# Thermodynamique appliquée/Combustion et chambre à combustion

La combustion est le phénomène physico-chimique où se produit une flamme lors de la réaction exothermique qui se produit entre un combustible et un comburant. L'étude de la combustion est du domaine de la cinétique chimique et nous allons étudier ici dans ce chapitre, après quelques rappels de cinétique, que les aspects thermiques qui vont servir dans des processus de thermodynamique appliquée.

## Caractéristiques de la combustion

Quand elle est amorcée, la flamme peut évoluer avec une vitesse de propagation faible (combustion d'une buche dans la cheminée) ou bien évoluer très vite et on a alors une détonation. La conséquence de cette détonation sera une explosion qui peut être très dangereuse (coup de grisou dans les mines).
Le comburant est un oxydant et c’est souvent de l'oxygène de l'air (dioxygène O$_2$) mais ce peut être aussi par exemple du chlore Cl$_2$

## Mécanisme de la combustion

La combustion possédant une réaction exothermique d'oxydoréduction, se fait souvent par un mécanisme de réactions en chaîne où les centres actifs sont des radicaux ou bien parfois des espèces énergétiquement actives.
Les combustions se font avec un très grand nombre de réactions élémentaires ( notées avec le signe → ) qui vont donner un bilan de réaction ( noté avec le signe = ).
Le mécanisme de combustion le plus simple est la combustion du gaz hydrogène (dihydrogène H$_2$) avec le gaz oxygène (dioxygène O$_2$):
       amorçage ou initiation (un processus va créer des atomes H , c’est par exemple une étincelle électrique)
                   H-H + étincelle → H + H
       branchement et propagation de la combustion (réactions en chaînes ramifiées)
                   H + O$_2$ → HO + O
                   O + H$_2$ → HO + H
                   HO + H$_2$ → H$_2$O + H
       rupture de chaîne
                   H + HO → H$_2$O
       bilan
                   H$_2$ + (1/2) O$_2$ = H$_2$O

## Combustion des hydrocarbures

Les hydrocarbures en présence de dioxygène (O$_2$) donnent du dioxyde de carbone (CO$_2$) et de l'eau (H$_2$O).
Le bilan de la réaction chimique de combustion des alcanes par le dioxygène est :
                   C$_n$H$_{2n+2}$ + (3n+1)/2 O$_2$ = n ${\ce {CO2}}$ + (n+1) H$_2$O
Rappelons qu'en cinétique chimique le bilan ( noté avec le signe = ) correspond à une suite d'étapes élémentaires ( notées par → )
Par exemple pour le méthane le bilan sera:
                   CH$_4$ + 2 O$_2$ = ${\ce {CO2}}$ + 2 H$_2$O

## Combustion dans l'air

La combustion des hydrocarbures se fait souvent avec un excès d'air. Si la combustion se fait avec un défaut d'air, on aura alors la formation de monoxyde de carbone CO qui est un polluant très dangereux. La présence d' azote dans l' air (environ 80%) conduit aussi à la formation de polluants comme les oxydes d'azote NO$_x$. Si le combustible contient des impuretés (par exemple du soufre dans le gazole), on aura alors production d'oxydes de soufre SO$_x$ qui peuvent donner ensuite des acides.

### Types de combustion dans l'air

* La "combustion stœchiométrique" ou "combustion neutre" qui est la référence : il n'y a ni excès ni défaut d'air et il n'y a théoriquement pas d'oxygène résiduel dans les fumées.
* La "combustion complète par excès d'air" ou "combustion oxydante": on évite ici la formation de CO et de particules solides. C'est l'objectif à atteindre dans les chaudières.
* La "combustion incomplète avec excès d'air" ou "combustion semi-oxydante"
* La "combustion en défaut d'air" ou "combustion semi-réductrice"
Les deux dernières combustion sont à proscrire car elles sont dangereuses pour la santé et posent des problèmes de sécurité (production de CO (imbrûlés gazeux) et de (imbrûlés solides) ).
L'excès d'air est exprimé par le facteur d'air ( λ ). Il est égal à 1 pour la combustion stœchiométrique. Pour les chaudières de petite puissance, il sera de 1,2 à 1,25 ( soit un excès d'air de 20 à 25% ). Un trop faible excès d'air peut souvent mener à une combustion incomplète, des fumées noires ainsi qu'un étouffement du four. Un trop large excès d'air conduit principalement à une perte de rendement importante.
C'est la quantité d'air nécessaire à la combustion d'une unité de combustible. Par exemple pour une combustion neutre d' 1 m$^3$ de gaz naturel ou d'un litre de fioul, il faudra 10 m$^3$ d'air et en pratique il faudra 12 m$^3$ d'air (10 m$^3$ + 20% d'excès d'air). Le pouvoir comburivore est en kg d'air par kg de combustible (pour les solides) ou en Nm$^3$ d'air par Nm$^3$ de combustible gazeux ( N veut dire dans les conditions normales i.e. 1 atm et 0 °C ).
C'est la quantité de fumées produites par la combustion à l'air d'une quantité de combustible. Ce pouvoir est en kg de fumées par kg de combustible ou en Nm$^3$ de fumées par Nm$^3$ de combustible La combustion stœchiométrique (idéale ou neutre) d'un m$^3$ de gaz naturel donnera 1 m$^3$ de ${\ce {CO2}}$ + 2 m$^3$ de vapeur d'eau + 8 volumes d'azote.
diagrammes de combustion (diagramme d'Ostwald, de Biard et droite de Grebel)
    On trace le taux de ${\ce {CO2}}$ en fonction du taux d'oxygène dans les fumées sèches pour obtenir un diagramme de combustion.
    La ligne qui joint le maximum d'oxygène dans l'air et le ${\ce {CO2}}$ maximum du point stœchiométrique est appelée “ droite de Combustion complète par excès d'air “ ou droite de GREBEL.
Pour une combustion où λ est l'excès d'air, on a:
          α C dans le combustible + ( (3α+1)/2 + (λ - 1) ) O$_2$ + β N$_2$ = α ${\ce {CO2}}$ + (α + 1) H$_2$O (vapeur) + (λ - 1) O$_2$ + β N$_2$
La combustion neutre correspond à λ = 1 et on a alors le taux maximum de ${\ce {CO2}}$ dans les fumées. Si l'excès d'air tend vers l'infini, on aura α << λ et la fumée sèche (i.e. après condensation de la vapeur d'eau) sera constituée uniquement par de l'air où %O$_2$ = 20,9 %.
Sur la figure, la droite de Grebel (A-B) est tracée pour le gaz naturel. Le point C est le % ${\ce {CO2}}$ max pour le fioul. Dans le cas du fioul, la droite de Grebel serait C-B.
Le triangle jaune correspond au domaine de la combustion (semi-oxydante, semi-réductrice). La combustion réductrice se fait à gauche de l'axe y.

### Combustion à haute température

À haute température, on a un équilibre chimique qui se fait entre H$_2$O (vapeur) et le monoxyde de carbone CO. Il faut tenir compte de cet équilibre pour établir le diagramme qui est alors appelé diagramme de Biard.

## Énergie dégagée et pouvoir calorifique

La quantité d’énergie produite par la combustion est exprimée en joules (J) ; il s'agit de l'enthalpie de réaction. Le pouvoir calorifique est l'enthalpie de réaction par unité de masse de combustible ou l'énergie obtenue par la combustion d'un kilogramme de combustible, exprimée en général en kilojoule par kilogramme (noté kJ/kg ou kJ·kg$^{-1}$).
Les combustions d'hydrocarbures dégagent de l'eau sous forme de vapeur qui contient une grande quantité d'énergie récupérable lors de la condensation. Ceci est donc pris en compte de manière spécifique pour l'évaluation du pouvoir calorifique. On définit donc :
* le pouvoir calorifique supérieur (PCS) : c’est la quantité d'énergie dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée condensée et la chaleur récupérée;
* le pouvoir calorifique inférieur (PCI) : c’est la quantité de chaleur dégagée par la combustion complète d'une unité de combustible, la vapeur d'eau étant supposée non condensée et la chaleur non récupérée.
La différence entre le PCI et le PCS est donné par la relation
                   $PCS=PCI+m.L_{v}$
où L$_v$ est la chaleur latente de vaporisation de l’eau qui vaut à peu-près 2 250 kJ·kg$^{-1}$ (cette dernière valeur dépend de la pression et de la température) et m est la quantité de vapeur produite en kg.

## Aérothermochimie

L' aérothermochimie combine 3 disciplines: l'aérodynamique, la thermodynamique et la chimie pour étudier les écoulements lors de la combustion que ce soit pour une déflagration (vitesse des gaz de l’ordre du mètre par seconde) ou une détonation (vitesse des gaz de l’ordre du plusieurs milliers de mètres par seconde).
Ces écoulements vont intervenir par exemple dans des applications comme la propulsion des fusées, la pénétration des navettes dans l'atmosphère, les écoulements hypersoniques, ...

### front de flamme

Le front de flamme est une fine zone dans laquelle se déroule la combustion ; elle sépare le milieu contenant le combustible et le milieu contenant les produits issus de la combustion (ainsi que le comburant dans le cas d’une flamme de diffusion). La combustion est issue d'une étude du domaine de la cinétique chimique.
Dans le cas d'un écoulement turbulent, les turbulences vont déformer le front de flamme. En particulier, les tourbillons (ou vortex) créés par un obstacle vont déformer le front en le traversant, donnant naissance à un front « plissé ». Le plissement augmente la surface du front de flamme et cela se traduit par une augmentation de la puissance thermique.
Pour avoir une chaudière plus petite, on a donc intérêt à avoir un écoulement le plus turbulent possible, afin d’avoir la plus grande surface de front de flamme pour un volume donné. Ceci permet d'augmenter le rapport puissance/volume qui est très important dans l'aéronautique.
Les turbulences sont créées par le frottement du gaz sur les parois et les obstacles lorsque la vitesse est élevée. L'augmentation du débit nous donne donc une augmentation de la puissance.

## Chambre à combustion

Une chambre à combustion est un système thermodynamique ouvert où l’on introduit un combustible et de l'air. La combustion produit une puissance-chaleur Q qui va être transférée par conduction, convection et rayonnement. Cette chambre est conçue pour obtenir un travail à partir des gaz issus de la combustion.