PROPAGATION DE LA COMBUSTION

Lorsque dans un mélange gazeux inflammable, on vient à porter l'inôammation en un point et que celle-ci se propage dans

Fig. 8. — Mélange CS' + AïC brûlant dansun lubede jo mm de diamèire et i. m. de Ion guenr, composé de trois iron çons de I m . reliés par de; caoutchoucs, dont la présenci a occasionné 1« solutions di continuité verticales visible!

snr l'image. L'ioflammatior a été mise du côié de l'extré mile ouverte âtuée à droitt de l'image.

toute U masse, elle le fa vitesse, qui dépend de la cor gazeux, de la température, certain nombre d'autres cii

"Vltaue de propagatioi

masse gazeuse, la vitesse v:

point h l'autre du mélange de l'avancement de la flan naître ces irrégularités àla en employant un procédé c

tographique, applicable, il — , ™^„^

dans le cas de mélanges donnant des flammes très lumineuses ou tout au moins douées d'un pouvoir photogénique considérable.

COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX

Celles du sulfure de carbone, par exemple, brûlant dans le bioxyde d*azote ou dans l'oxygène, s'enregistrent particulièrement bien par cette méthode.

En plaçant on mélange gazeux combustible dans un tube horizontal et Tallumant à une extrémité du tube, on obtient une flamme qui se déplace horizontalement avec une vitesse variable d'un point à l'autre du tube. Si Ton reçoit l'image de cette flamme sur une plaque photographique animée d'un mouvement vertical, on obtient une courbe plus ou moins sinueuse dont l'inclinaison en chaque point permet de calculer la vitesse correspondante de propagation de la flamme (fig. 8), Les photographies reproduites ici Tout été tantôt d'après des clichés négatifs donnant les images des flammes en noir, tantôt d'après des positifs donnant les flammes «n blanc.

On constate, dans ces conditions, lorsque Tinflammation a été mise du côté de Textré. mité ouverte du tube, que la flamme se propage d'abord avec une vitesse sensiblement uniforme; la courbe enregistrée est alors une droite plus ou moins inclinée ; il se développe bientôt des mouvements vibratoires dans la masse gazeuse qui prennent parfois une violence extraordinaire, la courbe présente des ondulations très accentuées; enfin, dans certains cas, la propagation de Tmflammation devient brusquement, en quelque sorte, instantanée, du moins tellement rapide qu'il est bien difficile de reconnaître l'existence d'une vitesse définie.

La période initiale uniforme de propagation correspond à

Fig. 9. — Même expérience que dans la figure précédente, mais avec un tube de 10 mm.

La flamme s'éteint avant d'avoir parcouru le premier tronçon de i. m.

124 INTRODUCTION A l'ÈTUDE DE LA UËTALLUBGIE

l'échange normal de chaleur par rayoaDement ou conductibilité, sa durée n'est jamais très grande, elle l'est d'auunt plus que le diamètre du tube et sa longueur sont plus considérables ; ce régime uniforme initial ne se prolonge guère au deli d'un parcours de la âamme de 02; m. 1 i m.

Agitation. — Les oscillations de la flamme qui se produbenc bientôt résultent des vibrations de la masse gazeuse. Elles sont

10, — Même mélange gaieui.

le de }0 mm. de diamèire. Inimaiion provoquée pat une éiin- : électrique du cAté de l'cxtréniité lée du tube i gauche de la figute.

provoquées et entretenues par la combustion, et réciproquement, de leur côté, elles accélèrent la combustion. Le tuyau rend alors un son extrémemeoi intense, que l'on distingue parfaitement, quand la vitesse de propagation est assez lente pour que l'oreille paisse discerner de l'explosion finale, les bruits qui l'ont précédée. Parfois dans les tubes étroits cette agitation amène l'extinction de la flamme (fig. 9).

L'agitation produite par l'allumage au milieu de la masse gazeuse, donnant lieu ï un refoulement rapide des parties du mélange non encore brûlé, occasionne des accélérations énormes de la vitesse de propagation de la flamme (âg. 10), qui peut être

C0UBUS110N DBS MÉLANGES GAZEUX 12$

ainsi centuplée. C'est là la raison de la vitesse habituellement si grande de la propagation des explosioas dans les mélanges gazeux, comme les tnélanges d'air et de grison dans les mines, d'air et de gaz d'éclairage dans les locaux confinés. Cela explique la violence des effets mécaniques produits; ils seraient sensiblement nuls si ^'on avait affaire seulement à la vitesse initiais normale de propagation de la flamme, celle-ci serait dangereuse seulement par la température développée.

Ond« ezpIiMlve. — La dernière période de propagation quasi instantanée, qui n'existe pas, d'ailleurs, dans tous les mélanges gazeux combustibles, est ce que l'on appelle l'onde explosive ; elle a été découverte par MM. Berthelot et Vieille. C'est une onde comprimée (fïg. ii) dans la masse gazeuse, la traversant avec une vitesse rigoureuse- tJg. u. — C'Hî + 0». ment uniforme de plusieurs milliers de métrés par seconde et provoquant sur son passage la combinaison, sans aucun retard appréciable. L'échauffement résultant de la combinaison et la surpression instantanée corrélative entretiennent l'énergie de cette onde, et assurent sa propagation continue. Le mécanisme du phénomène est le suivant : supposons une tranche gazeuse comprimée brusquementà 50 atm. Sa température, d'après la loi de la compression adiabatique des gaz, s'élèvera jusqu'à une température de i.ooo", bien supérieure à celle d'inÛammatioQ du mélange gazeux ; la combinaison se produira instantanément en décuplant, par exemple, la pression qui s'élèvera à 500 atm. Cette tranche, fortement comprimée, pourra facilement

lié INTRODUCTION A l'ÉTUDE DE LA MÉTALLURGIE

en se détendant, transmettre une compression de 50 atm. à là tranche voisine qui brûlera à son tour, et le phénomène conti*nuera à se propager de la même façon de proche en proche, avec une vitesse bien supérieure à celle du son, qui est, comme on le sait, celle des ondes infiniment peu comprimées^ tandis qu'il s'agit là d'une onde extrêmement condensée.

Calculons Télévation de température produite par la compression. On sait que pour une transformation adiabatique à volume constant on a la relation :

A?dv='-cdT.

Or

PvrzRT

d'où:

dv=K—-^KT —

et par suite en remplaçant dv dans la première équation :

dT dT d?

AR— + r— =:AR— .

En intégrant et en remplaçant A R et t: par leurs valeurs numériques,

Log.p- = 3'4Log.;jr.

Le calcul montre que pour porter un gaz parfait de o^ à 500^ il faut une pression de 3 5 atm. Pour le porter à i .ooo*> il faut 1 90 atm. On voit par là qu'une pression d'une quarantaine d'atmosphères suffit pour enflammer un mélange d'hydrogène et d'oxygène.

L'existence des pressions énormes signalées plus haut est vérifiée par ce fait que les tubes en verre, capables de résister à des pressions statiques de plusieurs centaines d'atmosphères sont généralement pulvérisés sur le passage de Tonde explosive.

Surfaces refroidissantes. — La vitesse de propagation de la flamme dépend, dans une certaine mesure, du diamètre des tubes dans lesquels on l'observe, et quand le diamètre est trop faible, h

COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX I27

vitesse de propagation est nulle, c'est-à-dire qu'il n'y a plus du tout de propagation. Quand le diamètre du tube est au contraire suffisamment large, la vitesse tend vers une limite constante, la même par conséquent que celle que Ton pourrait observer dans un milieu gazeux indéfini. D*une façon générale, on peut admettre qu'à partir du diamètre égal à 5 fois celui pour lequel la propagation est nulle, Tinâuence refi'oidissante des parois devient n^ligeable; cette disparition rapide de Tinôuence des parois tient à ce que la vitesse observée est toujours celle qui correspond au filet central du tube ; l'inflammation se transmet en eflet latéralement, à panir de ce filet, vers les parois du tube.

Voici quelques exemples de nature à montrer Tinfluence du diamètre du tube sur la vitesse uniforme initiale de propagation.

Mélange de méthane et d'air à 10,4 0/0 de méthane.

Diamètres. 3,2mm. 5,50mm. 8,00 mm. 9,50mm. 12,20mm.

Vitesses .0,0 m. 0,22 m. 0,39 m. 0,41m. 0,47 m.

Mélange d'hydrogène et d'air à jo ojo.

Diamètres. 0,25 mm. 0,90 mm. 3,00 mm. 6^00 mm. 10,00 mm.

Vitesses . 0,00m. 1,72m. 3,50m. 3,25m. 3,50m.

Lampes de sûreté. — C'est sur ce principe que Davy s'est appuyé pour inventer les lampes de sûreté qui sont aujourd'hui d'un usage général dans les mines de houille (fig. 12 et 13). Ayant observé que la flamme du grisou s'éteint dans des tubes de 3,2 mm. de diamètre, il construisit une première lampe dans laquelle l'entrée de l'air et la sortie des fumées se faisaient à travers des tubes de ce diamètre. La lampe était très lourde et de dimensions encombrantes. Il reconnut bientôt que l'on pouvait Iréduire la longueur des tubes au fur et à mesure que Ton réduisait leur diamètre. Et il arriva finalement à l'emploi d'une toile métallique de 144 mailles au centimètre carré, qui peut être considérée comme Tassemblage d'une infinité de petits tubes de 0,5 mm. de diamètre et autant de longueur.

Si ces toiles présentent une sécurité complète dans les expériences de laboratoire, il n'en est pas moins vrai que la lampe

Davy a plus d'une fois occasioanë dans les mmes des tnâammations de grisoa. C'est U un exemple très instrnctU de la complexité des phénomènes naturels, montrant les errears auxquelles on s'expose en n'envlsigeant chaque phénomène que par un seul de ses points de vue.

Fig la. Fig. ij,

En plongeant au laboratoire une lampe Davy dans un mélange de grisou et d'air à son maximum d'explosibilité, c'est-à-dire renfermant encre lo et 12 0/0 de grisou, on n'a jamais d'inâammation; comment cette lampe dans la mine se comporte -i- elle autrement.

Une première cause, bien vite reconnue, fut l'existence de perforations dans les tamis, provoquées soit par la rouille, soit par des coups de pic ou même des chocs contre des pierres. Bien

COMBUSTION DES MÈLAKGES GAZEUX 129

entenda on n'avait pas fait les expériences de laboratoire sur des lampes en mauvais état.

Une seconde cause, plus longue à découvrir , fut Tagiution. Des lampes placées devant un soufflard» ou agitées à la main ou à proximité d'un ventilateur donnèrent parfois des inflammations instantanées. On reconnut ensuite par des expériences de laboratoire qu'un courant d*air et de grisou de 3 à 4 m. par seconde suffit pour faire passer la flamme au dehors de la lampe au bout de quelques secondes et un courant de 7 à 8 m. instantanément. La disunce à laquelle une flamme pénètre dans un tube est d'autant plus longue et le traverse d'autant mieux, s'il est assez court, que la vitesse du courant gazeux est plus grande et que la température du tube est plus élevée. Le passage à travers la toile sous l'action d'un courant d'air des gaz brûlés à l'intérieur de la lampe réchauffe très rapidement et favorise la sortie de la flamme.

Après ces études on crut avoir acquis une connaissance complète du phénomène, mais, de nouveaux accidents survenus avec des lampes perfectionnées, disposées de façon à s'opposer à l'action direae des courants gazeux sur le tamis, vinrent troubler la fausse sécurité ou Ton se trouvait. En explorant des cloches renfermant des amas de grisou avec des lampes en parfait eut, on eut encore des inflammations. Leur cause fut découvene par M. Marsaut, directeur des mines de Bessèges. Elle tient à ce que pour la recherche du grisou on baisse complètement la flamme de façon à n'avoir plus qu'un point bleu peu lumineux. Cette flamme basse permet à la lampe de se remplir complètement de mélange explosif avant que celui-ci s'enflamme. Au moment de son inflammation, quand il arrive au bas de la lampe sur la petite flamme, sa combustion se produit avec explosion et la dilaution de la masse gazeuse la chasse avec violence à travers le umis. La flamme arrivant sur le tamis le traverse, entr^^inée par le courant gazeux et met le feu en dehors (i).

(i) Mallard et Le Chatelier. Sur les lampes de sûreté (Ann, des. Mines [8J:UI.3S, 1881).

Mais ce n'était pas encore la dernière cause de danger des lampes. La mort de deux ingénieurs aux mines de Liévin fut occasionnée par une lampe en très bon état^ sans petit feu et à Tabri de tout courant d'air. Cette lampe possédait un rallumeur au phosphore et les expériences faites à la suite de cet accident montrèrent que le rallumeur pouvait projeter à travers le tamis des parcelles enflammées de phosphore. On se décida, à la suite de cet accident, à supprimer les rallumeurs. On ne peut pas cependant supposer que Ton connaisse enfin tous les facteurs d'insécurité des lampes de mines.

La conviction absolue de la complexité de tous les phénomènes a conduit à adopter dans les mines certaines méthodes pour obtenir une sécurité effective ; leur emploi devrait être fait dans toutes les circonstances analogues. On superpose deux ordres différents de précautions, dont une seule serait largement suffisante en théorie : par exemple emploi de lampes de sûreté parfaites et suppression du grisou par la ventilation. Les erreurs commises dans Ténumération des facteurs du danger ou les négligences imprévues ne peuvent pas être rendues nulles mais leur fréquence peut être diminuée considérablement. Si la probabilité d'une de ces erreurs est de i/iooo pour chacun des modes de préservation employés, la probabilité de la rencontre de ces deux erreurs, indispensable pour la production d'un accident sera seulement égale à la seconde puissance de la probabilité sur chaque opération isolée, soit i/iooo.ooo, c'est-à-dire une quantité négligeable.

Proportion et natore du gaz combustible. — Pour les différents mélanges d'un même gaz avec Tair ou avec l'oxygène, la vitesse varie, bien entendu, avec la proponion relative des deux gaz. Les tableaux suivants donnent un exemple de ces variations.

Hydrogène et air

Hydrogène 0/0 .... 10 20 30 40 50 éo 70 Vitesses m. par seconde . . 0,60 1,95 3,30 4,37 3,45 2,30 1,10

COMBUSTION DES MÉLANGES GAZEUX

La courbe (fig. 14), représentant les vitessses en fonction de: la proportion du gaz combustible, est con^posée de deux droites, se coupant à angles vifs pour %dro§êne et Siv

la proportion de 40 0/0 d'hydrogène, avec une vitesse ma-» xima de 4,37 m. par seconde.

Cette proportion de 40 0/0 est bien supérieure à celle qui correspond à la combustion complète et par suite à la température de combustion maxima. La vitesse de transmission de la chaleur, de la couche enflammée à la couche froide voisine, et par suite la vitesse de propagation de la flamme est évidemment d'autant plus grande, d'une part, que la température de combustion est plus élevée et, d*autre part, que la conductibilité du mélange est plus grande. La température ma-

xima est obtenue pour le mélange à 30 0/0 d'hydrogène ; la conductibilité maxima est obtenue avec Thydrogène pur qui est bien meilleur conducteur que Tair, la vitesse maxima doit donc être comprise entre ces deux compositions extrêmes : 30 0/0 et 100 0/0, ce que l'expérience confirme bien.

Fig. 14.

enc

Méthane et air

Méthane 0/0 ... 6 8 10 12 14 16

Vitesses m. par sec. 0,03 0,23 0,42 o,6x, 0,36 0,10

Ici encore la vitesse maxima correspond à une proportion de 12 0/0 de méthane (fig. 15), notablement supérieure à celle de

t32 IKTRODUCTION A L'ÈTUDE DE LA MèrALLURGlE

10 o/o,<]ui correspond à la combustion complète, ta raison eaest la même que pour l'hydiogine.

Gaz o/o Vitesses

Fig. is.

Gai ^icliirage et air.

0,30 0,50 0,72 0,9Î I, AcityUm d air Acétylène 0/0 . . 2,9 5 7 9 ij Vitesses m. par sec. 0,1 2 4 6 3

La courbe (âg. 16), reprisenunt ces derniers résultats, relatifs à l'acétylène, présente nne forme toute spéciale ; elle se compose de trois droites : une droite montante et une descendante se coapant, pour la vitesse maiima, vers 10 0/0 d'acétylène, puis ensuite une droite très peu inclinée coapant la seconde à la teneur de 20 0/0 et se prolongeant jusqu'à la limite d'inâammabilitè supérieure. Ce troisième segment de la courbe correspond à la combustion avec fiamme fuligineuse et dépôt de charbon. Au-dessous de 20 0/0 il ne se forme par la combastion que des produits gazeux, acide carbonique, oxyde de carbone et hydrogène.

Fig. 16. — C* H' dans le mélaage.

COMBUSTIOK DES HËLAtJGES GAZEUX I3J

Quelques expériences très peu oombreases ont été faites sar les mélauges de gaz combustibles avec l'oxygène. Voici les résultats obtenus:

CO + o sO" . . . . 2 m.

H' + o.sO' .... 20

H' + CO' lo

es* + 30* 22

CH'-i-îO* 200

Des mesures très nombreuses ont été &ites sttr la vitesse de l'onde explosive par MM. Benhelot et Vieille d'abord, et ensuite par M. DixoQ. Cette vitesse varie, comme te montrent tes ubieaux suivants, avec les proportions relatives des diflérents gaz. Les mélanges de faible densité, comme ceux k excès d'hydrogène, présentent les vitesses les plus considérables, pt-uvanc s'élever jusqu'à 3500 m. On n'a pas observé, par contre, de vitesses de l'onde explosive Inférieures à 1.700 m-, de telle sorte que les vitesses extrêmes correspondant à ce

mode de propagation ne varient que pig ,y. — c Ax + O*.

du simple au double. Le tableau suivant donne les résuluts des mesures faites sur un ceruia

Fîg. i8.-CS'-j-îO<.

nombre de mélanges gazeux- Les compositions sont exprimées en volumes moléculaires au moyen des formules chimiques des corps en présence.

Hydrogène et oxygène,

' • ' ■ Mélange Vitesses en m. par seconde

Acétylène et oxygène.

CW + o,5 0' 2.150

Mélanges divers.

H* + air (30 0/0) ... 2.200