Lernzettel: Étude de la combustion

📋 Plan du Cours

1. Fondements de la combustion
2. Éléments chimiques combustibles
3. Hydrocarbures et molécules
4. Réactions d’oxydation
5. Combustion du méthane
6. Types de combustion
7. Contrôle et rendement
8. Bilan thermique et températures

📖 1. Fondements de la combustion

🔑 Notions clés & Définitions

• Combustion : Réaction chimique d’oxydation qui dégage de la chaleur, donc une réaction exothermique.

📝 Points essentiels

📌 La combustion nécessite simultanément un combustible, un comburant et une énergie d’activation.

• Lors d’une combustion, l’élévation de température fait passer le combustible solide, liquide ou gazeux à l’état gazeux, car seuls les gaz brûlent.

💡 Astuce mémo

Le triangle du feu : combustible, comburant, activation

📖 2. Éléments chimiques combustibles

★ À maîtriser

• La molécule d’oxygène est O2 et l’oxygène est l’ingrédient actif de l’air.

• L’air est composé de 20,8 % d’oxygène, de 78,2 % d’azote et d’environ 1 % de gaz rares.

Compléments

• L’eau a pour formule H2O, elle est solide en dessous de 0 °C et gazeuse au-dessus de 100 °C.

• Le dioxyde de carbone, ou gaz carbonique, a pour formule CO2 et est un gaz inodore et incolore.

📖 3. Hydrocarbures et molécules

🔑 Notions clés & Définitions

• Hydrocarbures saturés : Hydrocarbures à molécules saturées, appelés alcanes, possédant un nombre d’atomes d’hydrogène égal à deux fois celui du carbone plus deux, soit $C_nH_{2n+2}$.
• Hydrocarbures non saturés : Hydrocarbures à molécules non saturées, appelés alcènes, possédant un nombre d’atomes d’hydrogène inférieur à deux fois celui du carbone plus deux, soit $C_nH_m$ avec $m<2n+2$.

★ À maîtriser

• Les hydrocarbures gazeux saturés cités sont:
  • le méthane CH4
  • l’éthane C2H6
  • le propane C3H8
  • le butane C4H10

Compléments

• Les hydrocarbures liquides cités comprennent:
  • l’hexane C6H14
  • l’heptane C7H16
  • l’octane C8H18
  • le cétane C21H44
  • le benzène C6H6
  • le toluène C7H8

💡 Astuce mémo

Saturé : maximum d’hydrogène ; non saturé : moins d’hydrogène

📖 4. Réactions d’oxydation

🔑 Notions clés & Définitions

• Réaction chimique : Une réaction chimique se produit lorsque des atomes se dissocient de leurs molécules d’origine pour se regrouper en molécules différentes.
• Oxydation : Réaction chimique au cours de laquelle un élément se combine à l’oxygène en dégageant de l’énergie, notamment de la chaleur.

★ À maîtriser

📌 Dans la combustion d’un hydrocarbure, le carbone et l’hydrogène réagissent avec l’oxygène de l’air, tandis que l’azote ne participe pas à la combustion.

Compléments

📐 Formule — Les réactions élémentaires sont $C+O_2\rightarrow CO_2$ pour le carbone et $H_2+\frac{1}{2}O_2\rightarrow H_2O$ pour l’hydrogène.

💡 Astuce mémo

Combinaison avec l’oxygène → dégagement de chaleur

📖 5. Combustion du méthane

★ À maîtriser

📐 Formule — La combustion d’une molécule de méthane s’écrit $CH_4+2O_2\rightarrow CO_2+2H_2O$.

• La combustion d’un mètre cube de méthane nécessite 2 m3 d’oxygène et produit 1 m3 de dioxyde de carbone, 2 m3 de vapeur d’eau et 8 m3 d’azote.

Compléments

• Comme l’oxygène représente environ 20 % du volume de l’air, la combustion d’un volume de méthane nécessite environ 10 volumes d’air.

📖 6. Types de combustion

🔑 Notions clés & Définitions

• Combustion stœchiométrique : Combustion complète, idéale et neutre utilisant le nombre exact d’éléments nécessaires à la réaction.

★ À maîtriser

• Une combustion complète réductrice se produit lorsque l’oxygène manque, ce qui forme notamment du monoxyde de carbone et du carbone libre.

• Le monoxyde de carbone CO est un gaz toxique et explosif, tandis que le carbone libre C se dépose sous forme de suies et provoque l’encrassement.

📌 La combustion complète oxydante utilise une quantité d’air légèrement supérieure à la quantité neutre afin d’oxyder toutes les particules de carbone et d’hydrogène.

Compléments

📌 Une combustion incomplète oxydante résulte d’un mauvais mélange ou d’une vitesse excessive malgré un excès d’air, tandis qu’une combustion incomplète réductrice résulte d’un manque d’air.

💡 Astuce mémo

Défaut d’air, excès d’air ou mauvais mélange déterminent le résultat

📖 7. Contrôle et rendement

📝 Points essentiels

📌 La combustion complète oxydante est la seule combustion envisageable, car les combustions réductrices et incomplètes présentent des risques pour la sécurité des personnes.

• Un excès d’air trop important absorbe une partie de la chaleur, augmente le volume des produits de combustion et entraîne des fumées trop chaudes dans la cheminée, ce qui diminue le rendement.

• Le contrôle de la combustion consiste à analyser les fumées afin de déterminer les proportions de CO2, d’O2 et de CO.

💡 Astuce mémo

Excès d’air excessif → refroidissement, fumées chaudes et baisse du rendement

📖 8. Bilan thermique et températures

🔑 Notions clés & Définitions

• Pouvoir calorifique : Quantité de chaleur dégagée par la combustion complète de l’unité de quantité d’un combustible, à 1013 mbar, avec combustible, comburant et produits ramenés à 0 °C.

★ À maîtriser

📌 Le PCS correspond à une eau de combustion ramenée à l’état liquide, tandis que le PCI correspond à une eau maintenue à l’état de vapeur.

• L’écart entre PCS et PCI est d’environ 10 % pour les gaz et de 6 à 7 % pour les fuels.

• En combustion stœchiométrique, la température théorique atteint 1950 °C pour les gaz naturels et 2000 °C pour les GPL, mais elle n’est jamais atteinte en pratique à cause des pertes de chaleur.

• Le point de rosée est d’environ 60 °C pour le gaz naturel et 100 °C pour le fuel en combustion neutre.

Compléments

📌 Pour éviter la détérioration du matériel, les fumées ne doivent généralement pas descendre sous 120 °C au gaz et 160 °C au fuel, sauf dans les chaudières à condensation au gaz.

💡 Astuce mémo

PCS : eau liquide ; PCI : eau vapeur

📊 Tableaux de synthèse

Comparaison des combustions

Type	Condition	Conséquences
Stœchiométrique	Quantité exacte d’air	Combustion idéale mais théorique
Complète réductrice	Défaut d’air	CO, carbone libre et encrassement
Complète oxydante	Léger excès d’air	Combustion recommandée
Incomplète oxydante	Mauvais mélange malgré excès d’air	Oxydation incomplète
Incomplète réductrice	Manque d’air	Produits imbrûlés