CHAPITRE PREMIER

er

5. Le moyen le plus employé pour produire de la chaleur est la combustioriy c^est-à-dire la combinaison chimique d'un corps appelé combustible avec un autre qu'on désigne sous le nom de comburant.

A un point de vue général, tout corps qui, en s'unissant à un autre, dégage de la chaleur, peut être classé dans les combustibles, mais le plus souvent, le combustible est un composé de carbone et d'hydrogène, unis ou mélangés à d'autres éléments ; le comburant est Toxygène puisé presque toujours dans la masse atmosphérique.

A un point de vue pratique, le nombre des combustibles est considérablement réduit par cette condition qu'on doit les trouver en abondance dans la nature, ou les fabriquer facilement afin de les avoir à bon marché.

Les combustibles qui satisfont à cette condition sont : le bois, la houille, la tourbe, le charbon de bois, le coke, exceptionnellement les huiles, le gaz de l'éclairage et quelques autres. Nous verrons plus loin les propriétés de chacun d'eux.

Considérés sous le rapport de leur état physique, les combustibles peuvent être classés en combustibles gazeux, liquides ou

solides. Nous allons étudier successivement les phénomènes qui accompagnent leur combustion sous ces différents états.

6. Combustion des gaz. — Lorsqu'un gaz combustible, tel que le gaz de Téclairage, s'échappe dans Tair par un orifice et qu'on approche du jet un corps enflammé, on détermine immédiatement la combustion. Les hydrogènes carbonés du gaz se combinent avec Toxygène de Tair, et cette' combinaison se manifeste aux yeux (fig. i) par la production de la flamme.

Si on examine attentivement une flamme, on peut y distinguer trois parties.

Au centre et à la sortie de Torifice, une partie bleue plus ou moins foncée, plus ou moins développée suivant la nature et la vitesse du gaz; elle est constituée par le gaz lui-même non altéré avant qu'il ait reçu le contact de l'air. Si on plonge dans cette partie l'extrémité d'un tube incliné, on peut enflammer le gaz qui s'échappe à l'autre extrémité.

La seconde partie de la flamme qui entoure la première, est celle où commence la combustion. C'est la partie la plus éclairante. L'éclat d'une flamme dépend de la nature du gaz et de la manière dont la combustion s'opère. La flamme de l'hydrogène pur a fort peu d'éclat, tandis que celle des hydrogènes carbonés est beaucoup plus éclairante. Cette différence tient à ce que, sous la première action de la chaleur, les hydrogènes carbonés se décomposent; le carbone, avant la combustion complète, reste en suspension à l'état solide et incandescent dans la flamme et envoie des rayons lumineux dans tous les sens. Dans la combustion de l'hydrogène, la flamme ne renferme aucun corps solide et rayonne peu, mais elle devient très éclairante si on maintient au milieu un corps infusible comme la chaux, qui, porté à une haute température, rayonne fortement dans l'espace. C'est la lumière Drummond.

Dans la troisième partie de la flamme, la combustion se con-

Fig. 1.

linue ; elle est beaucoup moins éclairante parce qu'il y a peu ou point de carbone en suspension.

En analysant les gaz qui se trouvent à différentes hauteurs, dans une flamme de gaz d'éclairage, on a reconnu que les proportions de vapeur d'eau, d'acide carbonique et d'azote allaient en augmentant, à mesure qu'on s'éloignait de Torifice de sortie, tandis que celles de l'hydrogène et des hydrogènes carbonés allaient en diminuant. La proportion d'oxyde de carbone a été trouvée à peu près constante, dans toute la hauteur de la flamme.

L'étendue d'une flamme dépend, toutes choses égales d'ailleurs, des vitesses relatives de l'air et du gaz combustible. Ainsi, avec un bec de gaz muni d'une cheminée en verre et alimenté d'air au moyen d'orifices percés dans lé support, si on ferme peu à peu ces orifices, on diminue la vitesse de l'air, la flamme s'allonge de plus en plus; son pouvoir éclairant peut augmenter d'abord, mais il arrive un moment où elle s'obscurcit et où il se produit de la fumée ; la flamme file. A ce moment, la vitesse de l*air est trop faible et le volume d'air admis insuffisant pour la combustion complète du carbone, qui se précipite à l'état de noir de fumée.

Si, au contraire, on accroît la vitesse de l'air, en augmentant par exemple la hauteur de la cheminée au moyen d'un cylindre en papier, on voit l'étendue de la flamme se réduire, son éclat augmenter, mais son pouvoir éclairant diminuer en même temps que sa surface, et si la vitesse de l'air devient trop forte, on arrive à l'extinction de la flamme par suite du grand refroidissement. C'est ce qui a lieu lorsqu'on souffle une bougie.

Les phénomènes inverses se produisent si, au lieu de faire varier la vitesse de l'air, on fait varier celle du gaz.

7. 11 est évident que pour dégager d'un combustible le maximum de chaleur, il faut avant tout que la combustion soit complète, ce qui n'est pas aussi facile à réaliser qu'on pourrait le croire au premier abord; il est indispensable de remplir pour cela certaines conditions qu'il suffit d'énoncer pour en com«

prendre la nécessité, mais qui cependant sont trop souvent négligées dans les foyers industriels.

La première condition est de fournir le volume d'air nécessaire à la combinaison complète. Ce volume dépend de la nature du combustible et nous verrons plus loin le moyen de le déterminer d'aprèsla composition de chacun d'eux. Pour l'introduire sur le combustible il faut ménager, dans les proportions convenables, les orifices d'accès et les moyens de tirage ou d'insufflation.

Une seconde condition est d'assurer le mélange intime des gaz combustibles et comburants. Pour que la combustion s'effectue, les molécules d'oxygène doivent nécessairement venir au contact de celles d'hydrogène et de carbone. Dans beaucoup de foyers, ce contact est imparfait et l'on constate dans les veines gazeuses, après l'extinction de la flamme, la présence simultanée de l'oxygène et des gaz combustibles. La proportion ' d'oxygène a pu être suffisante, mais le mélange ne s'étant pas fait, la combustion est restée incomplète.

Un moyen de faciliter ce mélange et ce contact consiste à diviser le combustible en fragments peu volumineux quand il est solide, ou en jets de faible épaisseur quand il est liquide ou gazeux. On conçoit que l'air, divisé lui-même en un grand nombre de jets, viendra d'autant plus facilement au contact de toutes les molécules combustibles que ces jets seront plus minces. Pour assurer le mélange, il convient, en outre, de produire dans le courant de flamme des tourbillons et des remous qui, en brassant les gaz combustibles et comburants, amènent les molécules au contact. Nous verrons dans l'étude des foyers les dispositions qu'on a imaginées pour cela.

Enfin la troisième condition pour une bonne combustion consiste à maintenir dans le milieu où elle s'opère une température assez élevée. Si elle s'abaisse trop, par le voisinage ou le contact de corps refroidissants, la combustion s'arrête.

Ce fait est facile à constater en plongeant dans une flamme d'hydrocarbure un corps froid quelconque, il se produit immédiatement un dépôt de noir de fumée qui disparait si on laisse

au corps le temps de s'échauffer et d'acquérir la température à laquelle la combustion peut s'effectuer.

Une température trop élevée produirait la dissociation et empêcherait par conséquent la combustion complète, mais dans les foyers industriels, on est loin d'arriver à cette limite.

8. Les becs employés dans l'éclairage au gaz sont tous disposés pour effectuer la combustion en jets ou en lames minces.

On se sert de plusieurs espèces dont les principales sont :

Le bec papHion, dans lequel le gaz s'échappe par une fente très mince.

Le bec Manchester, dans lequel deux jets obliques viennent se briser l'un contre l'autre pour s'épanouir au contact de Tair.

Les becs à Irons composés d'une couronne annulaire percée d'un très grand nombre de petits trous par lesquels le gaz s'écoule sous la forme cylindrique, de sorte qu'il est en contact avec Tair par ses surfaces intérieure et extérieure comme dans la lampe d'Argand.

On arrive ainsi, par cette division des jets, à un mélange intime et à une combustion à peu près complète.

L'épaisseur du jet qui donne la combustion sans fumée n'a du reste rien d'absolu. Pour un bec papillon, par exemple, on peut la maintenir en faisant varier la largeur de la fente, depuis un dixième de millimètre jusqu'à un millimètre. Dans les foyers industriels la combustion s'opère avec des épaisseurs beaucoup plus grandes, mais on a le plus souvent de la fumée. Tant que la combustion est complète, la chaleur dégagée est toujours la même, quelle que soit l'épaisseur du jet; mais il n'en est pas de même du pouvoir éclairant ni de la longueur de la flamme.

Quand le jet de gaz est très mince, la combustion est très rapide, parce que le gaz et Tair se mélangent immédiatement. La flamme est courte et peu éclairante, mais la température est très élevée et très localisée.

Si le jet de gaz a plus d'épaisseur, la partie centrale est d'abord à Tabri de l'action directe de l'air, la flamme s'allonge, la

combustion se répartit sur un espace plus grand. Les carbures d'hydrogène décomposés forment au centre un dépôt de charbon qui, porté au rouge, produit la lumière. Le pouvoir éclairant augmente avec la dimension de la flamme, mais si le jet devient trop épais, la combustion est inco mplète et la flamme fumeuse. Il y a donc une épaisseur qui donne le maximum de pouvoir éclairant et que Texpérience a déterminée pour les difl'érents becs.

Avec les becs papillon, en faisant varier la largeur de la fente o"", I à o°'°*,7, la même dépense de gaz donne une quantité de lumière qui varie de un à quatre. La largeur de fente de o""*,6 à o"°,7 donne le maximum de pouvoir éclairant; avec une consommation de gaz de 127 litres à Theure, on obtient la lumière d'une lampe Carcel brûlant 42 grammes.

Dans les foyers industriels à gaz, des phénomènes analogues se produisent. Pour obtenir la combustion complète, il faut diviser le gaz combustible en jets ou en lames minces. Au delà d'une certaine épaisseur, l'air ne peut parvenir jusqu'au centre, et la combustion ne se fait pas; mais de même que pour les becs d'éclairage, l'épaisseur du jet n'a rien d'absolu^ et la combustion peut rester complète pour des épaisseurs variant dans le rapport de i à lo. C'est en réglant cette épaisseur qu'on obtient à volonté des flammes courtes ou longues. Si on veut localiser la température et avoir une flamme de dimensions réduites, il faut faire arriver le gaz en jets ou en lames très minces entourées d'air. La combustion s'effectue alors dans un petit espace où règne une température très élevée.

Si, au contraire, on veut avoir une flamme longue et répartir la température sur une plus grande étendue, comme pour le chauffage de certains fours, il faut augmenter l'épaisseur des jets, la flamme s'allonge, parce qu'il faut du temps pour que la combustion se propage jusqu'au centre du jet, et la température est moins élevée, puisqu'elle se répartit sur une plus grande surface.

Quand on mélange l'air et le gaz combustible avant de les enflammer, la combustion complète se fait encore plus facile-

ment el plus rapidement, maïs la flamme est courte, bleue et peu lumineuse, parce qu'il n'y a pas de dépôt de charbon incandescent au milieu. Le pouvoir éclairant diminue très rapidement avec la proportion d'air introduit.

Avec 6 p. loo d'air, l'intensité est réduite à o,56. Avec 5o p. loo d'air, le pouvoir éclairant est nul. Le gaz mélangé d'air brûle avec une flamme bleue très chaude qui ne s'éteint plus au contact des corps froids, ce qui permet de placer directement au-dessus les corps à chaufler sans avoir un dépôt de charbon.

Les brûleurs de gaz destinés au chauflage, pour lesquels on n'a pas à se préoccuper du pouvoir éclairant, sont disposés avec introduction préalable de l'air. Les figures 2 et 3 représentent le brûleur de Bunsen. C'est un bec entouré d'un cylindre en cuivre, percé vers le bas de deux orifices par lesqueh l'air s'introduit et se mélange au gaz, et le tout vient brûler au haut du cylindre. Au moyen d'un autre cylindre concentrique, percé dans le

bas de deux orifices semblables, .et mobile autour du premier à frottement doux, on peut à volonté permettre ou arrêter l'accès de l'air en faisant ou non coïncider les deux orifices. Quand Tair arrive librement (fig. 3), le mélange du combustible et de l'air se fait dans le cvlindre avant la combustion, et la flamme au sommet est courte, bleue, non éclairante. On peut y placer un corps froid sans déterminer un dépôt de noir de fumée. Elle est très chaude et bonne pour le chaufl'age.

Fig. a et 3.

La figure à représente la position du cylindre mobile el des orifices correspondants au moment où, par la rotation du cylindre, la communication avec Tair extérieur va se fermer. Quand Taccës de Tair est supprimé, la flamme devient longue, molle, jaunâtre, et un corps froid placé au milieu se recouvre de noir de fumée. Sous un vase plein d'eau, on aurait une très mauvaise combustion.

9. Combustion des liquides. — La plupart des considérations que nous venons de développer au sujet de la combustion des gaz s'appliquent à la combustion des liquides. Les conditions d'une bonne combustion sont les mêmes. Elles sont plus difficiles à réaliser parce que les liquides se prêtent, moins bien que les gaz, à la division en jets ou en lames minces.

Les lampes à huile fournissent un exemple de la combustion des liquides. La division du liquide dans ces appareils s'obtient, comme on sait, au moyen des mèches de coton dans lesquelles le liquide monte par capillarité et se trouve ainsi exposé sur une grande surface et sur une faible épaisseur au contact de l'air. Il brûle alors comme un gaz en donnant naissance à une flamme de constitution analogue. De même que pour les gaz, si la masse en combustion est trop épaisse, si la mèche est d'un fort diamètre, la combustion est incomplète et la flamme fumeuse. Aussi convient-il d'employer des mèches plates, ou mieux des mèches annulaires suivant la disposition imaginée par Ârgand. L'air afflue sur les contours intérieur et extérieur, pénètre facilement jusqu'au milieu de la masse en ignition pour produire la combustion complète.

Dans les foyers industriels à liquide, on a cherché à réaliser autant que possible ces conditions. Nous verrons plusieurs exemples des dispositions adoptées.

10. Combustion des solides. — La combustion des solides est soumise aux mêmes lois que celle des liquides et des gaz, mais les circonstances de la combustion varient suivant la nature du solide.

Si le solide se liquéfie sous Taction delà chaleur, comme dans le cas de la bougie et du suif, on peut le brûler à Taide d'une mèche. La chaleur rayonnante de la flamme suffit pour faire fondre la matière, qui monte alors par capillarité dans la mèche et brûle comme un liquide.

Le plus souvent, les combustibles solides, la houille, le bois par exemple, laissent dégager, sous Faction de la chaleur, des gaz qui brûlent en produisant une flamme. Quand le dégagement du gaz est terminé, il reste un résidu solide qui continue à se consumer, mais plus lentement et sans flamme. Le bois et la houille produisent ainsi le charbon de bois et le coke.

La difficulté pour les solides, encore plus que pour les gaz, est de faire arriver Tair dans toutes les parties de la masse. On y parvient en répandant le combustible, divisé en fragments peu volumineux, sur une grille, formée de barreaux laissant entre eux des intervalles assez grands pour Taccès de Tair, mais trop petits pour laisser passer les morceaux de combustible. L'air peut ainsi affluer à peu près également dans tous les points de la masse eu combustion. On prend, en outre, des dispositions pour assurer le mélange des gaz combustibles et de Tair et aussi pour éviter un trop grand refroidissement. Nous étudierons plus loin en détail, les nombreuses formes de foyers usités dans Tindustric.

1 1 . Conditions générales d'une bonne combustion. —

En résumé, les conditions nécessaires pour obtenir une bonne combustion sont les mêmes pour tous les combustibles, sous quelque état qu'ils se présentent, gazeux, liquide ou solide. Elles sont au nombre de trois :

1* Faire affluer sur le combustible Tair en proportion convenable. S'il est insuffisant, la combustion est forcément incomplète ; s'il est en excès, la température s'abaisse ; mais comme il importe avant tout de rendre la combustion aussi complète que possible, il vaut mieux que le volume d'air soit en excès qu^insuffisant ;

2* Produire le mélange de Vair et des gaz combustibles par

Sbr. 2

des dispositions appropriées afin d'amener le contact nécessaire à la combinaison ;

3** Maintenir une température assez élevée dans le milieu où s'opère la combustion. Un trop grand refroidissement empêche la combinaison ; une température trop élevée pourrait produire la dissociation, mais cet excès n'est pas à craindre dans les foyers industriels.

Il suffit d'énoncer ces conditions pour comprendre qu'elles sont indispensables, et cependant il est bien peu de foyers industriels où elles soient complètement réalisées. Trop souvent une ou plusieurs d'entre elles sont négligées, et la combustion laisse à désirer ; une partie de la chaleur n'est pas dégagée et la perte peut être quelquefois très importante.

Une bonne combustion étant la première condition de la bonne utilisation d'un combustible, il faut mettre tous ses soins à l'obtenir par une disposition bien entendue des foyers.