CHAPITRE PREMIER

La seule source de chaleur utilisée dans l'industrie est la combustion. On nomme combustibles les substances susceptibles de se combiner avec l'oxygène en dégageant assez de chaleur pour que la combinaison, une fois commencée en un point, ne s'arrête plus et se propage spontanément dans toute la masse. En pratique, on ne peut employer que des substances assez répandues dans la nature : aussi le nombre des combustibles est restreint, et leur composition peu variée. Tous doivent leur valeur à la présence de deux corps simples : le carbone etThydrogène.

tH, Pouiroir ealorifiqae. — La première propriété à considérer dans un combustible, c'est le pouvoir calorifique : on désigne ainsi la quantité de chaleur dégagée par la combustion d'un kilogramme (1). Cette quantité, évaluée en calories, est en général exprimée par des nombres assez grands ; pour avoir des chiffres plus simples, on l'évalue quelquefois en unités de vapeur : Tunité de vapeur vaut 537 calories, qui sont le nombre nécessaire pour vaporiser un kilogramme d'eau.

Le pouvoir calorifique d'un corps donné se mesure au moyen du calorimètre, en effectuant la combustion dans le vase inté-

(1) Dans les traités de chimiey on prend en général pour unité de poids le gramme, et souvent on conserve notre définition pour la calorie c'est-à-dire qu'on la rapporte au kilogramme. Dans ce cas, les nombres exprimant les pouvoirs calorifiques se trouvent divisés par mille.

rieur muni d'un serpentin. Parfois on l'évalue d'une manière détournée, en chauffant un poids donné du combustible avec de la litharge et pesant le plomb réduit. Pour des combustibles peu différents, la chaleur dégagjée est à peu près proportionnelle au poids d'oxygène absorbé et par suite au poids de plomb réduit. Un gramme de carbone pur réduit 34 gr. de plomb. Par suite, si Tona opéré sur un gramme de combustible, et si jo est le poids de plomb réduit, exprimé en grammes, le pouvoir calorifique

sera égal à 8080 X -^ •

Nous donnons plus loin un tableau des pouvoirs calorifiques des principaux corps supposés purs. Dans la nature, on les rencontre presque toujours mélangés avec des matières inertes qui diminuent d'autaivt leur pouvoir calorifique réel.

Les nombres inscrits dans ce tableau mesurent l'effet utile maximum qu'on pourrait attendre de chaque combustible. Mais on est toujours loin de pouvoir réaliser cet effet maximum dans la pratique. Aussi pour donner une idée de la valeur industrielle des combustibles, on préfère souvent indiquer la quantité d'eau vaporisée par chacun d'eux, lorsqu'on l'emploie à chauffer une chaudière bien établie. Le nombre qui exprime le poids d'eau vaporisée devrait se confondre avec celui qui >exprime le pouvoir calorifique en unités de vapeur, si toute la chaleur dégagée par la combustion était utilisée. En réalité, il lui est inférieur de près de moitié, ce qui montre que dans le chauffage des chaudières, on perd 30 0/0 de la chaleur dégagée Les appareils métallurgiques utilisent en général la chaleur bien plus mal que les chaudières.

On remarquera que le carbone peut se combiner avec deux équivalents d'oxygène, en formant de l'acide carbonique, ou avec un seul, en formant de l'oxyde de carbone Dans le second cas, on dit que la combustion est incomplète ; la chaleur dégagée est alors beaucoup plus faible : elle est même bien inférieure à la moitié de celle qui se produit dans la combustion complète (2473 calories au lieu de 8080). Les pouvoirs calorifiques indiqués pour chaque combustible dans notre tableau sont déterminés en supposant que la combustion soit complète, c'est-à-dire que le carbone soit entièrement transformé en acide carbonique et l'hydrogène en eau. 11 n'en est presque jamais ainsi : il se forme toujours plus ou moins d'oxyde de carbone, et à chaque

kilogramme de carbone incomplètement brûlé correspond une perte de 5607 calçries.

19. TempérAturede eombastioD. — Après le pouvoir calorifique, la donnée la plus importante à connaître est la température de combustion.

On appelle ainsi la température que les produits de la combustion atteindraient, s'ils absorbaient toute la chaleur dégagée. Cette température, ainsi définie, sera la limite supérieure de celle qu'on pourra réaliser en brûlant un combustible donné. En effet, les produits de la combustion ne pourront céder leur chaleur à des corps étrangers que si ces derniers sont plus froids qu'eux. L'échange de chaleur devient même très lent quand la différence des deux températures est faible. Aussi, en pratique, la température des corps que l'on cherche à échauffer reste toujours inférieure à celle des produits de la combustion de 100 à 200 degrés.

On voit que la température de combustion est une sorte de mesure de l'énergie d'un combustible : chaque combustible ne pourra être employé qu'aux opérations dans lesquelles la température à réaliser est inférieure à sa température de combustion.

On trouvera dans l'ouvrage de M. Gruner la méthode qui permet de calculer exactement les températures de combustion théoriques. Comme il n'y a aucun intérêt à faire ces calculs avec rigueur, nous allons exposer une méthode simplifiée qui donne très rapidement des résultats suffisamment approchés.

Soit C la chaleur dégagée par 1 kilogramme d^un combustible quelconque : le poids d'air absorbé par la combustion peut se calculer (nous donnons plus loin un tableau indiquant ce poids pour tous les combustibles usuels) : appelons le p. Celui

des produits de la combustion sera/? -|- 1. Leur chaleur spéci-

fique peut être prise égale en moyenne à ]: ; ils exigeront donc,

pour s'échauffer à la température 9, un nombre de calories égal

à — — X 6, et on aura l'équation :

Si le combustible est un mélange de plusieurs corps et que les poids de ces corps entrant dans un kilogramme du mélange

soient respectivement a:, y, etc. ; leurs pouvoirs calorifiques, Cl, Cs, etc.; et les poids d'air nécessaires à leur combustion^ Pu Pi ; Ist formule subsistera, mais on devra poser :

C = a:Ci + yC„ etc..

p = ^Pi+ ypii etc..

Si Tun des corps est de Thydrogène, on prendra pour son pouvoir calorifique le nombre réduit 29.161, afin de tenir compte de la chaleur latente absorbée par la vaporisation de Teau : on pourra alors traiter la vapeur comme un gaz dont la chaleur spécifique serait 0,48. Soit h le poids d'hydrogène, le poids de vapeur d'eau produit sera 9 h. La chaleur spécifique de la vapeur étant double de celle que nous avons admise pour les produits de la combustion, il faudrait, pour tenir compte de cette différence, faire figurer deux fois le poids de la vapeur d'eau dans le numérateur du coefficient de 0. Mais il est déjà compris dans/) H- 1 ; il suffit donc de l'ajouter une fois, et la formule devient :

Si le combustible contient des matières inertes, rien de changé; il faudra seulement faire attention à prendre pour C le pouvoir calorifique réel.

S'il contient de l'eau, il faut, comme nous venons de l'expliquer, la compter deux fois dans le second membre, à cause de la chaleur spécifique élevée de sa vapeur ; on ajoutera son poids iz au numérateur, où il entre déjà une fois implicitement. En outre, il faudra tenir compte de la chaleur latente de vaporisation. A cet effet, remarquons que la chaleur nécessaire pour élever à 6 le poidsTï d'eau est t. [637-4-0,48 (0— 100)]. Or nous avons déjà inscrit dans le second membre ttX 0,48 X 8 : il nous reste à y inscrire, ou bien à retrancher du premier, t: x 837. Ce terme sera généralement négligeable vis-à-vis de C. Il n'existera pas si le combustible est gazeux et contient de l'eau à l'état de vapeur.

Si on emploie un excès d'air, on en tiendra compte pour déterminer j9.

Enfin si l'air est préalablement chauffé à la température t, et le combustible à la température t\ ils apporteront un nombre

pt i' de calories égal àY + --, qu'il faudra ajouter au premier

membre.

Ainsi la formule la plus générale sera :

C représentant le pouvoir calorifique moyen, p le poids d'air, / sa température, t' celle du combustible, tz le poids d'eau et Aie poids d'hydrogène contenu dans 1 kilogramme du combustible. On pourra Fécrire (en nombres ronds) :

g kC + pt+f -- 7rX2.000 p + 1 -|- 9^ +ir

Voici les températures théoriques de combustion des trois éléments combustibles principaux dans Tair et dans l'oxygène.

dans Toxygènc dans Tair

Carbone iO.015 2.7i6

Oxyde de carbone. . 6.950 2.967

Hydrogène .... 6.744 2.614

On voit combien l'emploi de l'oxygène augmente TefFet des combustibles : on remarquera aussi que dans Tair l'oxyde de carbone est celui des trois corps qui développe la température la plus élevée.

Appliquons maintenant notre formule à un combustible impur comme on les rencontre généralement.

Soit une houille dont le pouvoir calorifique à l'état de pureté est de 9.000. Le poids d'air nécessaire pour la brûler (en ajoutant un très faible excès inévitable dans la pratique) sera à peu

près de 6 kil. pour 1. La température dégagée sera donc '— j- —

ou environ 5.000. — (Nous négligeons l'hydrogène contenu, qui ne dépasse guère 5 ou 6 0/0 : leterme 9 x0,06 serait faible par rapport au dénominateur). Si on employait un excès d'air de 33 0/0,ce qui se présente souvent, le dénominateur deviendrait 9 et la température s'abaisserait à 4.000.

Si la même houille contenait 10 0/0 de cendres, son poqvoir

calorifique réel ne serait plus que les -- de celui de la houille

pure,etla température se réduirait dans les mêmes proportions. Si on lui suppose, outre 10 0/0 de cendres, 10 0/0 d'humidité, la formule deviendra (en admettant toujours un excès d'air) :

Enfin, si on chauffait Tair à 10O«, il faudrait ajouter au numérateur 8 X 100 : on voit que pour lOO*^ d'augmentation de température deTair, la température de combustion augmenterait d'environ 2,5 0/0, soit 7oo dans le cas actuel.

Prenons encore comme exemple un gaz ainsi composé en poids :

Oxvde de carbone. ... 30

Hydrogène 5

Vapeur d'eau . . .^ . . 10

Azote et acide carbonique . 55

Le calcul s^établira comme il suit :

Chaleur dégagée

10 par l'oxyde de carbone. . . . 0,30 X 2.403 = 621 20 par l'hydrogène 0,05 X29.161 = 1.450

Poids d'air absorbé :

par CO. -- 0,30 X 2,5 = 0,75 par H/. - 0,05 X 35 = 1,75

Vapeur d'eau produite par Thydrogène 0,45

» )> existante dans le gaz 0,10

8 = — -X 2.079 ou en nombre rond 2.000.