DONNEES, HYPOTHESES. PRINCIPES GENERAUX

§ 1. Expose du probleme. — InfluenGe de la temperature sur Tutilisation de la chalenr dans un four. — L'^tude du progrt^s accompli dans le chauffage industriel, qui faisait Tobjet du chapilre pr^c^dent, nous a conduit ^ une classification a double entree comportant onze systemes de fours a gaz possibles : fours a simple, double ou triple recuperation (Ics seconds se partageant eux-m^mes en deux categories), avcc emploi de gaz d Vair, de gaz d, Ceau, ou de gaz dCacide carbonique regenere,

II convient encore d*ajouter les foyers d chau/fage direct, ces anciens fours a combustible solide, qui, s'ils lendent A disparaitre dans les industries ^ temperatures eievees, sont tres usiies pour les operations i temperature moyenne. et presque seu Is employes, dans la petite Industrie, et pour les basses temperatures (chaudieres A vapour) : c'est un douzieme cas d examiner.

Si complexe que puisse paraitre cette classification s'appliquant a des appareils qui, sauf les foyers a chauffage direct, sont indistinctement appeies fours d gaz et sont meme presque tons des fours Siemens. elle n'cst cependant que Texpression presque cxacte dc la realiie industrielle qui nous montrera au moins dix cas differents se rattachant d nos categories.

C*est ce qui justifie la necessite d'une theorie generale : Le but de cette theorie, et le problenfhe que nous voulons resoudre, est d'etablir la valeur relative de ces douze fours.

La multiplicite des solutions essayees et restees en usage, pour resoudre un probieme unique en apparence, est en parlie imputable a la

difficult^ actuelle d'appr^ier ces valeurs relatives des divers syst^mes : elle tient encore ^ la d6pense 61ev^e de construction des fours d recuperation qui, jointe aux difficultes de leur mise en train, fait toujours h^siter d substituer 4 de vieux fours d gaz en bonne marche, un four perfectionn6, plus ^conomique, et permet ainsi aux premiers de subsisler d c6t6 des nouveaux. Elle s'explique surtout par un motif plus rationnel : la complexity d'un probl^me qui comporte des solutions differentes, suivant la nature des operations d effectuer, leur duree, leur temperature, les conditions de tirage, la nature du combustible, le prix de revient, etc.

La plupart de ces donnees variables exigent une appreciation de cbaque cas particulier, qui constitue tout Tart de I'Ingenieur, appreciation pour laquelle la theorie que nous presentons pourra servir de guide, mais qu'elle ne pretend pas dieter immediatement. Nous ne pouvons done les examiner toutes ici (*). Mais il en est une plus importante que toutes les autres, et inseparable d'une tbeorie de la recuperation : c'est la temperature de regime du four.

La temperature de regime d'un four est celle qui convient le mieux d Foperation qu*on se propose d'y effectuer.

Dans une theorie generale, cette temperature est arbitraire car un meme systeme pent etre usite dans des industries differentes, et on pent meme conduire un four a des temperatures differentes : c'est done une donnee a choisir.

Pratiquement la temperature de regime est imposee par les conditions de bonne marche; elle doit rester invariable dans un four continu, et si elle est sujette k variations dans le cas de travail discontinu (fours d puddler), elle doit etre regiee uniquement en vue de Toperation d effectuer; c'est, dans tons les cas, une donnee, etla premiere a determiner dans une etude experimentale de four.

La temperature de regime a, sur Tutilisation de la chaleur, une influence considerable.

(i) Toutefois, pour donner plus d'int6r6t k une theorie un peu longue, mais rendue n6cessaire par la multiplicity des cas industriels, nous ne manquerons pas, lorsque la discussion nous y conduira, de tirer des r^ultats de nos calculs les conclusions pratiques qui s'en d^duisent, et d'^lucider ainsi un grand nombre de cas particuliers usuels.

34 ETUDE THEORIQUE DE LA Rl^XUPERATION

U est Evident, en effet, que les fum^s s'^happant d'un four d 1 500<^, par exemple, emportent du laboratoire, pour un m6me poids de combustible brCil^, plus de calories que celles qui sortent & 300^ d'un foyer de cbaudi^re ^ vapeur. La recuperation, appliquee dans Tun et Tautre cas, retrouve sans doute ces calories, c'est son r61e essentiel; mais elle ne les utilise jamais qu en partie, laissant s'^chapper ^ la chemin6e une autre partie, dont la valeur absolue, pour un poids donne de combustible, sera d'autant plus grando que le chiffre de ces calories sera plus considerable, c'est-d-dire que la temperature du four sera plus eievee. II s'ensuit [done que la chaleur perdue et, par difference, la chaleur utilisee d'un four sont fonctions de la temperature, et que I'etude de la recuperation ne pent en etre separee. II est meme evident, en dehors de tout calcul, que la loi de variation du rendement est, toutes choses egales et pour un four donne, fonction continue de la temperature, en sorle qu'il serait possible, pour chacun des douze systemes, de tracer des courbes d'ulilisation de la chaleur dont la comparaison permettrait de juger de la valeur relative de chacun d'eux d toute temperature.

II nous a paru preferable, pour eviter de compliquer la discussion, (i'eiudier le probieme a deux temperatures fixes, choisies parmi les plus usitees de Tinduslrie, soit : 1 OOO^, temperature voisine de celle des fours d coke, que Ton peut considerer comme celle des industries a feu moyen, et 1 SCO^, temperature inferieure a celle des fours a acier, mais superieure d celles des fours de verrerie et de cuisson de la porcelaine dure, et qui peut compter comme le grand feu d'industrie.

Gr&ce d recart entre ces deux points choisis pour le calcul, il sera toujours facile d'interpoler ou d'extrapoler, de fagon a se rendre compte de Tefifet de la recuperation et du rendement, d des temperatures autres.

Ainsi limitee, I'etude theorique que nous nous proposons d'exposer a un triple but :

1° Etudier I'utilisation de la chaleur ou le rendement, dans les douze systemes de fours existants, de fagon d en dresser le 'classement, aux temperatures de 1 000° et 1 500« ;

2° Montrer I'influence de la temperature sur le rendement, par la comparaison des tableaux de classement aux deux temperatures arbitralrement choisies ;

3» Indiquer la m^thode de calcul qui permet, pour une temperature donnee quelconque, de dresser le tableau des rendements compares des fours et de discerner, dans chaque cas particulier, celui qui convient le mieux au but qu'on se propose.

§ 2. Definition des expressions : chalenr ntilisee, chalenr perdue, rendement. Equation de Tntilisation de la chalenr. — Quelques remarques sont encore n^cessaires pour preciser exactement le sens des mots rendeincnt, chaleur utilU^e, chaleur perdue, et justifier ces definitions, de meme que nous avons et6 oblige de definir les divers organes des fours et de justifier les limites precises que nous ieur assignions.

Nous entendons par chaleur utilisee dans un four, toute celle qui est consommee dans le laboratoire de ce four, soit qu'elle serve a la reaction industrielle d effectuer, soit qu'elle se consomme en rayonnement exterieur souvent necessaire a la conservation des magonneries, ou meme qu'elle soit compietement inutilisee, perdue par conductibilite ou toute autre cause. Ainsi definie, la chaleur utilisee e$t exactement la difference de la chaleur tolale (sensible ou latente apportee au laboratoire par le gaz et Tair, d la chaleur totale emportee par les fumees.

Nous entendons par chaleur perdue toute celle qui se depense en dehors du laboratoire, soit degagee avec les fumees dans Tatmosphere, soit perdue par le rayonnement de tons les organes autres que le laboratoire (gazogenes, chambres de recuperation), ou consommee dans la vaporisation de Teau du cendrier, employee au tirage, etc.

Dans ces conditions, il est evident que la somme de la chaleur perdue et de la chaleur utilisee represente la chaleur totale absorbee par le four, c'est-d-dire celle qui se degage du combustible, ou son pouvoir calorifique.

Nos definitions sc resument done par requation :

36 KTUDE THEORIQLE DE LA RECUPERATION

Qj pouYoir calorifique du combustible ;

U, chaleur utilisee, c'est-a-dire consomm^ dans le laboratoire ;

P, chaleur perdue, c'est-^-dire emportee k la cbeminee ou perdue dans les organes autres que le laboratoire.

Nous entendons enfin par le mot rendement de recuperation, ou, par

abr^viation, rendement, le rapport tt de la chaleur d^pens6e dans le

laboratoire au pouvoir calorifique du combustible brAle,

Ces definitions donnent aux mots chaleur perdue et chaleur utilisee un sens plus dtendu qu*on ne le leur donne habituellement, car le plus souvent, on ne s'occupe que de la perle de chaleur par les fum^es, et on entend par chaleur utilisee celle qui est n^cessaire d la reaction chimique ou d reparation physique d effectuer : fusion du verre, r^chauffage d'un lingot. Elles se justifient par le but m6me de notre ^tude qui est la recuperation. La recuperation ayant pour but de recueillir toute la chaleur non utilisee dans le laboratoire, les organes de recuperation sent responsables de cette chaleur qui leur est enlierement cedee, et doiveut la restituer aussi compietement que possible ; s'ils n'y reussissent qu'imparfaitement, pen importe que les pertes soient imputablcs au degagement des fumees dans Tatmosphere ou au rayonnement des chambres, des carneaux des gazogenes mdme ; cos organes sent tons des agents de recuperation (*). La pcrte totale seule interesse le rendement du four.

Quant A la chaleur reellement utilisee, entendue dans le sens res- Ireint qui n'est pas le n6tre, repondant d ce que Ledebur appelle Ve/fet utile d'un four, elle n'est pas, dans une theorie de chauffage, d'un interet aussi grand qu'il pent sembler au premier abord. Dans la plupart des cas, en effet, les masses si echauCTer : cornues, creusels, parois, ont une chaleur d'echauffement trds superieure d celles d'echauffement et de reaction des corps en oeuvre ; souvent la chaleur de reaction est une fraction tr^s faible de la chaleur consommee dans le la-

(1) Cetle remarque a un inl^r^t pratique : il arrive souvent, en effet, qu'on juge de la perfection d'un syst^me de r6cup6ration par la temperature k la chemin^. Cette donn6e n'a aucune signification, car les fum6es peuvent avoir perdu une grande quanlit^ de chaleur par rayonnement ou melange d'air froid, sans aucun profit.

boratoire; il arrive m^me que telle operation qui ne peut s'efFectuer qu'a haute temperature, et exige un four, d^gage des calories, de sorte que la chaleur r6eilement utilis^e est identiquement nuUe, si parfait que soit le four. Le calcul du rendement absolu ou de Yeffet ut le, dans ces conditions, serait sans int^r^t.

D'ailleurs, la recuperation que nous etudions ici no se prdoccupe pas de la fagon dont les calories sont depens^es el; r^parties dans le laboratoire; elle n'a d'action que sur les calories qui s'en 6chappent et qu'elle doit y ramener. L'utilisation des calories dans le laboratoire est une question dlfferente, qui sera traiiee s6parement.

Pour justifier mieux encore nos definitions, remarquons que, dans retude du rendement compare des differents systemes de fours, nous avons le droit de supposer que dans tous les cas le laboratoire est invariable; comme la temperature est elle-meme invariable puisque c'est une temperature de regime qui ne depend que do Toperation k effectuer, le rapport en tre la c/ia/eur utilisee et Yeffet utile est invariable et la connaissance de Tune de ces grandeurs permet d'apprecier Taulre.

Le calcul du rendement de recuperation ^ donnera done la mesure

de la valeur relative des fours, au point do vue de Futilisation de la chaleur et de leur effet utile.

Toules les definitions precedentes s'appliquent evidemment aux etudes empiriqucs des fours comme aux calculs theoriques. Dans le cas des recherches experimentales, la notion de la chaleur utilisee a une grande importance, car elle peut etre evaluee par des mesures de temperature et des analyses de gaz, tandis qu'en general la chaleur employee ^ Foperation industrielle et Teffet utile ne peuvent que se calculer a Taide des chaleurs specifiques ou de reaction des corps en presence.

§ 3. Principes fondamentaux d)mlaaiit I'etadd de rutilisation de la chaleur dans les fours. — L'etude de Tutilisation de la chaleur dans les fours est sou mise ^ quelques principes fondamentaux, axiomes tellement evidents qu'il serait superflu de les rappeler si quelques-unes

3S KTLDE THKORIQLE DE LA RECIPERATION

(1c leurs consequences les plus imm^iates n*avaient 6t6 souveot m^connues ou oubli^es. Ce n'est, d'ailleurs, qu'en ne perdant jamais de vue ces v6rit6s 6videnles, comparables aux principes de la thermo-dynamique, qu'on ^vitera les erreurs de calculs ou de raisonnements si iaciles dans les questions d'echanges de chaleur sensible et latente et de recuperation, ou la chaleur disponible se transforme plusieurs fois.

Nous ne craignons done pas de les exposer, sous une forme peutetrc un peu trop doctrinale, etant donn^e leur evidence absolue :

A. — Principes relatifs a la combustion bt a la chaleur tqtale DISPONIBLE. — 1^ Dans un four d gaz, la source de chaleur est le combustible briUi sur la grille. — Toutes les reactions de combustion, quelques modifications qu*y apportent la recuperation pour retenir les calories, ou I'emploi de vapeur d'eau et d'acide carbonique pour enrichir le gaz, se reduisent toujours d une resultante unique ; un degagement de chaleur egal ^ ce que produit le combustible se combinant avec de Toxygene froid emprunte a Fair atmospherique (^).

Cette chaleur de combustion, qu'il est facile de connaitre par les tableaux des pouvbirs calorifiques des corps simples, ou experimintalement pour les houilles, est done le terme de comparaison invariable auquel il faut rapporter tous les echanges, toutes les chaleurs perdues, recuperees ou utilisees dans un four;

2<> Les gaz brtiles ou oxydes (acide carbon' qu£ ou vofpeur d'eau) ne peuvent jamais fournir de calories. — Si, par un artifice quelconque, on les decompose en un point du four, de fagon d obtenir de Thydrogene (ou de Toxyde de carbone) et de Toxygenc, cette reaction absorbe de la chaleur et refroidit les gaz et le four en ce point; la combinaison ulterieure de cet hydrogene (ou oxyde de carbone) n'a pour effet que de restituer exaclement en un autre point une quantile de

(1) Ceci s'entend, 6vidcmment, d'un appareil isole, aulonomc. Si la vapeur d'eau d'uo gazogene est volatilis^e par une chaudiere independanlc, ou si I'air de combustion est chauff6 par un appareil special, il y aura de ce fait un nouvel apport de calories. Par contre, si I'eau est employee liquide dans un gazogene et qu'on la renvoie dans Taimosph^re k I'^tat de vapeur, il y a, de ce fait, d^pense de calories pour la volatilisation, k retrancher de la chaleur disponible.

t;haleur egale, sans que la chaleur totale d^gag^ par le combustible, et disponible, soit en rien modifi^e. II n'y a, dans ce cas, que transport dc chaleur d'un point & un autre, sans aucun gain de calories;

3^ Le seul gaz servant d la combustion dans les fours est / atr atmospMrique. — Si Teau ou Tacide carbonique employes dans un four se decomposent en un point de ce four et mettent en liberty de Toxyg^ne, ils se reconstituent en un autre point sans c^der aucun atome d'oxyg^ne au charbon, sans concourir d la combustion m^me partielle.

La quantite totale d'air nicessaire a la combustion et s'dchappant par la chemin^e sous forme d'eau et d'acide carbonique m616 d'azote, est toujours la m^me pour un poids donne de charbon brUU,

Deux consequences de ces principes ont et6 m^connues dans les raisonnements de quelques inventeurs. La premiere est que le rapport, dans les fum^es, de Tazote k Tacide carbonique est toujours le m6me pour un combustible donn^, quel que soit le mode de gaz^ification, gaz k Teau, gaz Siemens ou gaz d'acide carbonique r^^n^rd. Or, on a souvent cru diminuer la proportion d'azote circulant dans un four k gaz, par Temploi de gaz k Teau, qui contient moins d*azote que le gaz k Fair ; ce raisonnement est inexact (*).

La seconde est que la masse de fum6es envoy^es k la chemin^e ne pent, par aucun moyen, ^tre diminu^e, pour un poids donn6 de combustible brilie. Dans le nouveau four Siemens, en envoyant sous le gazogene une partie des fum^es, on pent avoir I'illusion de soustraire efFectivement k la chemin^ ces produits brtil^s et les calories qu'ils emportent : ce raisonnement, qui a pu tromper sur la valeur du nouveau four Siemens, est ^galement inexact (*).

(1) Le gaz k Feau theorique (CO -f H*) De contient pas, il est vrai, d'azote comme le gaz Siemens CO + 2Az*, mais la combustion de ces deux gaz donne, d'un c6te : CO* + 4Az> -f H*0 ; de Fautre : C0« + 4AzS et les fum^es ont, dans Fun et Fautre cas, mSme rapport d'azote ^ Facide carbonique. La quantity d'azote traversant le laboratoire est la m^me dans les deux cas.

(2) Nous croyons utile de refuter cette erreur sur le syst^me de MM. Biedermann et Harvey, en expliquant la circulation dans le four h retour de fumt^s.

A la sortie du laboratoire, les gaz bruits se partagent effectivementen deux : supposons ces deux parts egales, ce qui est le cas ic plus favorable au systeme.

6. — R6le de la vapeur d*eau dans les fours a gaz ; altres auxiliai- RES DE LA COMBUSTION. — Puisque Temploi de la vapeur d'eau dans les fours ne modifie ni lachaleur totaledisponible, ni la quantity d'air n6cessaire a la combustion ni, par consequent, la proportion d'azote circulant dans le four, le r61e de cet auxiliaire, dont rutilit6 est incontestable et sanctionn^e par une pratique g6n6rale,demande a ^trepr^cis^.

Beaucoup moins simple que celui d'enrichir le gaz en calorique latent, qu'on lui attribue d'ordinaire, le r6le de la vapeur d'eau est 6troitement li^ k la r^up^ration.

Dans un gazogene 4 Teau les reactions qui fournissent le gaz sont

les suivantes :