tair et brûle avec incandescence. Ce sont ces particules de charbon incandescent qui produisent la lumière dans la flamme.

Le temps pendant lequel se produisent ces phénomènes successifs, de décomposition des carbures puis de combustion du carbone libre, est très court. Dans une flamme ordinaire, il ne doit pas atteindre 1/20 de seconde. La vitesse d'écoulement de gaz sous une pression de 2 mm. d'eau est d'environ 10 m. par seconde. Avec cette vitesse le gaz traverserait une flamme de 50 mm. de hauteur en 1/50 de seconde ; par le mélange avec Tair la vitesse se réduit progressivement, mais elle ne tombe pas cependant au dixième de sa valeur primitive.

Transparence des flammes. — Lorsque Ton regarde une flamme éclairante du gaz, on a Timpression de voir une lame continue de carbone incandescent et l'on serait porté à croire que la quantité totale de carbone en suspension dans la flamme à un moment

COMBUSTION DES MÈLAKGES GAZEUX 93

donné est considérable. En réalité, les parcelles de carbone sont tellement disséminées que si elles n'étaient pas lumineuses, elles formeraient un nuage à peine perceptible. On le démontre aisément en photographiant une surface blanche éclairée à la lumière du soleil, ou le ciel bleu, devant lesquels on a placé une flamme. Celle-ci fait une ombre à peine visible sur la photographie. La flamme du pétrole est un peu plus obscure que celle du gaz et celle de Tacétylène notablement plus encore.

Il résulte de ce fait plusieurs conséquences importantes au point de vue de l'éclairage : plusieurs flammes placées les unes derrière les autres donnent un eff*et lumineux total peu inférieur à la somme des pouvoirs éclairants de chacune des flammes. Avec 2 flammes papillon de gaz d'éclairage, la perte n'est que de 3 0/0 sur le pouvoir éclairant de la flamme placée derrière.

Pour la même raison, la quantité de lumière donnée par une flamme papillon est à peu près la même dans toutes les directions. Dans le sens de la tranche, 1 écart n'est que de lo 0/0 par rapport à la direction perpendiculaire de la flamme, tandis que si le dépôt de carbone était assez abondant pour rendre la flamme opaque, le rapport du pouvoir éclairant de la tranche et de la face serait égal à celui de leur surface. La différence serait donc énorme.

Facteurs dapoavoir éclairant. — Le pouvoir éclairant obtenu par la combustion d'un volume donné de gaz varie dans de très grandes limites avec les conditions dans lesquelles la combustion s'effectue. On évalue ce pouvoir éclairant en prenant comme unité étalon la quantité de lumière fournie par une certaine lampe à huile, dite lampe carcel, qui brûle 42 gr. d'huile de colza à rheure. La quantité de lumière fournie par cet étalon varie avec les différentes dispositions de la lampe : forme et hauteur du verre, diamètre et épaisseur de la mèche, etc. Il faut, bien entendu, maintenir toutes ces conditions identiques. Elles ont été définies avec grand soin dans une instruction publiée autrefois par Dumas et Regnault, qui est restée en France la base de toute phoiométrie.

Dans différents pays on a adopté des étalons différents, par

94 IXTRODUCTION A l'ÉTUDE DE LA MÉTALLURGIE

exemple des bougies de diverses natures ou la lampe Hjfner à Tacétate d'amyle. Mais une convention internationale a décidé de rapporter tous ces étalons à un type unique présentant des garanties de permanence plus grandes que les sources de lumière uiilisant les phénomènes de combustion, c*est le Fiolle, ou quantité de lumière rayonnée par un centimètre carré de platine à son point de fusion.

Voici la comparaison entre ces diflPérentes unités :

I VioUe =r 2,080 carcel =. 20,000 bougie z=. 22 20 hefner

I Carcel := 0,480 violle z= 9.600 bougie =r 10,60 hefner

I Bougie =0,050 violle zn 0,104 carcel = i, 11 hefner

I Hefner 1=0,049 violle =z 0,936 carcel zr 0,90 bougie

Les différents facteurs dont dépend le pouvoir éclairant du gaz sont la vitesse d écoulement^ la température et la pression ^ le débit total y la nature des carbures et la présence de composés oxyi^énés.

Vitesse d'éooalement. — Le rendement lumineux varie considérablement avec la rapidité du mélange du gaz avec l'air et cette rapidité dépend de la vitesse d'écoulement du gaz par son orifice de sortie. Avec des orifices de 0,1 mm. de largeur et par suite une pression très forte pour assurer la constance du débit, la flamme du gaz d'éclairage est complètement bleue; cela tient à ce que les vapeurs carburées se trouvent mêlées à la quantité d*air nécessaire à leur combustion dans un temps trop court pour que le carbone ait eu le temps de se précipiter pendant la période d'échauffement préalable à la combustion. Avec des becs plus larges, de 0,6 mm., dimensions normales des becs papillons pour le gaz d'éclairage, la partie inférieure de la flamme est encore bleue parce qu'elle correspond à la combustion des filets extérieurs qui sont très rapidement mêlés à l'air. La partie haute au contraire est éclairante par suite de la décomposition des carbures avant la combustion totale. La pression sur la fente du bec donnant le rendement lumineux maximum pour les becs papillons à gaz d'éclairage est de 2 mm. En élargissant encore la fente et réduisant la

COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX 95

pression pour brûler toujours le même volume de gaz, la quantité de lumière produite diminue. La quantité de carbone mis en liberté augmente, mais par suite de la lenteur de sa combustion et de l'augmentation de la quantité de chaleur rayonnée, sa température s'abaisse en diminuant son rayonnement de façon à compenser et au delà Taugmentation due à la masse plus grande de charbon précipité. Enfia la largeur de la fente augmentant toujours, le carbone finit par se refroidir suffisamment pour s'éteindre avant sa combustion complète et la flimme devient fuligineuse.

La largeur de la fente qui donne le maximum de pouvoir éclairant varie avec la nature des gaz combustibles. Pour Tacéiylène on doit employer des fentes bien plus fines que pour le gaz d'éclairage.

Les expériences suivantes permettront de se rendre compte comment varie le pouvoir éclairant du gaz brûlé avec un même débit dans des becs à largeur de fentes variables c'est-à-dire avec une vitesse d'écoulement du gaz différente. L'unité de quantité de lumière prise comme terme de comparaison est la carcel. Le gaz est lui-même brûlé dans un certain bec Argand, type dont les dispositions ont été définies par Dumas et Kegnault en même temps que celles de la lampe Carcel.

Bec de 100 L

Fenl9

Pression

Pouvoir éclairant

0,1 mtn.

mm.

Bec de 200 L

Fente

f'ression

Pouvoir éclairant

0,3 mm.

mm.

Dans les rues de Paris, on employait autrefois des becs à fente

96 INTRODUCTION A l'ÉTUDE DE LA \iÈTALLURGIE

de 0,6 mm. débitant 140 1., donnant la carcel pour 127 1. ou des becs de même fente débitant 23 3 1. et donnant la carcel pour 105 I.

Pregsion et température. — La combustion des gaz sous pression paraît donner un rendement lumineux supérieur. Dans Tair comprimé les flammes seraient plus éclairantes, mais il y a eu peu d'expériences faites, car ce sont là des conditions d*emploi tout à fait exceptionnelles. Dans les travaux à l'air comprimé on emploie de préférence aujourd'hui l'éclairage électrique. Une augmentation de la pression barométrique de 30 mm. de Hg augmenterait, dit-on, le pouvoir éclairant de 5 0/0.

L'échauffement de Tair et du gaz avant leur combustion augmente considérablement le pouvoir éclairant, en facilitant le dépôt de carbone d'une part et élevant d'autre part la température de combustion. W. Siemens eut le premier l'idée d'appliquer, comme il l'avait fait auparavant pour les fours, le principe de la récupération aux appareils d'éclairage. Il chauffait avec les fumées, dans un bec à combustion renversée, le gaz et l'air. Son bec installé pendant quelques mois sur la place du Palais- Royal à Paris, ne fonctionna pas d'une façon satisfaisante, à cause de l'encrassement des tubes en cuivre à travers lesquels le gaz était réchauffé. Les vapeurs de sulfure de carbone contenues dans ce gaz sulfuraient les tubes et finissaient par les obstruer.

Un grand nombre de becs reposant sur ce principe, mais ne chauflfant que l'air seul, furent depuis employés avec succès, jusqu'à ce que la découverte des manchons à incandescence par Auer fut venue transformer les conditions de l'éclairage. Le bec, dit industriel, qui servit pendant plusieurs années à éclairer les voies les plus larges de Paris, réchauflFait l'air au moyen d'un récupérateur en nickel, jusqu'à la température de 500^; cela suffisait pour doubler le pouvoir éclairant fourni par la combustion d'un volume donné de gaz.

Débit. — Le pouvoir éclairant obtenu par la combustion d'un

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volame donné de gaz croit rapidement à mesure qoe le débit des appareik d'éclairage devient plus considérable; si deux becs semblables débitent Tun 2 fois plus de gaz que l'autre, la quantité de lumière fournie par le dernier sera bien supérieure au double de celle du petit brûleur. L'explication de ce fait n'est pas évidente, mais son exactitude ne peut faire de doute.

Les deux becs papillon dont la comparaison a été donnée plus haut, brûlant l'un loo 1. et l'autre 200 1. ont donné, pour la fente de 0,7 mm. 0,68 et 2,11 carcels. Le double de 0,68 est seule* ment 1,36.

L'accroissement du pouvoir éclairant ne continue pas cependant aussi rapidement quand les becs deviennent très puissants. Par exemple, un bec Ârgand de 140 1. a donné la carcel pour 83 1. tandis qu'un bec de 400 1. Ta donnée pour 64 1. En descendant au contraire vers les petits débits, le pouvoir éclairant diminue de plus en plus rapidement et s'annule bien avant le débit, par suite de la combustion avec flamme bleue, qui devient prépondérante dans les flammes de petites dimensions. Cette influence du débit des appareils n'est pas particulière au gaz d'éclairage, on l'observe également avec l'acétylène.

Débit en litres à l'heure . . 8 12 35 67 92 Litres de C* H* pour i carcel. 10 8 6 5,5 5

Il en est de même encore dans les becs à incandescence système Auer. Dans ce cas, l'influence du débit ne peut pas se rattacher à la combustion avec flamme bleue puisque la flamme n'est jamais éclairante par elle-même.

Nature des carbures. — Les diflérents carbures donnent pat leur combustion un pouvoir éclairant très variable, suivant leur aptitude plus ou moins grande à la décomposition et aussi suivant leur chaleur de combustion. Le méthane CH* par exemple a un pouvoir éclairant presque nul, c'est de tous les carbures, celui dont la décomposition par la chaleur est la plus difficile, il ne se décompose un peu rapidement qu'au-dessus de i.ooo^. C'est, d'autre part, un corps formé avec dégagement de chaleur, dont

98 INTRODUCTION A L hTUDE DE LA MÉTALLURGIE

la combustion dégage par suite moins de chaleur que ses consti* tuants pris isolément. Le pouvoir éclairant du gaz d'éclairage tient h la présence en petites quantités d'autres carbures. Les 2/] de son pouvoir éclairant sont dus à la présence de i 0/0 de vapeur de benzine et le 1/3 restant à 3 0/0 d'hydrocarbures éthyléniques. En faisant passer le gaz d'éclairage dans des huiles végétales ou de l'huile de pétrole non volatile, on lui enlève ses vapeurs de benzine et on lui fait perdre ainsi les 2/3 de son pouvoir éclairant. En lui enlevant ensuite les hydrocarbures non saturés par le brome, on lui fait perdre la totalité de son pouvoir éclairant. Le volume de méthane restant dans le gaz est cependant encore de 3 5 0/0 et son influence ne se manifeste pas.

L'acétylène est peut être de tous les carbures, celui qui présente le pouvoir éclairant le plus considérable. Il est en effet formé avec une absorption considérable de chaleur, qui se trouve dégagée à nouveau au moment de la combustion et élève considérablement la température de la flamme. De plus, ce carbure se décompose à très basse température, au-dessous de 500** et donne cm dépôt abondant de charbon.

La naphtaline communique également au gaz un pouvoir éclairant considérable. L'addition de i 0/0 en volume de vapeur de naphtaline suffit pour tripler le pouvoir éclairant d'un volume donné de gaz. C'est là le principe des becs dits à Yalbo carbone. Il faut, avec les gaz très éclairants, employer des pressions assez fortes et des orifices étroits pour éviter d'avoir une flamme fuligineuse.

Composég oxygénés. — Si toutes les circonstances qui favorisent le dépôt du carbone tendent à augmenter le pouvoir éclairant du gaz, réciproquement, les circonstances qui s'opposent à ce dépôt diminueront le pouvoir éclairant. La présence de composés oxygénés : oxygène, vapeur d'eau, acide carbonique, tend à donner de l'oxyde de carbone, dès le début de la décomposition des carbura*?.

OH« + 6CO'=:i2CO + 3H*.

COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX 99

Les becs Bunsen de laboratoire, où Tair est mêlé au gaz avant la combustion, donnent une flamme non éclairante, à peine colorée en bleu pâle. La proportion d'air nécessaire pour obtenir la disparition complète du pouvoir éclairant est inférieure au volume même du gaz, bien que, pour la combustion complète, cette proponion d'air doive être de 5 à 6 fois plus grande que celle du gaz.

La vapeur d'eau produit le même effet. En faisant passer le gaz d'éclairage dans un fiole renfermant de Teau chauffée vers 50'' et allumant ce gaz humide, on le voit brûkr avec une flamme bleue non éclairante.

L'acide carbonique produit encore le même efiet, i 0/0 d'acide carbonique diminue de 3 0/0 le pouvoir éclairant du gaz. Le gaz d'éclairage ordinaire renferme environ 2 0/0 d'acide carbonique. L'enlèvement de ce corps, qui sefeit dans certaines usines étrangères, contribue à augmenter le pouvoir éclairant du gaz.

L'oxygène libre semblerait à première vue devoir produire le même eflet que l'oxygène de l'air. Il en est bien ainsi quand il est introduit en quantité suffisante, il s'oppose à tout dépôt de carbone, mais en petite quantité, son influence sur le pouvoir éclairant est sensiblement nulle, parce qu'il exerce deux actions contraires. Il diminue bien la proponion de carbone disponible dans la flamme, mais par contre il élève la température de celle-ci et par suite le rayonnement du carbone en combustion. C*est là un fait intéressant au point de vue de l'épuration des composés sulfurés du gaz par addition d'oxygène.

Bec Argand. — Dans les becs à verre, dits becs Argand, les conditions déterminantes du pouvoir éclairant sont un peu différentes; le gaz n'est plus en présence d'une masse d'air illimitée et c'est le rapport entre l'air aspiré par la cheminée et le gaz débité par le bec qui règle le pouvoir éclairant; les dimensions de l'orifice et la pression d'écoulement sont indifférentes. On obtient, d'après M. Emile Sainte-Claire Deville, le maximum de pouvoir éclairant pour une proportion d'air rigoureusement égale à celle

100 INTRODUCTION A l'ÈTUDE DE LA MÉîALLURGIE

nécessaire pour la combustion^ soit 5,4 volumes d'air pour i de gaz, mais en se tenant exaaement à cette limite» le moindre courant d*air ou n'importe quelle circonstance capable de faire varier accidentellement la proportion d'air, rend la fiamme fuligineuse ; on doit pour ce motif admettre un excès d'air, on va jusqu'à ta volumes d'air pour i de gaz dans le bec-éialon servant en France aux mesures de pouvoir éclairant du gaz; cet excès d'air diminue le pouvoir éclairant du gaz de 1/5 de sa valeur maxima. On a la carcel pour 105 1. de gaz avec 10 volumes d'air et pour 83 1. avec 6,13 volumes d'air.

Éclairage par incaBdescence. — L'éclairage par incandescence, qui a pris un si grand développement depuis quelques années, utilise la combustion d'un mélange préalabled'air et de gaz, son fonctionnement ne se rattache donc pas à la combustion des gaz non mêlés ; il est intéressant cependant de rapprocher ces becs des becs à flamme libre, pour indiquer les motifs du rendement lumineux plus élevé obtenu en remplaçant, dans la flamme, le carbone par un corps incandescent de nature chimique différente (i).

La quantité de lumière rayonnée par un corps solide incandescent dépend à la fois de sa température et de son pouvoir émissif. La température elle-même, dépend à la fois de la température des gaz chauds dans lesquels il est plongé et de la quantité^ de chaleur perdue par rayonnement. La quantité de chaleur reçue de la flamme est sensiblement proportionnelle à la différence entre la température de la flamme et celle du corps, la quantité de chaleur perdue par rayonnement est directement proportionnelle au pouvoir émissif et très sensiblement à la quatrième puissance de la température absolue. Une fois le régime normal de température obtenu, ces deux quantités de chaleur doivent être égales et de signe contraire. Il y a nécessairement une différence

(i) H. Le Chatelier et O. Boudouard. Sur la radiation des mandons à incandescence (C. R. CXXVI, 1861 (1897).

COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX ICI

importante entre la température d*une flamme et celle d'an corps solide qai y est plongé, il est donc impossible, comme on l'a proposé quelquefois, d'obtenir la température réelle d'une flamme en y plaçant la soudure d'un couple thermo-électrique ; celle-ci est toujours beaucoup plus froide par suite de son rayonnement.

Pour revenir à la question du pouvoir éclairant, si nous comparons deux corps de pouvoir émissif différent comme le carbone, loxyde de chrome ou de fer, dont les pouvoirs émissifs sont voisins de l'unité, et d'autre part Toxyde de thorium dont le pouvoir émissif n'est guère que de 1/5, ce dernier prendra une température beaucoup plus élevée ; l'expérience montre en efiet que la soudure d'un couple thermo-électrique de 0,5 mm. de diamètre recouverte de carbone ou d'oxyde de fer prend une température d'environ 1.300®, tandis que recouvene de thorine, elle prend une température de 1.700® ; l'augmentation de température tend à augmenter la radiation lumineuse de ce dernier corps, mais son pouvoir émissif moindre tend à produire l'effet contraire. De ces deux actions opposées, c'est la seconde qui l'emporte, le calcul et l'expérience le montrent d'une façon certaine. En remplaçant le carbone pulvérulent en suspension dans la flamme par de la poussière de thorine par exemple, on aurait, toutes choses égales d'ailleurs, un pouvoir éclairant moindre.

Les radiations émises par un corps incandescent ont des longueurs d'onde très différentes. On a admis dans le raisonnement précédent que pour toutes, le pouvoir émissif était le même ; cela est vrai des corps rigoureusement noirs, comme le carbone, ou des corps rigoureusement blancs, s'il en existe réellement; cela n'est pas vrai des corps colorés dont le pouvoir absorbant est évidemment variable d'une longueur d'onde à une autre et par suite aussi le pouvoir émissif puisque ces deux grandeurs sont proporportionnelles. On sait, d'autre part, que pour les corps incandescents, les radiations qui emportent avec elles la plus grande énergie, la plus grande quantité de chaleur, en un mot les radiations calorifiques, correspondent dans le spectre au rouge et à Tinfra-rouge, par suite aux longueurs d'ondes supérieures à 0,600 (a.. C'est du

pouvoir émissif de ces radiations que dépendra à peu près exclusivement la température d'un corps chauffé dans une flamme. Au contraire, les radiations lumineuses correspondent aux longueurs d'ondes comprises entre 0,500 et 0,600, jx, l'éclat du corps dépendra, en dehors de la température» du pouvoir émissif correspondant à ces radiations. Si donc nous trouvions un corps» dont le pouvoir émissif soit nul dans le rouge et égal à Tunité dans le jaune, ce corps prendrait dans la flamme une température très élevée voisine de celle des gaz brûlés eux-mêmes, environ 1.900'* dans le cas du gaz d'éclairage, Téclat lumineux serait considérable en raison de l'élévation de la température et de la grandeur du pouvoir émissif pour les radiations lumineuses. La matière des manchons Auer, composée de 99 0/0 d'oxyde de thorium et de I 0/0 d^oxyde de cérium, remplit à très peu près ces conditions : Toxyde de thorium a un pouvoir émissif très faible dans la partie calorifique et lumineuse du spectre, il augmente seulement vers le violet et Tultra-violet ; l'oxyde de cérium, d'autre part, a un pouvoir émissif considérable pour tout le spectre. Le mélange des deux oxydes dans les proponions indiquées ci-dessus et pris, non k Tétat de mélange mécanique, mais à l'état de mélange isomorphe,, possède dans Tinfra-rouge les propriétés de l'oxyde de thorium, et dans le jaune les propriétés de l'oxyde de cérium, c'est-à-dire faible pouvoir émissif pour les radiations calorifiques et fort pouvoir émissif pour les radiations lumineuses, conditions qui assurent le maximum de rendement lumineux.