PB
tl
hi^
Soit a le volume d'air nécessaire à la combustion de i kilo de carbone [a = 8"%967), na le volume d'air réellement employé.
Le volume d*acide carbonique produit par kilo de
carbone est 0,208 a
Le volume d'oxygène dans Tair introduit. . . . 0,208 /la D'où il résulte que le volume d'oxygène libre est 0,208 (w— i ) a
Le rapport r du volume d'oxygène libre au volume total des gaz de la combustion, qui est sensiblement celui de l'air à la même température, est donc
na
d'où
0,208 — /• En donnant à r diverses valeurs, on trouve pour
r=o n=i pas d'excès d'air,
r=o,o4i6 71=1,25 25 p. 100 d'excès d'air,
#•=0,0693 /i=:i,5o 5o p. ipo d'excès d'air,
r=o,io4 71 = 2 volume d'air double.
Ces proportions ne sont absolument exactes que pour le carbone, mais elles restent suffisamment approchées pour la houille et le coke.
Ainsi pour la houille, dont nous avons étudié la combustion
(eo), avec un volume d'air double, le volume d'oxygène libre
.1 nt^jt dans les ffaz de la combustion est i"%762, soit '^ ^. =0,1018
du volume total, et en appliquant la formule, on trouve 71 = 1,96 au lieu de 71 = 2, qui est le rapport exact.
Dans la pratique industrielle, le poids d'air introduit par kilogramme de houille varie entre 12 et 24 kilos; ce sont des limites dont il convient de ne pas trop s'approcher. Quand ce poids est voisin de la limite inférieure, 1 2 kilos, on risque d'avoir une combustion incomplète par suite de l'insuffisance de l'oxy-
gêne ; quand il se rapproche de 24 kilos, le volume des gaz produits est doublé, la chaleur se répartit dans une masse beaucoup plus grande ; la température s'abaisse dans le foyer et les gaz emportent plus de chaleur à la sortie de l'appareil. Dans les foyers bien conduits, on tend, pour diminuer cette perle, à maintenir le poids d'air introduit entre i5 kilos et 18 kilos par kilogr. de bouille, c'est-à-dire à réaliser une bonne combustion
avec un excès d'air de ■; à ~ au plus.
62. Appareil Orsat. — L'analyse des gaz de la combustion se fait pratiquement au moyen de l'appareil Orsat modifié par M. S aileron.
Cet appareil {fig, 12) se compose essenlieUemcnt :
1° D'un tube gradué K servant à mesurer le volume des gaz.
2' D'une série de trois manchons en verre A,B,C ser\'ant de
Kg. ».
laboratoires dans lesquels s'effectue l'absorption successive des différents gaz par des réactifs particuliers.
Le mesureur K est un tube gradué en centimètres cubes de o
à loo; il est entouré d'un manchon en verre et l'intervalle est rempli d'eau afin de maintenir les gaz à une température à très peu près constante pendant l'opération. Le mesureur communique par le bas, au moyen d'un tube en caoutchouc G, avec un flacon F renfermant de l'eau acidulée par de l'acide chlorhydrique pour l'empêcher de dissoudre l'acide carbonique ; il est relié par le haut au moyen de tubulures et de joints en caoutchouc avec un tube horizontal TT, qui le met en communication, d'un côté avec les laboratoires, en ouvrant les robinets a,i,c, et de l'autre par le tube X avec l'atmosphère ou avec l'enceinte renfermant les gaz à analyser, en ouvrant le robinet R. Une tubulure, munie d*un robinet r, fait communiquer avec un soufflet S.
En élevant le flacon F, l'eau monte dans le mesureur et le gaz déplacé est chassé, soit dans un des laboratoires dont le robinet est ouvert, soit à l'extérieur en ouvrant le robinet R. En abaissant le flacon F au contraire, il se produit un vide dans le mesureur et les gaz sont aspirés soit des laboratoires, soit de l'enceinte, suivant les robinets qu'on laisse ouverts ou fermés.
Chaque laboratoire se compose d'un manchon avec deux petites tubulures haut et bas; la tubulure supérieure, munie d'un robinet a, &, ou c, met en communication avec le tube horizontal TT ; la tubulure inférieure plonge dans un flacon M, N ou P, renfermant chacun un réactif particulier et muni d'une ouverture communiquant à l'extérieur par laquelle on fait le remplissage et qu'on peut fermer avec un bouchon en caoutchouc. Dans le flacon M, le réactif est une lessive de soude à Sô*" Baume pour l'absorption de l'acide carbonique; dans le second flacon N, se trouve une dissolution de pyrogallate de potasse pour absorber l'oxygène, et enfin dans le flacon P, une solution de protochlorure de cuivre ammoniacal pour absorber l'oxyde de carbone. Le pyrogallate de potasse et le protochlorure de cuivre ammoniacal absorbant l'oxygène, on les recouvre, dans les flacons, d'une couche de I centimètre d'huile de pétrole pour empêcher le contact de l'air.
Les laboratoires A et B renferment un grand nombre de tubes
Ser. 7
de verre qui sont mouillés par les réactifs, quand ils montent des flacons inférieurs comme nous le verrons, et qui présentent une grande surface aux gaz qui viennent ensuite les remplir par le tube TT. On rend ainsi Tabsorption beaucoup plus rapide.
Dans le laboratoire C se trouve un rouleau de toile de cuivre rouge qui a pour effet, non seulement d'augmenter la surface d'absorption, mais encore, en se dissolvant dans le chlorhydrate d'ammoniaque, de produire du protochlorure de cuivre et de régénérer ce réactif.
Pour faire l'analyse des gaz de la combustion, on opère de la manière suivante.
Remplissage des laboratoires, — On ouvre le robinet R pour mettre en communication avec l'atmosphère, et on élève le flacon F à une hauteur convenable ; l'eau acidulée monte dans le mesureur K et chasse Tair qui s'y trouve. Quand il est plein d'eau, on ferme le robinet R et on ouvre le robinet a (les robinets b et c restent fermés) et on enlève le bouchon du flacon M. En abaissant le flacon F on produit dans le mesureur l'aspiration de Tair du laboratoire A qui se remplit de la lessive de soude contenue dans le flacon inférieur M. On amène le niveau du liquide jusqu'au trait de repère gravé sur le tube étroit qui surmonte le laboratoire ; puis on ferme le robinet a.
On ouvre ensuite le robinet R et en élevant l'aspirateur on remplit de nouveau le mesureur ; puis refermant R et ouvrant b, on retire le bouchon du flacon N et on baisse F ; on aspire ainsi dans le laboratoire B le pyrogallate jusqu'au trait de repère du tube étroit qui le surmonte. On ferme alors le robinet i, et en opérant les mêmes manœuvres pour le laboratoire C, on le remplit de protochlorure de cuivre jusqu'au repère. L'appareil est alors disposé pour l'absorption des gaz.
Prise des gaz à analyser. — On ouvre le robinet R, puis on élève le flacon F de manière à remplir le mesureur K jusqu'au trait supérieur o. On referme R et on établit par le tuyau X la communication avec le carneau de fumée d'où on veut extraire le gaz à analyser.
On ouvre le robinet r et en faisant fonctionner le soufflet on aspire les gaz dans le tube X que Ton purge ainsi de l'air ou des gaz provenant d'une opération précédente. Il faut faire fonctionner le soufflet assez longtemps pour être sûr que la purge est complète, et que le tube X est bien plein de gaz à analyser. On ferme alors r et on ouvre R ; en baissant le flacon F, on aspire les g€LZ qui viennent remplir le mesureur jusqu'à la division loo ; on ferme alors le robinet R.
On a ainsi dans le mesureur loo centimètres cubes de gaz.
Dosage de l'acide carbonique, — On ouvre le robinet a et on élève le flacon F. L'eau chasse les gaz du mesureur dans le laboratoire A au contact des tubes mouillés par la lessive de soude qui descend dans le flacon M. L'acide carbonique est absorbé ; on abaisse le flacon F, les gaz repassent dans le mesureur et le laboratoire A se remplît de lessive ; on ramène celle-ci jusqu'au Irait de repère, puis on ferme le robinet a. On place le flacon F de manière que l'eau y soit au même niveau que dans le mesureur, afin que dans celui-ci le gaz se trouve à la pression atmosphérique. On lit alors le volume occupé et la différence, entre les volumes avant et après l'absorption, d<iiine le volume de gaz acide carbonique retenu par la soude ; il faut faire repasser le gaz plusieurs fois dans le laboratoire, puis le ramener chaque fois dans le mesureur jusqu'à ce que, deux lectures consécutives donnant le même résultat, on soit sûr que l'absorption est complète.
Dosage de r oxygène. — En laissant fermés les robinets a et C et ouvrant le robinet i, on fait passer, en élevant le flacon F, les gaz dans le laboratoire B, au contact de la dissolution de pyrogallate de potasse qui absorbe l'oxygène, et on mesure le volume absorbé en faisant repasser le gaz dans le mesureur, comme nous l'avons indiqué pour le dosage de l'acide carbonique. On s'assure par deux lectures successives concordantes que l'absorption est complète.
Dosage de F oxyde de carbone. — On opère de la même manière pour faire passer les gaz restants dans le troisième laboratoire G où la dissolution de protochlorure du cuivre absorbe l'oxyde de
carbone, qu'on dose par la diminution de volume en faisant repasser dans le mesureur. On s'assure de la même manière de l'absorption complète.
Dosage de l'azote, — Enfm, après les absorptions dans les trois laboratoires, le volume qui reste est celui de Tazote et des autres gaz qui ne pouvaient être retenus par aucun des réactifs. On admet pratiquement que Tazote forme la totalité de ce reste dans l'analyse des gaz de la combustion.
L'appareil Orsat ne saurait donner des résultats d une grande précision, mais, en pratique^ il fournit les indications les plus utiles sur la marche des foyers ; il sert de guide pour le règlement de l'épaisseur du combustible sur la grille, pour la manœuvre du registre de tirage, l'intervalle de temps entre deux chargements, etc. Il devrait, à notre avis, se trouver dans toute grande usine à proximité des fourneaux et c'est pour cela que nous avons cru devoir entrer dans quelques détails sur son fonctionnement.
63. La température produite par la combustion dépend d'un grand nombre d'éléments, de la nature du combustible, de celle du comburant, de leurs proportions relatives, de leurs températures initiales, du milieu où s'opère la combustion, etc.
En général la chaleur M dégagée par un foyer quelconque peut se diviser en deux parties : la chaleur R rayonnée sur les parois de l'enceinte où s'opère la combustion, et qui est absorbée et transmise par ces parois ; la chaleur G employée à élever la température des gaz de la combustion :
La chaleur rayonnée R dépend de la température du foyer, de
iOl
Fig. i3.
la nature et de la température de Tenceinte. Quand au-dessus du foyer se trouve une chaudière renfermant de Teau (fig. i3), les parois sont à une température bien inférieure à celle du foyer, et la chaleur transmise par rayonnement est considérable.
Souvent la valeur de R est supérieure à celle de G; cette valeur dépend de circonstaoces dont nous ne pouvons encore déterminer rinflucnce, mais que nous étudierons plus loin.
Pour le moment nous examinerons le cas le plus simple, celui où le foyer est placé dans une enceinte en maçonnerie (fig. i4), que nous supposerons assez épaisse pour qu'on puisse admettre qu'il ne se perd pas de chaleur à travers ses parois.
Dans ces conditions, la température (les parois est à peu près la même que celle du foyer; il y a rayonnement réciproque à la même température ; les parois rendent ce qu'elles reçoivent, de sorte que la chaleur transmise par rayonnement est nulle :
Il résulte de là que toute la chaleur produite par la combustion est employée à élever la température des gaz qui se dégagent du foyer et qu'on a :
Ile
Fig. 14.
Pour calculer la température du foyer, il suffit donc de déterminer, d'un côté, la quantité de chaleur M fournie par la combustion et, de l'autre, la nature et le poids des gaz produits et qui doivent l'absorber par leur élévation de température. Voici la marche à suivre :
i02 PRODUCTION DE LA CHALEUR.
64. Température quand la chaleur rayonnée est nulle. — Désignons par P le poids de combustible brûlé, par C sa chaleur spécifique et par 0 sa température initiale quand on l'introduit dans le foyer; de même par P' le poids du comburant (oxygène ou air), par C sa chaleur spécifique et par 6' sa température d'arrivée au foyer.
Soit N la puissance calorifique du combustible; si la combustion était complète dans le foyer, la chaleur dégagée serait PN, mais, le plus souvent, une portion des gaz combustibles ne brûle qu'après ou même ne brûle pas du tout, et en désignant par m la fraction réellement brûlée dans le foyer, la chaleur dégagée est seulement mPN.
Si on ajoute à cette quantité la chaleur renfermée dans le combustible à partir de o°, soit PCô et la chaleur renfermée dans le comburant P'C'ô', la chaleur totale fournie au foyer, en comptant à partir de o"", est
M = PCe4-P'C'ô'-hmPN.
C'est cette chaleur qui élève la température des gaz de la combustion au-dessus de o®.
En désignant par p, p\ p" les poids des divers produits de la combustion, par c, c', c" leurs chaleurs spécifiques respectives et par T leur température commune, après la combustion, la chaleur absorbée, en comptant également à partir de o", est :
G={pc'h pc -h p'c) T = TS/;c.
Dans l'hypothèse faite de parois en maçonnerie ne laissant pas perdre de chaleur, on a M = G, et
PC6 -h P'C'e' H- m PN = TS;?c ; par suite
^PCe-hP^CVH-mPN
Telle est la formule générale qui donne la température dans le cas d'un foyer avec parois imperméables à la chaleur.
On voit d'après cette expression que la température de la combustion sera d'autant plus élevée que les températures initiales 6 et 6' le seront elles-mêmes davantage et que le poids H,p des gaz dégagés sera plus faible.
Pour avoir de hautes températures, il y a donc intérêt à chauffer le combustible et le comburant avant leur combinaison, c'est ce qu'on fait dans nombre d'applications industrielles.
Les chaleurs spécifiques des gaz, sauf pour l'hydrogène dont la proportion est toujours assez faible, étant assez pou différente!^ de 0,24, on peut, pour un calcul approximatif, simplifier la formule en prenant la chaleur spécifique moyenne des produits de la combustion. En désignant par A le poids de comburant employé à la combustion de i kilogr. du combustible, le poids total du comburant est P'=:PA, et comme
2;?c=o,24P(A4-i), on trouve, en substituant dans la formule (i) ci-dessus,
^ Ce-hAC'e'-hmN
La température est indépendante du poids de combustible employé.
Si le combustible et le comburant sont pris à la même température 0, et si les chaleurs spécifiques sont égales à 0,24, ce qui est approximativement exact dans nombre de cas, on a simplement
66. Applications. — Appliquons la formule à divers cas particuliers.
Nous supposerons la combustion complète, c'est-à-dire m= i, les températures initiales ô=o et O'=o, la formule (i) se réduit à
Spc se rapportant à i kilogr. du combustible.
Combustion du carbone. N = 8o8o.
Avec l'oxygène pur, 2/70 = 0,793 :
T= :3=rIOI8o^
0,79'^ Avec l'air en volume exact, 2/70=2,971 :
Avec l'air en volume double, S/7c=5,73i :
Combustion de l'hydrogène. N = 29000.
Avec l'oxygène pur :
Avec l'air en volume exact :
Avec l'air en volume double :
Combustion de l'oxyde de carbone. N= 2 4o3. Avec l'oxygène pur :
Avec l'air en volume exact :
T =:—rr-7T7r= 2 979°.
Avec un volume d'air double :
Pour la houille de composition indiquée (eo) et brûlant avec un volume d'air deux fois plus grand que celui qui est stricte-
nient nécessaire, on trouverait en admettant N = 8000 :
En appliquant la formule approximative (2) :
La différence est peu sensible et pratiquement la formule approchée est suffisante.
66. Influence de la dissociation. — Les températures obtenues pour la combustion avec Toxygène pur sont, en réalité, beaucoup plus faibles que celles trouvées par le calcul.
MM. Sainte-Claire Deville et Debray ont employé le chalumeau à gaz oxygène et hydrogène à la fusion du platine ; ils ont déterminé la température en refroidissant dans l'eau la masse fondue et en mesurant la chaleur abandonnée au moyen de la chaleur spécifique donnée par M. Pouillet et de la chaleur latente donnée par M. Person.
Ils en ont déduit la températurede combustion qu'ils ont trouvée égale à aSoo".
D'un autre côté, M. Bunsen, en opérant la combustion au moyen d'un eudiomètre à soupape, a déterminé la température de la combustion à volume constant par l'accroissement de pression, et il a trouvé 2 844* avec un accroissement de pression de 8 à 9 atmosphères. Ces nombres sont bien éloignés de celui de 6*7i3 donné par le calcul.
Il en est de même dans la combustion de l'oxyde de carbone par Toxygène; M. Sainte-Claire Deville a trouvé une température (le 2600 à 2700" à la pression atmosphérique, M. Bunsen 3 000" à 9 ou 10 atmosphères; le calcul indique 7067°.
Le phénomène de la dissociation, découvert par M. Sainte- Claire Deville, explique ce désaccord apparent entre l'expérience et la théorie. Le calcul suppose que la combustion est complète, que 711=1, tandis qu'en fait elle n'est que partielle. A partir
106 PRODUCTIOiN DE LA CHALEUR.
d'une certaine température, correspondant à la tension de dissociation, la combinaison ne se fait plus et la température ne peut s'élever davantage. Dans le mélange gazeux, il reste une certaine quantité d'hydrogène et d'oxygène non combinés qui se comportent comme des gaz inertes. La température plus élevée observée par M. Bunsen s'explique par ce fait que la température de dissociation augmente avec la tension, comme la température de la vapeur saturée avec la pression.
En partant de la température de combustion trouvée par expérience, on peut calculer la proportion de combustible qui ne s'est pas combinée.
Ainsi, pour la combustion de l'hydrogène avec l'oxygène, dans l'expérience de MM. Sainte-Claire Deville et Debray, m désignant la fraction d'hydrogène réellement combinée par i kilo employé, I — m est la fraction non combinée.
D'un autre côté, le poids d'oxygène amené pour la combustion étant 8 kilos par i kilo d'hydrogène, la fraction combinée sera Sm et celle non combinée 8 (i — m).
La chaleur dégagée est 29000 m.
Les gaz de la combustion sont :
La vapeur d'eau dont le poids est 9m. L'hydrogène id. ( i — m).
L'oxygène id. 8(1 — m).
S'il n'y a pas de perte, la chaleur absorbée par ces gaz est égale à la chaleur dégagée ; on a la relation
29000 m = 9m X o,48T4-(i — m)3,4oT4-8(i — m) 0,2182!,
d'où on tire, en prenant T=2 5oo,
Un peu plus de la moitié de l'hydrogène échappe à la combustion.
Dans l'expérience de MM. Sainte-Claire Deville et Debray, on a ainsi :
Vapeur d'eau o,45x9=4So5 Vol. •^^=^''%^49
TEMPÉRATURE DE LÀ COMBUSTION. i07
Oxygène. . . o,55x 8=4.40 Vol. ^4i = ^,077
o 55 Hydrogène. . o,55xi=o,55 Vol. — V^= 6,i45
Poids total =9Soo Vol. total. 14"% 271
La tension de la vapeur d'eau dans le mélange, c'est-à-dire la tension de dissociation, est donc
-^^^ = o'S353 à 2Soo\
On peut de même déterminer quelle est dans Texpérience de M. Bunsen la fraction d'hydrogène réellement combinée.
Le calcul se fait de la même manière, mais avec cette différence essentielle que, le volume ne variant pas, il faut prendre les chaleurs spécifiques à volume constant.
On a ainsi la relation
29ooom=9m-^T4-(i-m)-~-T-h8(i-m) , T,
d'où on tire, en faisant T= 2844 •
Ainsi o,653, soit environ les 5 de l'hydrogène, échappent à la
combustion ; on trouve :
Poids de vapeur. . 0,347X9=3^,128, Vol. à o et 0,76. 3"*,884.
Poids d'oxygène. . 0,653x8=5 ,224, Vol 3 ,653.
Poids d'hydrogène. o,653, Vol 7 ,296.
Le poids total est 9, et le volume total 14,833, à o"" à la pression 0,76.
Le volume d'hydrogène et d'oxygène^ avant la combinaison, était :
La tension devenant y h \sl température 2 844* sans que le volume change, on a, pour déterminer j, la relation
r=^4^-73-(i4-a.2 844)=o,844x 1 1,437 = io**,ii 16,767'
j=io'*,ii; en conséquence la tension de la vapeur dans le mélange est
