CHAPITRE VI

Chauffage des corps solides à des températures élevées et utilisation des chaleurs perdues.

2222. Dans certaines indastries, et principalement dans la métallurgie, il faut cliauiïer des corps solides à des températures trèsélevées. Les fours à puddler, à réchauffer et les hauts fourneaux remplissent ce but. Dans tous ces appareils, on n'utilise qu'une faible partie de la chaleur que produit le combustible, soit que les gaz s'échappent à une haute température, comme dans les fours à puddler et à réchauffer^ soit que, par la nature même des foyers, le combustible ne cède pour l'opération principale que la portion de chaleur résultant de la formation de l'oxyde de carbone, comme dans les hauts fourneaux. Nous allons d'abord résumer les moyens de produire des températures très-élevées, et ensuite passer en revue les appareils imaginés pour l'utilisation des chaleurs perdues.

2223. Moyens de pi'oduire une température très-ékvée. — La température obtenue par la combustion, augmente très- rapidement à mesure que le volume d'air qui échappe à la combustion est plus faible, parce qu'alors la chaleur produite, qui est toujours la même, se répartit dans une plus petite masse et par suite lui donne une température plus élevée ; mais, comme nous l'avons vu (n"' 282 et suivants), la dissociation réduit considérablement la température qu'on peut obtenir et cela dans une proportion d'autant plus grande que cette température est elle-même plus élevée. Quoi qu'il en soit, les plus hantes températures qu'on puisse obtenir par la combustion dans l'air seront obtenues quand l'air brûlé ne contiendra pas d'oxygène ; dans ce cas la température produite s'approche de 2000° pour les houilles et le coke; avec l'hydrogène on n'obtiendrait guère plusdeloOO".

2224. La transformation du combustible en gaz dans les gazogènes et leur échaufîement préalable ainsi que celui de l'air de la combustion au moyen du régénérateur Siemens et autres (1918 et suivants) ont permis d'obtenir des températures plus élevées que les précédentes : en effet, d'après M. Bunsen, les conditions de la dissociation restent à peu près les mêmes pour des températures comprises entre 1200 et 2400" pour l'eau (290) et entre H4G" et 2471° pour l'acide carbonique [291) ; il semble donc résulter delà qu'avec un échauffement

Cll.U'lTIŒ VI. — CIl.M'KFAfiK A DKS TEMPKUATI lU-IS Kl.KVÉKS, ETC. '.>7

|>ivalal>Ie ot siiflisant dos <s,;\7. o[ de l'air on |M)ii\ail allciiidic dans les appareils de eonibiislioii h lair libre des tein|M''ralures voisines de liilKI' 2!>7 : an delà de celle lenipc'ialnre les eondilions de la dissoeialioii cliangenl de N'Ile laeon (}ue le coinhnslible épronve nne oomhnstion beaucoup moins eomplèle , et la surélévation de lernpéralnre cpron obtient ])ar la combustion devient beaucoup moindre.

2225. Nous avons dit (300) quelle influence la pression peut exercer sur la température de combustion ; il semble difficile, dans l'étal actuel des procédés industiiels, d'admetli-e la possibilité de maintenir de grandes capacités portées à une tempéraline très-élevée sous de fortes pressions. •

2226. L'emploi de l'oxygène pur pour la cond)ustion serait encore et surtout un moyen d'élever la température. Nous pouvons par des calculs fort simples et en nous appuyant sur les résultats des expériences de M. Bunsen (28o), arrivera une détermination approximative des températures qui peuvent être obtenues ainsi.

2227. Considérons d'abord le cas de l'bydrogène. M. Bunsen a trouvé que la combustion en vase clos d'un mélange en proportions exactes d'hydrogène et d'oxygène fournit une température de 28.')4'' et qu'il brûle le tiers seulement du gaz combustible ; c'est-àdire que lenlélange au moment de la combustion présente en volume la composition suivante :

Oxygène 1 volume.

Hydrogène 2 volumes.

Vapeur d'eau l volume.

Ce qui fournit pour les produits de la combustion d'un kilogramme d'bvdrogène :

Oxygène o'''',33

Hydrogène 0 ,67

Vapeur d'eau :{

En supposant les mêmes conditions de dissociation sous pression constante, c'est-à-dire à l'air libre, on aura, pour calculer la température de combustion, l'équation suivante (290) :

t(5,33 X 0,218-1-0,67 X 3,404 -1-3,00 X 0,t75) = 0,33 X 29000; d'où t --^ 2003».

Cette valeur, évidemment trop faible, nous prouve que nous avons

Péclet. III. 7

î)8 LIVRE XIII. — CHAUFFAGE DES CORPS SOLIDES.

supposé une dissociation trop considérable de l'eau ; si nous prenons riiv|Miihèse de la dissociation qui se produit pour les températures voisines de 2000° quand la combustion a lieu envase clos, l'équation qui fournira la température sera celle du n° 290 dans lequel il suffira de relranclier dans le premier membre le terme relatif à l'azote, et on trouvera ainsi t = 3077". Cette température est évidemment trop forte eu égard à la fraction de dissociation adoptée. L'expérience est d'accord avec ces conclusions, puisque M. Sainte-Claire- Deville a trouvé que la température est dans ces cas de 2500° environ. Si l'on supposait un état de dissociation intermédiaire fournissant pour la composition des gaz de la combustion :

Oxygène 1 volume.

Hydrogène 2 volumes.

Vapeur d'eau I ,ri.

la température calculée serait de 2614° et se rapprocherait sensiblement de celle de l'expérience.

2228. Si, maintenant, nous considérons le cas du carbone, nous savons qu'un mélange détonant d'oxyde de carbone et d'oxygène, à proportions exactes, fournit une température maxima de 3033° en brûlant en vase clos (285) et que la composition du mélange est en volume :

Oxygène 1 volume.

Oxyde de carbone 2 volumes.

Acide carbonique '. . I volume.

En supposant que dans la combustion du carbone pur dans l'oxygène les conditions de la dissociation de l'acide carbonique restent les mêmes, les produits de la combustion d'un kilogramme de carbone contiendront :

Oxygène '. 0*'',89

Oxyde de carbone 1 ,35

Acide carbonique \ ,22.

et l'équation qui fournira la température de combustion sera :

f(0,89 X 0,218 + 1,00 X 0,248-1-1,22 X 0,216) -— 0,67 X 2473 -f 0,33 X 8080; d'où f = 5134.

Cette valeur est évidemment un maximum, car elle est plus élevée de 2000° que celle qui nous a fourni les conditions de dissociation

CIIAPITIŒ VI. — CHALFFAr.E A DKS TE.MPÉRATL'RES ELEVEES, ETC. IW

adopici's. cl par conséquent il ny a pas lion de supposer la conihnstion plus complète, mais peut-être, au contraire, cst-cllc iii..iii,liv, ce (pii rendrait la température de combustion moindre aussi.

Un(»i (piil en soit, 2:j(IO" dans le cas de rii\droycne ; 4000" à .'JOOO dans le cas du caibone. telles sont les températures qui pourraient être oldenues parla combustion dans l'oxygène pur.

2229. Si, au lieu de se servir d'oxygène pur, on employait un mélange d'oxygène et d'azote plus riche du premier gaz que ne l'est lair atmosphérique, les températures obtenues seraient intermédiaires entre celles des n"' 290 et suivants et celles que nous venons de calculer, et se rapprocheraient d'autant plus de ces dernières que l'air employé serait plus riche en oxygène ; dans tous les cas un calcul fort simple permettrait d'obtenir cette température.

2230. On pourrait se procurer non de l'oxygène pur, mais de l'air plus riche en oxygène que l'air atmosphérique, par une simple action mécanique. En efTef, l'eau dissout^, de son volume d'oxygène, et T-y de son volume d'azote, ces gaz étant mesurés sous des pressions égales à celles de ces deux gaz dans l'atmosphère qui pèse sur l'eau, quelle que soit d'ailleurs la force élastique totale de cette atmosphère. Il résulte de là que le volume d'air renfermé dans l'eau à la température ordinaire est composé de 0,32 d'oxygène et de 0,68 d'azote. Supposons maintenant qu'on comprime de l'air dans de l'eau sous une pression de 2 atmosphères, qu'on fasse passer cette eau sous un gazomètre, qu'on recueille l'air qui se dégagera, on obtiendra de l'air qui renfermera 0,32 d'oxygène. Mais le travail mécanique consommé serait très-considérable, à cause de la masse d'eau sur laquelle il faudrait opérer. En faisant le calcul du prix de revient de 1-"^ d'air, on trouve qu'il serait au moins équivalent au prix de 8'' de houille ; ainsi cette méthode est loin d'être industrielle. Cependant, si l'on pouvait disposer d'un courant d'eau sur lequel on établirait Une large cloche de tôle dans laquelle une pompe aspirante maintiendrait un vide de l à 2% l'air extrait de l'eau, qui se renouvellerait constamment, reviendrait à un prix beaucoup moins élevé. Cette disposition mériterait d'être étudiée dans le cas où il serait important d'obtenir des températures supérieures à 3000" ; le combustible devrait être un gaz très-riche en carbone brûlé dans un des foyers décrits précédemment (835); mais ici encore on se trouverait probablement arrêté parle prix de revient élevé de l'oxygène.

2231. Le procédé chimique qui était autrefois le plus économique

pour obtenir de roxygène consistait à calciner dn peroxyde de man- -anèM' dans un cvlindre de fonte cIianlTé au rouge; 1 kilogramme de cette matière fournil à peu près 80 litres d'oxygène ; ainsi 1 mètre d'oxygène exigerait 12\50 de peroxyde de manganèse, rpu coùleraient^G fr. 2o c. , somme à larpielle il faudrait ajoute)- le prix du combustible consommé et celui de la main-d'œuvre.

2232. Dans les laboratoires, on emploie plus fréquemment le chlorate de potasse ; mais, comme le précédent, ce procédé est coûteux ; c'est donc dans une autre voie qu'on a clierclié à trouver une préparation économique de l'oxygène.

2233. L'origine et le point de départ des procédés employés se trouvent dans la célèbre expérience de Lavoisierpar laquelle il établit la composition de Tair. On sait qu'il absorbait d'abord l'oxygène de l'air en chauffant celui-ci au contact du mercure ; l'oxyde de mercure formé, étant ensuite chauffé plus fortement, fournissait l'oxygène. M. Boussingault proposa plus récemment l'emploi de la baryte ; son procédé consiste à faire passer sur ce corps chauffé au rouge sombre un courant d'air qui lui cède son oxygène ; le bioxyde de baryum ainsi formé, étant ensuite chauffé au rouge vif, laisse dégager l'oxygène qu'il avait absorbé et se trouve ramené à l'état de baryte qui peut subir à nouveau pour les mêmes actions. MM. Sainte-Claire Deville et Debray proposèrent ensuite de décomposer l'acide sulfurique qui résulte, comme on le sait, de la combinaison dans les chambres de plomb de l'acide sulfureux et de l'oxygène de l'air. L'acide arrivait goutte à goutte dans une cornue en grès remplie de fragments de briques et de rognures de platineet chauffée au rouge-blanc. Le mélange de gaz, acide sulfureux et oxygène, résultant de la décomposition était soumis à l'action de l'eau ou d'une base, potasse ou chaux, pour absorber l'acide sulfureux. M. Mallet, ancien élève de l'École centrale, employa le sous -chlorure de cuivre qui absorbe l'oxygène à la température ordinaire et le rend à une température peu élevée. Le procédé de MM. Sainte-Claire Deville et Debray, coûteux et complexe, était d'ailleurs subordonné à l'emploi de l'acide sulfureux ou des sullùes obtenus comme résidus, et il ne fut jamais considéré comme pouvant devenir sérieusement industriel. Dans le procédé de M. Boussingault et dans celui de M. Mallet, le véhicule qui emitrunte l'oxygène à l'air pour le rendre ensuite, baryte ou sous-chlorure de cuivre, doit être successivement porté à des températures différentes ; il en résulte des manipidations coûteuses, des pertes de temps, de matière et de chaleur. De plus, au bout dun certain