Quelques valeurs de PCI et PCS

H2 CH4 C2H6 C3H6 C3H8 C4H8 C4H10 en kJ / mole 238.69 803.98 1441.84 1962.78 2091.80 2635.32 2781.27 283.85 893.49 1578.93 2101.48 2275.66 2821.59 3016.74 PCI - PCS en kJ / Nm3 10656 12672 35892 64368 87624 39888 70488 93816 93384 117648 124164 101592 125964 134676 en kW.h / Nm3 2.96

3.52

9.97

17.88

24.34

11.08

19.58

26.06

25.94

32.68 34.49 28.22

34.99 37.41 Le calcul du PCS à partir du PCI ou inversement se fait facilement à condition de connaître la quantité d'eau produite par la combustion de l'unité de combustible.

PCS = PCI + m Lv m est la masse d'eau produite par la combustion Lv est la chaleur latente de vaporisation de l'eau à 0 °C ( 2495 kJ kg -1 ) Remarque : Pour déterminer les pouvoirs calorifiques d'un mélange hydrocarbure, il faut connaître les pouvoirs calorifiques et proportions de chaque molécule composant le mélange.

Les pouvoirs calorifiques du carbone, de l'hydrogène ne permettent pas d'obtenir un résultat correct, car le craquage de la molécule hydrocarbure d'origine nécessite de l'énergie.

Remarque : Le rapport PCS / PCI vaut environ 1,11 pour les principaux combustibles gazeux (gaz naturel, CH 4 prépondérant) Une combustion réelle ne permet pas de recueillir la totalité du PCI ou du PCS sur le fluide caloporteur.

Pertes par les parois de la chaudière Chaleur sensible du combustible et du comburant Pouvoir calorifique Pertes par les fumées (chaleur sensible et chaleur latente) Energie utile Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 11

Expressions rapportées à une unité de combustible Rendement de combustion : 

C

=

PC pertes fumée PC

(calculés par rapport au PCI ou au PCS) Rendement de chaudière : 

CH

=

PC pertes fumées PC pertes chaudière

Combustions sans condensation Combustions avec condensation On s'intéresse aux rendements par rapport au PCI 

C

=

B A



CH

=

C A

On calculera la puissance absorbée ou puissance au brûleur par A = q combustible x PCI en [kW PCI ] A' = q combustible x PCS On s'intéresse aux rendements par rapport au PCS 

C

= 

CH

=

B A' C A'

en [kW PCS ]

4.3 Pertes sensibles par les fumées

(hors condensation)

P f = V' f x C f x ( Τ f – Τ a ) en [KJ. Nm -3 de combustible ] La capacité calorifique des fumées C f vaut approximativement 1.37 [kJ.Nm

-3 .K

-1 ] 1,38 [kJ.Nm

-3 .K

-1 ] 1.39 [kJ.Nm

-3 .K

-1 ] Cette valeur peut se calculer à partir de la composition exacte des fumées et de leur température.

En pratique cette formulation est peu utilisée car elle nécessite le calcul préalable de Vf ' pour le charbon pour le gaz pour le FOD Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 12

Formule de Siegert :

Calcul des pertes sensibles des fumées en fonction du combustible

(hors condensation)

Solides :

Qs



C

= =

f

⋅ 

T

100

fumées T ambiance

 

CO2 f

⋅ 

T fumées T



CO2 ambiance

 en % du PCI en % par rapport au PCI

Liquides et gazeux :

Qs

= (

T fumées Qs

= 

T fumées T T ambiance

)⋅[

ambiance

⋅[ 21

A

2 γ

O2

+

B

] 

A

1

CO2



B

] en % du PCI 

C

= 100 

T fumées



C

= 100 

T fumées

TF : Température des Fumées en °C TA : Température Ambiante A1, A2 et B : Facteur spécifiques au combustible (cf tab.) 21 : teneur en O 2 de l’air comburant en % γ

O 2

: teneur en O 2 des gaz de combustion en % γ

CO 2

: dioxyde de carbone en % (calculé sur le CO 2max et le O 2 dans les analyseurs électroniques)

T ambiance

⋅[ 21

A

2 

O2



B

]

T ambiance

⋅[

Combustible

fioul domestique Gaz nat.

Gaz liquéfié.

Bois/Coke Briquette Lignite 

A

1

CO2



B

]

A1

0,5 0,37 0,42

A2

0,68 0,66 0,63

B

0,007 0,009 0,008 Houille Gaz de coke Gaz de ville Gaz étalon 0,29 0,35 0,6 0,63 0 0,011 0,011 0 en % par rapport au PCI

f

xxx xxx xxx 0,74 0,75 0,90 0,60 xxx xxx xxx

CO 2max

15,4 11,7 13,9 20,0 19,3 19,2 18,5 xxx 11,6 13,0 En présence de combustion incomplète il faut aussi rajouter les pertes dues à la moindre production de chaleur : Q imbrules = α .

γ γ CO CO + γ CO 2 en % du PCI avec α = 32 pour les gaz, 52 pour les liquides et 69 pour les solides

Formules proposées par GDF

Pour le gaz naturel sans condensation on trouve : η C = 100 (35 λ + 6) θ f θ 1000 a (sur PCI) S'il y a condensation : on obtient η C = 100 (35 λ + 6) θ f θ 1000 a + 6.6

m η C = 100 (35 λ + 6) (sur PCI) pour les gaz de type H θ f θ a + 7.6

m 1000

avec m = masse d'eau condensée en kg par Nm 3 de gaz

(sur PCI) pour les gaz de type L Les analyseurs électroniques de fumées ont en mémoire les différentes formules utiles en fonction des combustibles et donnent directement le rendement en fonction des résultats de l'analyse, Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 13

Les analyseurs travaillent sur les fumées sèches, mais ils calculent la quantité d'eau condensée en fonction de la température des fumées et peuvent ainsi calculer assez correctement le rendement des chaudières à condensation On peut aussi utiliser des abaques ou règles, spécifiques à chaque combustible et permettant de connaître le rendement en fonction des caractéristiques de combustion Le phénomène de condensation se produit lorsque les fumées sont refroidies en dessous d'une limite appelée point de rosée. Le point de rosée des fumées dépend de leur composition, donc du combustible et de l'excès d'air.

Nature des gaz T° de rosée des produits de combustio n Algérie (Fos) (H) e = 0 ( λ = 1) 59,1 Gaz naturels Algérie(Montoir) (H) 59 Norvège (H) Pays Bas (B) 59,1 58,8 GPL Sibérie (H) Egypte (H) Propane comm.

Butane comm.

59,2 59 53,9 53,6 e = 20 % 55,6 55,5 55,6 55,5 55,6 55,5 50,5 48,5 e = 40 % 52,7 52,6 52,7 52,5 52,7 52,6 48 47,5 e = 60 % 50,1 50 50,1 50 50,2 50 45,5 45 Allure type de la courbe de rendement d'une chaudière à condensation en fonction de la température d'eau de retour Rendement sur PCI 108 106 Rendement sur PCS 97,3 104 102 100 95,5 93,7 91,9 90,1 98 96 88,3 86,5 94 20 40 60

température d'entrée d'eau au condenseur

80 84,7 L'augmentation de rendement s'explique par le phénomène de condensation par le refroidissement sensible supplémentaire Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 14

C'est la température la plus basse où la concentration des vapeurs émises est suffisante pour produire une déflagration au contact d'une flamme ou d'un point chaud, cette température est généralement très inférieure à la température d'inflammation

Il ne faut pas confondre

le point d'éclair et la température d'inflammation.

La réglementation distingue quatre classes de combustibles Point d'éclair < 0°C Liquides particulièrement inflammables Point d'éclair entre 0 et 55 °C Point d'éclair entre 55 et 100 °C Point d'éclair > 100 °C Liquides inflammables de première catégorie Liquides inflammables de deuxième catégorie Liquides peu inflammables

Exemples : essence : - 40 °C , Kérosène : >40 °C, g as-oil > 55 °C C'est la température à laquelle doit être porté localement un mélange combustible + comburant pour que la combustion s'amorce et se propage.

Cette température est de l'ordre de 640 °C pour les gaz naturels 600 °C pour un GPL 400 °C pour l'essence 235 °C pour le gas-oil

On amorce donc une combustion avec une flamme (allumette…) ou un arc électrique (

2500 °C environ

) Le gas-oil dans un moteur Diesel s'enflamme spontanément car la compression de l'air enfermé dans le cylindre le porte à une température suffisante au moment de l'injection, le préchauffage de la chambre de combustion n’est nécessaire qu’au démarrage. Dans les moteurs à essence ou à gaz une bougie d’allumage est nécessaire pour générer un arc électrique.

Pour obtenir une flamme : non seulement il faut porter le mélange comburant-combustible au delà de la température d'inflammabilité, mais il faut en plus que les proportions comburant-combustible se situent dans une fourchette qui permette à la combustion de se propager.

Les limites d'inflammabilités des principaux gaz sont données au chapitre

Ces limites évoluent avec la température , exemple pour le méthane : à 0°C : les limites inférieure et supérieure d'inflammabilité sont de à 100°C : à 400°C : " " " " 5,2 et 13,4 % du mélange 4,7 et 13,7 % du mélange 3,1 et 17,3 % du mélange

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Nature des gaz Gaz naturels GPL Algérie (Fos) (H) Algérie(Montoir) (H) Norvège (H) Pays Bas (B) Sibérie (H) Egypte (H) Propane comm.

Butane comm.

En proportion volumétrique du gaz dans le mélange Inférieure % Supérieure % 4,9 4,7 5,2 5,3 14,9 14,6 14,5 16,3 5 4,9 2,4 1,7 15,2 14,9 9,8 9 En fonction du coefficient d'aération l l max 1,91 1,9 1,9 1,89 1,92 1,91 1,75 1,67 l min 0,61 0,59 0,59 0,62 0,63 0,61 0,43 0,42 Une

détonation

est une inflammation très rapide due à une onde de choc

(augmentation brutale de la pression, donc augmentation de la température et combustion)

La vitesse de propagation peut atteindre plusieurs km . s -1 Une

déflagration

est une inflammation qui se propage par échauffement et conduction du mélange combustible, et aussi par diffusion de radicaux libres. La vitesse de déflagration est beaucoup moins rapide, de l'ordre du m . s -1 , elle dépend du combustible et du comburant (O 2 ou air), de leurs proportions, de la température et de la pression .

On évitera donc les combustions détonantes, pour ne s'intéresser qu'aux combustions déflagrantes.

La vitesse de propagation de la flamme (ou vitesse de déflagration) est une donnée importante car elle conditionne les dimensions d'un brûleur en fonction du débit de mélange air/combustible qu'on veut lui faire brûler.

La vitesse de déflagration maximale est obtenue pour les proportions stoechiométriques.

Quelques exemples ( aux CNTP): Vitesse de déflagration Méthane Propane Hydrogène Pour un mélange air-gaz [m . s -1 ] 0,38 0,43 2,5 Pour un mélange oxygène-gaz [m . s -1 ] 3,2 3,6 8,9

Evolution de la vitesse de déflagration avec les proportions du mélange air-gaz Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 16

La vitesse de déflagration évolue aussi en fonction de la température du mélange

V déflagrati on

,

T

1

V déflagrati on

,

T

0 =   

T

1

T

0    m avec m = 1,74 en régime laminaire et m = 1,65 en régime turbulent Pour qu'une flamme soit stable (d'apparence immobile) : il faut que la vitesse de déplacement du mélange combustible – comburant corresponde à la vitesse de déflagration Sur le schéma ci-dessous : on doit avoir Vf = u sin α u α Vf Vf = vitesse de déflagration u = vitesse d'écoulement du mélange

Quelques règles simples : Vitesse de déflagration trop faible par rapport à la vitesse d'écoulement du mélange : décollement de la flamme Vitesse de déflagration trop forte par rapport à la vitesse d'écoulement du mélange : la flamme rentre dans le brûleur Pour une même vitesse de déflagration, sur un brûleur à pré mélange, plus u augmente et plus le cône bleu de la flamme est long.

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5.6 Interchangeabilité des gaz

Un brûleur prévu pour fonctionner avec un gaz donné peut-il fonctionner avec un autre ?

Deux gaz sont dits interchangeables si, sur un brûleur donné ils permettent de maintenir à la fois : La même puissance calorifique La stabilité de la flamme (ni décollement, ni rentrée ) La qualité de combustion (CO en très faible quantité, absences de pointes jaunes sur les flammes, absence de dépôts d'imbrûlés carbonés) Indice de Wobbe (Défini par Wobbe en 1926) W = PCS d avec d : densité par rapport à l'air, W est exprimée dans la même unité qu’un pouvoir calorifique d = ρ gaz / ρ air ( d= ρ gaz /1,293 aux CNTP)

Deux gaz d'indices de Wobbe identiques , traversant le même gicleur, sous la même pression, donnent des flammes de même puissance calorifique.

Lorsque deux gaz ont respectivement des indices de Wobbe W1 et W2, afin de garder la même puissance au brûleur, il faut utiliser l'une des deux relations suivantes : φ 2 = φ 1    W W 2 1 p p 1 2    ou p 2 = p 1    W W 2 1    2    φ φ 1 2    4 Pour les diamètres de gicleurs φ et les pressions effectives d'alimentation p

Diagrammes d'interchangeabilité :

La condition énoncée sur l'indice de Wobbe est nécessaire, mais elle n'est pas suffisante: il faut aussi que les vitesses d'écoulement soient compatibles avec la stabilité de la flamme.

On utilise un autre indice qui s'appelle le potentiel de combustion ( C ) et qui dépend essentiellement des composants du gaz. (Il existe une corrélation entre la vitesse maximale de déflagration et le potentiel de combustion)

C

=

H

2  0,3 CH 4  0,7 CO 

C n



d H m

°

u

On peut tracer un diagramme d'interchangeabilité en coordonnées C, W On peut simplifier l'étude si on compare des gaz de même nature (GPL entre eux ou gaz naturels entre eux) leurs potentiels de combustion sont alors très comparables.

On peut alors se contenter de comparer les indices de Wobbe.

Si on veut échanger des gaz de natures différentes (gaz naturel avec GPL) il faut s'assurer auprès du constructeur de la chaudière que le potentiel de combustion des gaz permet bien une adaptation à la géométrie du brûleur (c'est généralement le cas) Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 18

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Sibérie

Vao Vao PCI

Caractéristique

Pouvoir Calorifique Supérieur (conditions de combustion 0 °C et 1,01325 bar) Indice de Wobbe (conditions de combustion 0 °C et 1,01325 bar) Densité Point de rosée eau Point de rosée hydrocarbures Teneur en soufre total Teneur en soufre mercaptique Teneur en soufre de H2S + COS Teneur en CO2 Teneur en Tétrahydrothiophène (produit odorisant THT) Teneur en O2 Impuretés

Spécification

Gaz de type H (1) : 10,7 à 12,8 kWh/m3(n) (combustion 25°C : 10,67à 12,77) Gaz de type B (1) : 9,5 à 10,5 kWh/m3(n) (combustion 25°C : 9,48 à 10,47) Gaz de type H (1) : 13,64 à 15,7 kWh/m3(n) (combustion 25°C :13,6 à 15,66) Gaz de type B (1) : 12,01(1bis) à 13,0 kWh/m3(n) (combustion 25°C : 11,97 à 12,97) Comprise entre 0,555 et 0,70.

Inférieur à -5°C à la Pression Maximale de Service du réseau en aval du Raccordement .

Inférieur à -2°C de 1 à 70 bar.

Inférieure à 30 mgS/m3(n).

Inférieure à 6 mgS/m³(n).

Inférieure à 5 mgS/m³(n).

Inférieure à 2,5 %(molaire).

Inférieure à 40 mg/m³(n).

Inférieure à 100 ppmv.

Gaz pouvant être transporté, stocké et commercialisé sans subir de traitement supplémentaire à l’entrée du réseau.

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Combustibles liquides, comment déterminer rapidement les valeurs fondamentales : Composant Air théorique Vas [Nm 3 .kg

-1 ] Volume de gaz brûlés [Nm 3 .kg

-1 ] Produits de combustion C en % massique H en % massique S en % massique O en % massique N en % massique H 2 O en % massique Totaux : Vas 8,88 C 26,44 H 3,32 S - 3,33 O Vhs 1,85 C 11,11 H 0,68 S 0,8 N 1,24 H 2 O ( Vss = 1,85.C+0,68.S+0,8.N ) CO2 H2O SO2 N2 H2O

Concentration de CO dans l’air

30ppm 0,0003% 200ppm 400ppm 800ppm 1600ppm 3200ppm 6400ppm 12800ppm 0,02% 0,04% 0,08% 0,16% 0,32% 0,64% 1,28%

Durée d’inhalation et conséquences

Valeur MAK Valeur admise pour les ambiances de travail Légers maux de tête au bout de 2 à 3 heures Mal de tête : frontal après 1 à 2 heures, qui s’étend dans tout le crâne Vertiges, malaise et spasmes après 45 minutes.

Perte de connaissance après 2 heures Maux de tête, malaise, vertiges après 20 minutes.

Mort en l’espace de 2 heures Maux de tête, malaise, vertiges après 5 à 10 minutes.

Mort en l’espace de 30 minutes Maux de tête et vertiges après 1 à 2 minutes.

Mort en l’espace de 10 à 15 minutes Mort en l’espace de 1 à 3 minutes Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 24

La pollution de l'air liée à la combustion de combustibles fossiles ou végétaux peut provenir de plusieurs phénomènes : Combustion complète des composants du combustible, formant des gaz toxiques ou pouvant devenir néfastes pour l'environnement une fois dilués dans l'atmosphère.

Exemple : le soufre contenu dans les combustibles donne du SO 2 , qui associé à l'humidité participe à la formation de "pluies acides" car contenant du H 2 SO 4 Les valeurs limites de S contenus dans les combustibles sont les suivantes : FOD : 0,1 % depuis 2008 , FL1 : 2%, FL2 : 4% , FL2 TBTS : 1% ( en masse ) 150 [mg Nm -3 ] pour les gaz livrés par canalisation, en pratique la teneur est de l'ordre de 10[mg Nm -3 ] GPL : 100[mg Nm -3 ], en pratique la teneur est de l'ordre de 10 à 40[mg Nm -3 ]

Combustion incomplète du carbone conduisant à la formation de CO

Exemple : dans le cas de poêles fonctionnant avec des combustibles solides, le fait de limiter la ventilation des logements ou l'obstruction des conduits de fumées conduit à la formation de CO, souvent impliqué dans des intoxications graves.

Formation de NO x (NO 2 et NO 3 principalement) Le NO X peut provenir de l'azote contenu dans le combustible, et qui s'oxyde en même temps que les autres composants - c'est souvent le cas avec les fiouls. (on parle alors de NOx combustible) Il peut aussi provenir de l'azote de l'air : La température qui règne à l'intérieur de la flamme peut conduire à la combinaison de l'azote de l'air (ou l'azote du combustible) avec l'oxygène de l'air. (on parle alors de NOx thermique) On utilise de plus en plus souvent des brûleurs dits "bas NOx" , la technique principale étant de faire recirculer des gaz brûlés dans la flamme pour en augmenter le débit et ainsi diminuer la température interne de la flamme.

Des réglementations locales peuvent venir durcir les réglementations générales (région parisienne, agglomérations de Lyon, Marseille…) et par exemple interdire tel ou tel combustible lorsque les seuils de pollution de référence sont atteints.

Il est question d’une obligation d’installer des brûleurs « bas Nox » dans ces zones spécifiques.

(Un brûleur bas Nox permet d’assurer un taux en général inférieur à 100 mg/kWh)

Valeurs limites des principaux polluants ( en mg/kWh) et classes correspondantes (normes européennes EN 267, 297, 483, 656)

Classes 1 2 3 4 5

Appareils à combustibles gazeux

Chaudières NOx Bruleurs à air soufflé NOx ≤ 260 ≤ 200 ≤ 150 ≤ 100 ≤ 70 Gaz 1ere famille ≤ 170 ≤ 120 ≤ 80 Gaz 2eme famille ≤ 230 ≤ 180 ≤ 140 NOx ≤ 185 ≤ 120 ≤ 120

Appareils à combustibles liquide

chaudières Bruleurs à air soufflé CO ≤ 110 ≤ 80 ≤ 60 NOx ≤ 250 ≤ 185 ≤ 120 CO ≤ 110 ≤ 110 ≤ 60 Licence professionnelle GMIE IUT / LTR Diderot MARSEILLE UE1 :Thermique F. PAIRE Combustion page 25

Réaction d'oxydation vive, exothermique, se produisant à haute température entre un combustible (oxydé) et un comburant (oxydant) Proportions combustible-comburant minimales et maximales au delà desquelles une combustion ne peut pas de produire (ces limites dépendent de la pression et de la température ambiantes) Température nécessaire en un point quelconque du mélange combustible-comburant pour que la réaction de combustion débute Température minimale du liquide pour que ses vapeurs puissent s’enflammer en présence d’une source de chaleur les amenant à la température d’inflammation.

Réaction qui conduit à l'oxydation maximale du combustible Mélange combustible – comburant en proportions strictement nécessaires et suffisantes pour obtenir une combustion complète Les gaz sont souvent étudiés aux CNTP de manière à avoir une valeur de référence : • Température (0°C) • Pression (pression atmosphérique normale 101325 Pa) Le PCS est la quantité de chaleur libérée par la réaction de combustion d'un hydrocarbure le combustible et le comburant sont pris aux CNTP les produits de combustion sont ramenés à ces mêmes conditions. Lors du refroidissement des produits de combustion la totalité de l'eau produite est supposée s'être condensée. La chaleur latente de l'eau contenue dans les fumées est donc récupérée.

i.

Pouvoir calorifique inférieur d'un combustible

Le PCI est défini de la même manière que le PCS, mais on considère alors que l'eau contenue dans les fumées reste sous forme de vapeur Le PCI et le PCS sont identiques pour des combustibles ne contenant pas d'hydrogène.

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