CHAPITRE X

I^TUD£ EXPERIMENTALE d'UN FOUR. BlLAN d'uTIUSATIO!\

DE LA CIIALEUR.

La recherche exp6rimentale du bilan d'utilisation dela chaleurdans un four consiste A determiner le rapport de la chaleur utilisde, c'est- ^-dire consomm^e dans le four (laboratoire) & la chaleur tolale disponible, et accessoirement les valeurs des diverges pertes de chaleur par rayonnement, par les fumtes, etc., enfin la quantity de chaleur effectivement r^cup^r^e.

L'utilit6 de semblables 6tudes est 6vidente : elles permettent seules de determiner exactement la valeur d*un four et, si Ton constate que le rendement en est d^fectueux, de diagnosliquer la cause de ce d6faut. Elles sont, pour les fours, r^quivalent des etudes aussi nombreuses que completes sur les raoteurs a vapeur qui ont tant contribue d en hater le progr^s et a en assurer la bonne marche.

Malgre cet inter^t, il n'a 6te fait que tres rarement de bilans complets de fours ce qui rend trds dilDcile ia comparaison entre les differenls systemes de fours applicables d une mtoe Industrie, et laisse planer sur ces questions de chaufifage une incertitude tres contraire au progr^s. II serait tr^s desirable que Texemple donne par les Ingenieurs s'occupant de machines d vapeur fut suivi par ceux que pent interesser reconomie de combustible dans les fours.

Nous venons de montrer que Foutillage n^cessaire a ces etudes est simple et pratique; il nous reste d montrer que retude elle-meme ne presente pas de difficulte, en Tappliquant d un cas choisi parmi les plus complexes que Tindustrie puisse presenter, par exemple celui d'un four Siemens d double recuperation 8i gaz mixte, brtilant de la houille imparfaitement, avec residu d'escarbilles.

§ 1. programme de bilans d'utilisation de la chalenr dans nn ftor. — Bilan en partie double. — Bilan en partie simple. — Le bilan d'utiiisatioQ de la chaleur dans un four comporte les d^terminatioas suivantes :

i^ Chaleur utilise c'est-A-dire consomm^ dans le laboratoire;

2<» Chaleur perdue par les fum^es;

3° Chaleur perdue dans les gazogenes par conductibilit^ ou rayonnemenl ;

Ap Chaleur perdue par le rayonnement des chambres de recuperation.

La somme de ces quatre quantit6s de chaleur, lorsque Ton donne aux divers organes des fours les limites precises que nous leur avons assignees, com prenant lout le four depuis la grille jusqu'd la cheminee, doit evidemraent 6tre ^gale k la chaleur totale disponible, c'est-a-dire produite par la combustion de la houille. II s*ensuit que Tune d'elles pourra eire determin^e par difference pourvu que les autres soient me^ur^es d*une faQon prdciss : c'est ainsi que Ton pourra appr^cier avec exactitude la perle par rayonnement des chambres qui echappe k toute mesure directe, en raison de la double action qu'y eprouvent les gaz, echauffements ou refroidissements par les empilages et refroidissementpar les parois;

5^ Une cinqui^me donn^e fort utile k la critique d'un four bien que ne faisanl plus partie du bilan est la quantite de chaleur effectivement r4cuper4e par le passage des gaz dans les chambres. Elle pourra etre exactement calcuiee en fonction des compositions des gaz et de leurs temperatures et, rapportee k la chaleur ulilisee dans le four, donnera le seul element de comparaison un pen rigoureux entre les systemes de recuperation differents.

Si Ton veut etablir le bilan d'un four par une methode absolument rigoureuse c'est-a-dire comporlanl des verifications des principales mesures, en un mot dresser une veritable comptabilite en partie double de la chaleur utilisie et perdue, il faudra, outre les analyses de gaz et les mesures de temperature faire des mesures exactes des consoDimations de liouille et d'eau qui permettront de contr61er par un

calcul synth^tiquo les analyses de gaz (^). Dans ce cas il faudra faire Texp^rience pendant un temps sufiisammment long pour que les poshes d'eau et de houille soient failes avec precision, et les prises de gaz devront 6tre convenablement dirig^es et espac^es de fagon que les chiffres d'analyse repr6sentent bien la composition moyenne pendant la p6riode totale de Texp^rience. Enfin les analyses de houille devront porter sur une prise d'^chantiilon faite sur la houille qu'on briilera pendant Texp^rience. Une dur^e de 24 heures pour T^tablissement du bilan en partie double est n6cessaire (*).

Cette methode qui a I'avantage de donner des indications precises sur les consommations d'un four correspondant dune marchedonn^e, est malheureusement un peu longue et ddicate ; elle exige une presence a peu pres ininlerrompue de vingt-quatre heures au four. Mais elle n'est g6n6ralement pas indispensable, et dans la plupart des cas un bilan bas6 uniquement sur des analyses chimiques et ind6pendantdes chiflres de consommation, suffira d resoudi^ele problfeme experimental que nous nous sommes pos6 ; il pourra s'efifectuer en quelques heures mais ne donnera que les rapports des chaleurs perdues ou utilis^es. C'est cette seconde methode que nous designons sous le nom de bilan simple et dont nous donnons un exemple d^tailie.

§ 2. Donn^es exp^rimentales concernant un four Siemens a double recuperation, a gaz mixte. — Les donn^es exp6rimentales n6cessaires d retude du rendement et des pertes do chaleur dans un four sont les suivantes :

i^ Composition du combustible. Analyse organique et pouvoir ca- LORiFiQUE DE LA HOUILLE. EscARBiLLES. — Ccs determinations effectuees

(i) C'est par cette methode que nous avons fait le bilan dc four Siemens de verrerie dont nous avons donn^ les r^sullals dans les An?iales des Mines. L'exp6rience avalt 6t6 poursuivie pendant une p6riude de 36 heur« s pendant lesquelles on avait pes6 Teau et la houille. Ce dosage nous a permis, non seulement de conlroler quelques-unes des analyses de gaz, mais encore de supplier a un chifTre que I'analyse faite au laboratolre avait omis.

(2) Le dosage rigoureux de la consommation de Teau pendant un temps limil6 pent presenter des difficult6s aussi bien quand le gazogene est aliments par une chaudi^re que lorsqu'il re^oit I'eau liquide dans le cendrier. L'^valuation exacte de la consommation de charbon pendant un temps limits est elle-m^me impossible, en raison des variations de niveau du combustible dans le gazogene. Voila pourquoi la dur^e minimum de 24 heures est indispensable.

par les mdthodes indiqudes doivent ^tre failes sur one prise d'essai tr^s soignee, car les gros morceaux de houille ont souvent une composition difif^rente de celle des menus; I'^chantillonnage sera fait sur une ou deux tonnes de tout-venant dont on cassera les gros.

Dans le bilan de notre four d double r^up^ration, nous briderons une houille d gazogene dont la composition est la suivante (*).

Carbone 82,5

Hydrog^ne 5

Azote 1,2

Oxygene 6

Cendres 4,1

Eau hygroscopique 1,2

Pouvoir calorifique 8210 calories.

Dans la plupart des fours, la combustion de la houille n'est pas complete, et il se forme des escarbilles ; le carbone entrant avec les cendres et I'eau dans la composition de ces escarbilles ^chappe 6videmmenta la combustion et devra 6tre retranch^ de la houille. On lefera ais^ment en pesant pendant un temps quelconque suffisamment long, le charbon br&l^, les escarbilles produites, et ea analysant ces derni^res.

Prenons pour notre bilan les chififres suivants :

Consommation de houille : 14500 kilogr. (en 36 heures). Production d'escarbilles : 3500 kilogr.

/ Eau 28

Composition des escarbilles / Carbone 40

( Cendres 32

Le carbone de la houille = 14500 x 82,5 = 119G0 Le carbone des escarbilles = 3500 X 40 = 1400 Le carbone de la houille ^chappant d la combustion est done ^gal

(i) Tous les chiffres que nous donnons ici sent empruntfis k des 6tudes expSrimentales faites dans Tindustrie ; mais elles n'ont pas toules 6t6 faites en m^ine temps ni sur le m^me four ; le bilan que nous donnons est done un exemple num^rique deslin6 ^servlr de module k des calculs analogues, non une 6tude reelle de four.

lie ETUDE PRATIQUE DE ^UTILISATION DE LA CHALEUR

aux ^^/tige du carbone contena dang la houille, d'oCi Ton d^uttla composition suiyante par kilogramme :

Carbone brAle 728

Carbone ^happant k la combustion 97

Hydrog^ne 50

Azote 12

Oxyg^ne 60

Cendres 4l

Eau bygroscopique 12

Le pouvoir calorifiqae devra 6tre diminud de la chaleur de com-

bastion du carbone des escarbilles soil j^ — '— = 788 ;

Happorions ce pouvoir caloriiique au carbone brdl^ dans la houille, nous avons pour une mol^uie (12^)

7422 X ^ = 122 calories.

c'est-d dire que la combustion de cette molecule correspond d un d^agement de 122 calories provenant tant du carbone que de Thydrogene.

II est utile de rapporter ainsi d la moI6cule de charbon brill6, non seulement la chaleur totale disponible, mais toutes les quantit^s de chaleur mises en jeu dans le four, et toutes les analyses de gaz. En effet, le carbone n'^tant introduit dans le four que par le combustible (si Ton neglige Tacide carbonique de Tair) c*est ce corps qui convient le mieux comme terme de comparaison (^) : le dosage du carbone dans un gaz permettra seul de calculer le poids de combustible correspondant d un volume donn6 de gaz et, par consequent de

(1) II peut arriver qu'il y ait apport de carbone par la matiere mise en oeuvre dans le four : c'est le cas des fours k bassin de verrerie, 011 les mati^jres premieres d^gagent de Tacide carbonique qui entre dans la circulatioa du four. 11 faudra 6videmment en tenir compte, par un calcul analogue a celui qui a fait intervenir les escarbilles dans Qotre bilan ; il suflira de connaitre les poids de houille bri!il6e etde mati^res premieres (de composition connue) correspoodants pendaat un temps dona^.

iTUDE EXP^RIMENTALE D'UN FOUR 127

calculer le rapport de la puissance caloriQque contenue dans ce gaz d la chaleur totale disponible ; d'autre part comme les chaleurs d'6chauffement sont toutes donn^es pour les volumes mol6culaires, c'est la molecule (12 »«•) qui sera commod^ment prise pour unit6.

2o Analyses de gaz. — Les deux analyses d faire, sont celles du gaz de gazogenes et celle des fum^es.

L'une et Tautre doivent 6tre faites sur des prises d'essai sulTisamment prolong^es pour bien donner la composition moyenne. Pour les fum^es on recueillera le gaz pendant deux p^riodes d'inversion, c'esta-dire entre deux 6tats identiques du four : si les inversions se font toutes les heures, la prise de fum^es et le dosage de Teau se feront en deux heures. Pour le gaz, on se basera sur le chargement des gazogenes : la composition du gaz varie en effet au moment des charges, qui am^nent un abondant degagement d'hydrocarbures : on devra done faire la prise d'essai et le dosage de I'eau pendant un cycle complet de chargement des gazogenes, en ayant soin de placer le tube de prise d'essai sur le coUecteur commun d tons les gazogenes et non sur I'un de ces appareils.

Les analyses ainsi conduites pour notre bilan ont donn^ les r^sultats suivants exprim^s en volumes.

4<* Gaz des gazogenes,

Az2 58,2

Eau 2,5

Rapportons cette composition d la molecule de carbone, en admettant que, dans Tanalyse pr6c6dente, Tunit^ soit le volume mol^culaire. Les chilTres de CO^ et GO correspondent i un nombre de molecules de carbone ^gal d leur volume, wmm^mkmaimmSMkmmmmakmmmkmtii^ teiHaHiiHiiMriMaHiiiHMb U s'ensuit que les 100 volumes de notre

gaz sec ou Jes 102,5 volumes du m^me gaz humide correspondent a un chilTre de carbone brCil6 exprim^ en molecules par :

5,2 + 20,3 + '^'^ = 29 molecules.