Dans le domaine du chauffage des procédés industriels, le terme « température de flamme » est souvent utilisé. Il ne faut pas trop longtemps avant de réaliser qu’il signifie différentes choses pour différentes personnes. Pour certains, c’est la température de la chambre de combustion que la flamme occupe. Pour d’autres, c’est la température du jet de gaz incandescent qui sort d’un brûleur. Pour d’autres encore, il s’agit d’un nombre cité avec autorité dans un manuel, tandis que d’autres vous diront que ce nombre n’est jamais vu dans la vie réelle. Dans la plupart des situations pratiques, cela n’a pas vraiment d’importance, tant que l’équipement de traitement thermique fait son travail. Tout de même, la vie serait plus facile si tout le monde avait une compréhension commune du concept.
Bien, c’est parti. Mais d’abord, je vais définir quelques termes que j’utiliserai en cours de route.
- Adiabatique est un terme utilisé pour décrire une réaction de combustion dans laquelle toute la chaleur générée est conservée dans les produits de combustion — aucune n’est perdue dans l’environnement de la flamme.
- Dissociation est une réaction impliquant la décomposition des composés chimiques. Dans le cas de la combustion, ce sont la vapeur d’eau et le dioxyde de carbone.
- Stœchiométrique n’est pas une vodka importée. Il décrit le mélange correct des ingrédients dans une réaction chimique. Une fois la réaction terminée, il ne reste aucun ingrédient excédentaire. En combustion, le rapport stœchiométrique est également appelé rapport correct, idéal ou parfait.
Les températures de flamme publiées dans les tableaux des manuels sont généralement des températures de flamme adiabatiques pour une combustion au rapport stœchiométrique. Sauf indication contraire, elles sont pour un combustible brûlé dans l’air, avec les ingrédients entrants à température ambiante. Si vous modifiez la température des ingrédients ou la teneur en oxygène de l’air, vous modifiez la température de flamme adiabatique. Si vous recherchez la température de flamme du gaz naturel dans l’air, vous trouverez probablement une valeur entre 3 400 et 3 600°F (1 871 et 1 982°C).
Ce n’est pas très précis. Si tous les manuels s’accordent sur les températures de l’air et des gaz, sur la teneur en oxygène de l’air et sur le rapport, comment se fait-il qu’ils n’arrivent pas à fixer la température plus précisément que cela ? C’est simple : la composition chimique du gaz naturel varie d’un endroit à l’autre. Certains composants du gaz brûlent plus fort que d’autres. Si le gaz contient plus de ces constituants, la température de la flamme sera plus élevée. À l’inverse, de nombreux gaz naturels contiennent de petites quantités d’ingrédients inertes comme l’azote et le dioxyde de carbone. Ils ne contribuent en rien à la combustion et font baisser la température de la flamme. Pour garder les choses simples à partir de maintenant, je vais supposer un gaz naturel avec une température de flamme adiabatique de 3 600 °F.
OK, est-ce la température que vous obtenez si vous faites fonctionner notre brûleur sur le rapport stœchiométrique ?
Non. Elle sera inférieure. Pour une chose, la dissociation va faire tomber quelques degrés en haut. La dissociation peut être considérée comme une sorte de combustion inversée. Vous vous donnez tout ce mal pour mélanger du carburant et de l’air et les brûler pour produire du CO2 et de la vapeur d’eau, pour constater qu’à des températures de flamme vraiment élevées, certains de ces produits de combustion se décomposent en monoxyde de carbone, en hydrogène et en oxygène, réabsorbant l’énergie de combustion qu’ils ont dégagée lors de leur formation. En dessous de la température de la flamme de 1 538 °C, la dissociation n’est pas significative, mais à partir de là, même de petites augmentations de température provoquent de grands sauts dans le taux de dissociation. C’est un cercle vicieux classique : plus on se rapproche de la stœchiométrie, plus la flamme est chaude. Plus la flamme est chaude, plus la dissociation est importante, formant des quantités croissantes de produits de combustion non brûlés et une plus grande résistance à la température de la flamme. Pour notre gaz naturel, la température de la flamme sera d’environ 1 899 °C (3 450 °F) après que la dissociation aura fait son travail. La dissociation est l’une des raisons pour lesquelles les applications de combustion dites « on-ratio » fonctionnent généralement avec un petit excès d’air — elle empêche la formation de grandes quantités de monoxyde de carbone.
D’accord, 3 450°F, ce n’est pas si mal. C’est avec ça qu’on doit travailler, non ?
Désolé, mais si vous revenez sur la définition de la combustion adiabatique, vous verrez qu’elle suppose qu’aucune chaleur n’est perdue dans l’environnement de la flamme, et ça n’arrive pas dans le monde réel. À peine l’air et le combustible commencent-ils à réagir et à créer de la chaleur qu’une partie de cette chaleur s’échappe vers la chambre de combustion ou l’enceinte de chauffage environnante et tous les produits et accessoires qu’elle contient. C’est comme un seau d’eau avec un gros trou au fond. Vous ne pouvez pas le remplir parce qu’il perd de l’eau presque aussi vite que vous en versez.
Alors, quel est le bilan de la température dans les équipements de chauffage industriel ?
Cela dépend de plusieurs facteurs. Les brûleurs qui mélangent et brûlent le combustible et l’air rapidement ont tendance à développer des températures de flamme plus élevées parce qu’ils obtiennent un saut un peu plus rapide sur la perte de chaleur vers leur environnement. Les températures de flamme ont tendance à être plus élevées dans les processus à haute température parce que le processus n’aspire pas la chaleur de la flamme aussi rapidement. La masse de la chambre de combustion et de la charge de travail directement exposée à la flamme joue également un rôle important. Plus cette masse est importante, plus la chaleur sera évacuée rapidement de la flamme. Au final, il est rare de trouver une température de flamme bien supérieure à 1 788 à 1 816 °C (3 250 à 3 300 °F) dans une application de combustion pratique. Dans les applications de chauffage industriel à basse température qui intéressent la plupart des lecteurs de Process Heating, une température de 1 649°C (3 000°F) peut être la meilleure solution possible.
Voir la partie 2, « Température de la flamme : Que devient-elle ? ».