COMBUSTION

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La déflagration

C'est la flamme la plus courante, telle la flamme du réchaud à gaz, du bois, de la bougie. Celle du bec Bunsen est constituée de deux parties bien distinctes : le cône et le panache. Ces deux parties sont séparables. La flamme proprement dite, où se produit le plus gros de la combustion, est le cône. Comme cette combustion n'est pas complète, le mélange des gaz de combustion chauds avec l'air secondaire est à l'origine d'une deuxième flamme, à géométrie moins bien définie, ou panache. Il est facile de constater la présence d'hydrogène et d'oxyde de carbone à la sortie du cône, en effectuant une analyse.

Flamme d'un bec Bunsen

Dessin : Flamme d'un bec Bunsen

Flamme d'un bec Bunsen 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Flamme d'un bec Bunsen

Dessin : Flamme d'un bec Bunsen

Flamme d'un bec Bunsen 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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À l'intérieur du cône le mélange combustible ne fait que s'échauffer, tandis que la combustion s'effectue uniquement au voisinage de la surface, à l'endroit où a lieu une émission lumineuse intense. L'épaisseur de cette zone est très faible, de l'ordre de un millième de millimètre. Les gaz ne séjournent donc que peu de temps dans la flamme (environ 10-7 s).

Un autre type de flamme, sensiblement hémisphérique, se propage dans un tube rempli par un mélange inflammable. On obtient une flamme plate et flottante, au moyen d'un brûleur spécial à plusieurs canaux, la pression ambiante étant extrêmement faible.

Flammes mobiles

Dessin : Flammes mobiles

Flammes mobiles 

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Flammes mobiles

Dessin : Flammes mobiles

Flammes mobiles 

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La flamme « théorique » est plate, elle aussi. On exagère généralement son épaisseur pour montrer que la réaction de combustion se produit dans un volume bien limité.

Flammes mobiles

Dessin : Flammes mobiles

Flammes mobiles 

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Propagation de la flamme

Il existe toujours un mouvement relatif entre le mélange combustible et la flamme : soit que le mélange se déplace, la flamme étant alors stabilisée sur un brûleur, soit que la flamme se propage dans un mélange statique contenu à l'intérieur d'un récipient. Il existe plusieurs méthodes pour mesurer la vitesse de propagation de la flamme.

Dans le cas où la flamme est fixe, on mesure sa surface et le débit du mélange gazeux. La mesure de la surface est relativement facile s'il s'agit d'un cône parfait. Dans la plupart des cas, il est nécessaire de photographier la flamme avec un agrandissement connu et de mesurer sa surface à partir de la photographie. La vitesse est donnée par l'équation : vitesse = débit/surface.

Si la flamme est mobile, il suffit de mesurer le temps qu'elle met pour parcourir l'intervalle entre deux points de repère placés le long du tube de propagation. La méthode de Le Chatelier utilise une caméra à tambour tournant qui cinématographie d'une manière continue le déplacement de la flamme entre les deux repères. La connaissance de l'agrandissement de la caméra et de sa vitesse de rotation permet de déduire très facilement la vitesse de propagation de la flamme, par une mesure de la trace rectiligne faite sur le film.

La vitesse d'une flamme augmente avec la pression. Elle passe par une valeur maximale pour un rapport combustible/comburant bien déterminé.

Vitesse de propagation de déflagration

Tableau : Vitesse de propagation de déflagration

Vitesse de propagation de déflagration dans quelques combustibles. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Le mécanisme de la propagation est surtout thermique. La tranche de mélange en cours de combustion échauffe la tranche de gaz immédiatement voisine qui s'enflamme à son tour. Il y a lieu de considérer aussi la projection de centres actifs de la réaction dans le mélange froid n'ayant pas encore réagi.

Inflammation, limite d'inflammabilité, extincteurs chimiques

Pour enflammer un mélange gazeux, il faut lui fournir localement une quantité d'énergie suffisante. Cette énergie peut être thermique, électrique (décharge d'un condensateur) ou simplement provenir d'une autre flamme.

Un mélange combustible ne s'enflamme que dans certaines conditions de pression et de rapport combustible/comburant (ou concentration). Le diagramme pression-concentration représente par une zone hachurée les conditions paramétriques où l'inflammation est possible. Cette zone est limitée par une courbe dite « limite d'inflammabilité ». À la pression atmosphérique P = 1 atm., on remarque deux points particuliers correspondant aux concentrations L et L′. Il s'agit des limites inférieures et supérieures d'inflammabilité. Aux concentrations inférieures à L et supérieures à L′, il n'y a pas inflammation. Ces limites ont donc une importance considérable, du point de vue de la sécurité. Il est nécessaire de connaître leur valeur quand on manipule un mélange inflammable.

Diagramme pression-concentration

Dessin : Diagramme pression-concentration

Diagramme pression-concentration d'un combustible 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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C'est toujours au moyen de mesures faites dans l'air avec un tube de pyrex dont le diamètre est suffisamment important pour ne pas avoir d'influence sur la mesure que sont établies les limites d'inflammabilité des combustibles.

Limites d'inflammabilité

Tableau : Limites d'inflammabilité

Limites d'inflammabilité de quelques combustibles. 

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La loi de Le Chatelier permet de prévoir la valeur des limites d'inflammabilité L des mélanges de combustibles. Elle s'applique surtout à la limite inférieure. Soit L1, L2, ..., Li les limites d'inflammabilité des différents combustibles ; C1, C2, ..., Ci leur concentration en pourcentage dans le mélange des combustibles ; la limite d'inflammabilité L du mélange est donnée par la formule :

Les extincteurs chimiques, le bromure de méthyle par exemple, et non ceux qui agissent par étouffement de la flamme, sont des inhibiteurs de combustion. Leur présence relève considérablement le domaine d'inflammabilité et rend impossible l'existence d'une flamme dans les conditions habituelles.

Température d'une flamme et émission lumineuse

À l'entrée dans la flamme, la température du mélange combustible s'élève brusquement de plusieurs centaines ou même de plusieurs milliers de degrés Celsius.

Température de la flamme

Tableau : Température de la flamme

Température de la flamme de quelques combustibles. 

Crédits : Encyclopædia Universalis France

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Cette température varie d'ailleurs légèrement d'un point à un autre de la flamme. Pour la mesurer, il est nécessaire d'utiliser les thermocouples, mais les résultats sont faussés en raison du fait que la présence de surfaces métalliques modifie le mécanisme. On utilise alors des thermocouples de diamètre de plus en plus faible et on extrapole pour le diamètre zéro.

La mesure de l'émission lumineuse globale, ou celle de certaines caractéristiques du spectre d'émission infrarouge, permet aussi d'obtenir la température des flammes. Cette température est calculable. On suppose que la chaleur dégagée par la réaction sert uniquement à échauffer les produits de la combustion. Une telle manière de calculer est cependant approximative et nécessite des corrections en raison des pertes importantes d'énergie.

Les flammes émettent dans les régions du spectre ultraviolet, visible et infrarouge. La plupart des émetteurs ont été identifiés. Il s'agit essentiellement de radicaux libres diatomiques C2, CH, OH, ou tritomiques CHO. Des émetteurs moléculaires ont été aussi observés, tels que l'eau et l'acétylène dans l'infrarouge, le formaldéhyde excité dans le visible. À part le radical OH, les autres émetteurs ont probablement un rôle très secondaire dans le mécanisme de la flamme.

L'émission lumineuse des flammes jaunes obtenues en utilisant un défaut d'oxygène est due à un spectre continu dans le vis [...]

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Flamme d'un bec Bunsen

Flamme d'un bec Bunsen
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Flammes mobiles

Flammes mobiles
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Vitesse de propagation de déflagration

Vitesse de propagation de déflagration
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Diagramme pression-concentration

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Écrit par :

  • : ingénieur diplômé de l'École nationale supérieure de chimie de Paris, professeur à l'université des sciences et techniques de Lille

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Pour citer l’article

Michel LUCQUIN, « COMBUSTION », Encyclopædia Universalis [en ligne], consulté le 06 décembre 2021. URL : https://www.universalis.fr/encyclopedie/combustion/