ARTheque - STEF - ENS Cachan | Un développement du programme de troisième à la limite du "10%" : Expériences sur les combustibles

UN DEVELOPPEMENT DU PROGRAMME DE TROISIEME A LA LIMITE DU "10 X" :

EXPERIENCES SUR LES COMBUSTIBLES

l - Idée de départ : le programme de technologie de la classe de troisième comporte l'étude des combustibles. Nous avons donc à faire brûler di-vers hydrocarbures devant les élèves (en dépit de la pénurie) et il serait bon de savoir maîtriser la réaction chimique, si possible autrement que par la ferme-ture du robinet de gaz commandant le chalumeau (dans ,le cas de cet appareil).

Lès soiutionsà ce problème ont été pour J'auteur très faciles à trouver car il avait soutenu un DEA sur les feux de bacs de pétrole et Une thèse d'Etat sur les feux de forêts.

Il va donc dans cet article de faire profiter ses collègues dE son expérience des incendies et de leur montrer les moyens et, sans danger de visuabi1iser pour les élèves l'effet des produits

LI - Récipients ou matériels utilisés.

A) Soucoupes ou couvercles de boîtes de diamètre inférieur à 100 mm, de préférence en aluminium (voir plus loin) et à fond plat, qualifié de "bac" par la suite.

Il est utile d'avoir un jeu de récipients gigognes ou des récipients s'embottant les uns dans les autres.

B) Tringle de ddeau avec extrémités obturées. Elle servira de rigole (croquis N° J).

C) Chalumeau à gaz butane.

III - Produits combustibles et extincteurs.

A) Combustibles. L'auteur utilise de l'alcool à brûler, du pétrole lampant et du benzène (l'essence doit pouvoir en tenir lieu mais est moins spectaculaire). Ceci pour les liquides, pour les solides on prendra la bougie et le papier.

B) Produits extincteurs ou ignifuges.

a) L'eau: sans intérêt, connue des élèves. On peut seu-leur montrer que le benzène n'est pas éteint si l'on en met dans le bac. L'effet de refroidissement sera lui utilisé pour obtenir l'extinction.

b) Le gaz carbonique.

Faire attention à ce que le moindre mouvement d'air amènera assez d'oxygène au foyer que l'on cherche

à éteindre, voir croquis ci-contre.

c) Mousse physique.

Il est très facile d'en fabriquer en mettant 100 cm3

d'eau avec un tensio-actif ménager dans une bouteille d'eau minérale d'un litre et demi que l'on agite fortement . La mousse souvent très épaisse ne sort qu'en pressant la bouteille. L'opération peut être réalisée sur le feu malgré le ris-que de fusion de la bouteille (tour de main de l'opérateur).

Certains produits, dont dispose l'auteur, utilisés par des professionnels du feu, permettent des résultats plus aisés.

d) Poudre polyvalente. (Phosphate monoammonique pour les produits fab.riqués en France) •

Il est facile de montrer aux élèves que cette poudre très fluide, d'aspect bleuâtre, est très fluide et qu'elle est aussi hydrofuge grâce aux traitements qu'elle a subis.

Les poudres jaunes, en provenance de l'étranger, ont ces pro-priétés à un degré moindre (tassage facile) et ne permettent pas la mise en évi-dence de certaines propriétés décrites pour le papier. Il est facile de se procu-rer ces poudres (un stock de 1 à 2 kg suffit pour de nombreuses manipulations) auprès du vendeur d'extincteurs de l'établissement scolaire.

e) Phosphate dianmonique (ou monoammonique). Il s'agit du produit ci-dessus vendu sous la forme cristallisée dans le commerce courant et qui est utilisé, en particulier, contre les feux de forêts. Pour les détails d'emploi et de manipulation voir IV.

f) Halogénés : pour mémoire, à ne pas ils

sont toxiques à des titres variés, surtout en intérieur.

IV - Manipulations.

A) Dégagement de la notion de point éclair. Les vapeurs émises par le produit brûlent (programme normal de 3ème).

a) Le bac contenant de l' ;llco91 àbrûlel" s'enflamme

iumédia-tement (vapeurs au-dessus du bac) avec une la violence du

foyer augmente jusqu'à atteindre un régime perman.ent.: aYé;ç du liquide. NB : le refroidissement dû aux calories passant par les parois du bac s'observe peu.

b) 1°) Pétrole lampant avec mèche sur le côté du bac. La mèche prend aisément et il faut un temps "relativement long avant que tout le bac brûle.

On peut montrer aux élèves dans la première phase, que, seule, la mèche brûle et qu'elle s'éteint si on l'iumerge dans le pétrole du bac (NB: é-paisseur de carburant supérieure pour ce cas à 1,5 um). Si la mèche utilisée est . neuve elle ne porte aucune trace de brûlé.

2°) lampant sans mèche. Il faut très fortement chauffer au bec Bünsen ou au chalumeau à gaz pour obtenir l'inflammation.

Le bac peut être éteint en le couvrant avec une soucoupe ou une éponge (humide de préférence). On peut montrer aussi que l'extinction est impos-sible en soufflant sur le foyer (attention aux risques de projections de carbu-rant en feu ou du bac).

Nous obtenons ici l'extinction par coupure de l'arrivée d'air (comburant) alors qu'au

"C"

ci-après le feu s'arrête par manque de chaleur pour reprendre le classique triangle du feu: comburant, combustible, chaleur.

c) Morceaux de bougie fondus.

L'inflammation est difficile à obtenir et il faut beaucoup chauf-fer l'échantillon. L'intérêt de cette expérience est de montrer l'arrêt du feu par manque de chaleur.

Il est préférable d'utiliser pour cette manipulation un récipient assez mince en aluminium.

Une fois le bac en feu, on le pose en le tenant avec des pinces dans un· autre récipient plein d'eau sans que celle-ci pénètre dans le bac.

On constate que . le foyer baisse d'intensité et s'arrête en une quinzaine de secondes.

Le refroidissement du LIQUIDE a été suffisant pour que les va-peurs émises soient trop peu abondantes pour alimenter le foyer.

Il serait intéressant d'obtenir ce résultat pour d'autres combus-tibles mais il faudrait des réfrigérants à trop basse température. Ce procédé a été utilisé pour certains feux de pétrole où la mise en mouvement du combusti-ble dans le bac amenant des produits froids en surface arrêtait le foyer faute de vapeurs combustibles.

Le point éclair est la température à partir de laquelle les va-peurs émises entretiennent le foyer.

B) Usages de produits extincteurs. a) Sur le "bac" de pétrole .

Combustible: du pétrole avec quelques gouttes d'alcool à brûler

pour faciliter l'inflammation. lci, il faut respecter un délai de chauffage de l'ordre de la minute.

1°) Mousse: préparer la mousse comme indiquée au III, B,cs

et la verser dans le bac sans éclabousser. Normalement le feu s'éteint. (Il est prudent de tester le mélange utilisé hors de la présence des élèves).

Il est possible de faire la contre-épreuve en écartant la mousse sur une petite partie et en enflammant le combustible à l'air libre. Selon les cas le feu regagnera sur la mousse ou celle-ci sur le feu.

N.B. : même sur un feu réel la mousse ne doit jamais brasser le carburant mais s'écouler après avoir heurté un obstacle brise-jet.

2°) Poudre polyvalente.

Le but à atteindre est de remplir un volume d'air, au mo1ns égal à celui de la flamme, d'une suspension de poudre à une concentration suffisante car le produit agit par coupure de chaînes de la réaction chimique.

Pour cela deux procédés sont proposés

- La poudre est étalée en couche fine sur une feuille de papier et l'opérateur souffle modérément dessus en direction du foyer qui est à une quinzaine de centimètres du bord du papier.

Avec un peu de chance les élèves verront le bas des flammes s'é-teindre et la partie éteinte remonter (procédé utilisé pour les puits de gaz ou de pétrole) . Plus généralement le volume occupé par la poudre est assez impor-tant pour éteindre d'un coup la flamme (hauteur de celle-ci dans les conditions décrites: 10 à 20 cm).

La ' "té de poudre utilisée est de 2 cm3 environ.

- l matière plastique (celui utilisé pour la livraison) va figurer __ Le montage est le suivant: la matière plastique est assez rigide pour que la partie haute du sac se tienne droite toute seule (sac pouvant contenir 10 kg de produit rempli à 2 kg). La partie haute est tenue fer-mée par une ficelle et la fermeture n'est pas étanche pour une suspension air-poudre.

L'agitation du sac provoque la mise en suspension de la poudre et une pression sur le sac fait sortir un mélange air-poudre suffisant pour assurer l'extinction. (Consommation de poudre plus faible que dans le cas précédent). Si besoin en est le retournement du sac qui laisse couler un filet de poudre est un moyen élégant pour éteindre. Cette méthode conduit à une consommation plus importante de poudre (5 à 10 cm3) car une bonne partie de cette dernière tombe groupée (surtout avec la poudre jaune) et est inutilisée. Il faut agiter pour disperser le jet et obtenir la suspension désirée.

b) Sur la rigole.

1°) Pour les cotes voir croquis N° 1. Il est

d'utiliser la rigole de grande section qui conduit, meme avec un pétrole-alcool à brûler, à des quantités de combustibles importantes qu'il devient déli-cat de maîtriser, même avec le jet coulant du sac, lorsque l'on a atteint la phase d'ébullition du carburant.

La description va porter sur la rigole de petite secd'on contenant le benzène. Ce carburant est très inflammable de ;grandes flammes rou-ges très spectaculaires ainsi que des particules de carbone qui ont tôt fait si l'on n'arrête pas rapidement le feu "d'enfumer"toutela classe.

2W

) Il faut bien distinguer dans cette ,manipulation, en

dehors des précautions s,trictes à prendre J le côté spectaculaire vu par les

élèves et le côté anodin vu par le manipulateur. Que voient les élèves ?

Un cordon de flammes que nous décrirons plus loin, long, avec le matériel décrit, de 1 300 mm environ et qui n'est épais, partie vue par

l'opé-rateur, que de quelques millimètres ou centimètres. En effet l'opérateur pour ne pas gêner la vue des élèves devra se tenir de côté et verra la rigole quasi-ment de-bout.

)0) Description de la manipulation.

- Mise en place de la rigole : celle-ci doit être aussi rectili-gne par nature et horizontale de par les conditions où elle est posée que possi-ble. De plus elle doit être stable ; il ne faut pas la mettre sur un échaffauda-ge complexe pour assurer sa mise à lihorizonta1e.

- Combustible : il faut mettre quelques gouttes de benzène de telle sorte qu'à l'extrémité la plus haute la couche de carburant soit très et à l'endroit le plus épais on ne doit pas dépasser 1,5 mm (jugé à vue). C'est-à-dire qu'il faut faire attention aux conditions de rectitude et d'horizontalité.

Mise à l'abri des combustibles.

Mise à feu. On allume à une extrémité de la rigole, avec un bri-quet à gaz de préférence, et l'on voit des flamèches ' parcourir le dessus de la rigole à une vitesse de l'ordre du mis. C'est la combustion des vapeurs déga-gées à l'ambiante par le combustible. Très rapidement des foyers stables s'éta-blissent et ils se rejoignent pour former un rideau de flammes continu haut de 5 cm environ de couleur orangée avec peu de fumée.

Si l'on opère avec du pétrole-alcool à brûler on constate qu'à ce stade on doit aider la combustion en chauffant la rigole avec un chalumeau car le contenant en aluminium rayonne trop de chaleur et empêche une mise en tempé-rature convenable du carburant. Pour le benzène cela retarde l'ébullition ce qui est un avantage. (L'alcool à brûler du mélange produit assez de vapeurs pour avoir des flammes au premier allumage).

A ce moment on peut passer l'éponge humide sur la rigole en pro-gressant et en ayant d'un côté le combustible en feu, de l'autre le combustible à l'air libre non en feu. Cette opération permet d'évaporer une partie du com-bu'stible, de refroidir celui qui reste pour retarder le passage au régime "ébul-lition".

Au "réallumage" on peut faire constater aux élèves la vitesse que met la flamme pour parcourir toute la rigole ( l s environ) et faire la liaison avec l'avance ' à l'allumage des moteurs. Il faudra se garder de chercher à faire des mesures de vitesse de propagation de la flamme car celle-ci est fortement perturbée par la forme et la nature du récipient.

L'idéal serait de filmer cette manipulation avec une rigole lon-gue de 10 ID et large de 30 cm environ.

On peut montrer en faisant couler un filet de poudre convenable du sac en plastique l'extinction du feu en remontant le front de flammes.

En général il se produit dans le mouvement des irrégular1tés qui conduisent à la "réinflamnation". Pour éteindre à coup sûr i l faut un débit im-portant (l'astuce consiste à verser assez de poudre dans la rigole pour absorber par imprégnation de la poudre le peu de liquide restant), ce qui se traduit par un gaspillage de poudre dont une bonne partie va au sol ou sur la paillasse.

Il faut savoir que la vitesse à laquelle le niveau baisse dans un bac métallique réel en feu est de : (référence: Revue Technique du Feu N° 128

Mai 1973, origine National Fire Protection Association) 10 à 15 em/h pour fuels,

10 à 30 cm/h pour l'essence ordinaire et 40 à 65 cm/h pour l'essence légère. Ce qui veut dire qu'en laissant le foyer prendre le régime du carburant en ébullition (flammes rouges tourbillonaires THES SPECTACULAIRES hau-tes de 20 cm environ, particules de carbone qui s'envolent dans la classe à la grande joie des élèves, projections qui peuvent être dangereuses de petites gout-telettes de carburant en feu sur les côtés (5 à 10 cm», la durée de ce reg1me sera très courte si l'on a pris soin de mettre très peu de carburant au départ (assurance de l'arrêt du feu par manque de combustible).

c) Papier ignifugé. Ce procédé consiste a 1mprégner d'une fai-ble quantité de phosphate mono ou di-ammonique (sulfate éventuellement) une feuille de papier sur une ou deux faces, à laisser sécher et à montrer aux élèves que le papier soumis à la flamme d'une allumette se carbonise mais ne propage pas la flamme.

si pour las manipulations précédentes il y a peu de risques que les élèves imitent le professeur par contre le risque est ici non négligeable. Lors de l'exploitation des manipulations (V) il faudra bien convaincre les élè-ves des dangers présentés par le feu et les persuader de ne pas chercher à re-faire les manipulations chez eux. (Ils en font de ce genre sans que l'origine de leur information soit à l'école du modèle chlorate de 111 + sucre, donné par les moyens d'information dont ils disposent de-ci, de-là.

1) Formules des produits utilisés. La solution est compo-sée (pour un litre de solution finie) de 100 g de phosphate (ou 150 g de sulfa-te) mono ou di-amnonique, d'une diza1ne'de grammes d'un gélifiant (les produits professionnels-guards, composées de la cellulose - ne sont pas vendus dans le commerce courant mais les alignates le sont) dont le rôle est . de'faciliter l'accrochage du produit sur le support à ignifuger. La quantité de produit va-rie selon la viscosité qu'il peut fournir, la bonne viscosité est celle d'une huile de moteur de voiture (estimation à vue, valeur officielle de référence

1 200 centipoises).

Selon le papier utilisé on doit pouvoir ' se passer de gélifiant. La solution s'obtient en mélangeant à sec les poudres, en les "projetant" dans un récipient contenant 800 à 900 cm3 d'eau et en agitant puis en complétant à 1 000 cm3. Il faut agiter pour éviter la formation de grumeaux.

Le ainsi formé tient environ une semaine ; pour le préserver des bactéries on ajoute certains produits ce qui n'est pas utile ici.

Dose d'utilisation (environ, à ajuster à la demande).

1 cm3 pour 100 cm2 de papier, une face ,

J

con-tre les feux de forêts dans le de la France.

A signaler que certains tensio-actifs sont compatibles avec les gélifiants et que l'ajout de ces dèrniers dans l'eau conduit à des mousses plus résistantes au feu (Brevet Français N° l 600 444 et dossier de demande 72 06401).

2) Poudre polyvalente.

On peut montrer que la poudre éteint un feu de classe A (bois, pa-pier, carton, ••. ). Il est intéressant de montrer le mode d'action de la poudre posée sur une feuille de papier (croquis 4).

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'----On enflamme le papier et l'on voit sous l'effet de la chaleur la poudre fondre et constituer un "vernis" sur le papier qui arrête le feu.

N.B. cette manipulation ne marche qu'avec la poudre bleue de Pierrefitte-Auby (France).

d) Pour mémoire, extinction au CO₂ : expérience des bougies dans un tube profond.

e) Chalumeau. La manipulation consiste à lâcher une pincée de poudre à la main à la base de la flamme du chalumeau ou au-dessus des ouver-tures de prises d'air à la base du bec.

L'effet est très spectaculaire et cette manipulation est sans dan-ger (pas de combustibles dans la zone chauffée par le dard); elle peut être faite par des élèves contrairement à la plupart des autres décrites ici.

v -

Exploitation avec les élèves.

Les questions les plus souvent posées portent sur les extincteurs de voitures et l'usage par les pompiers des produits utilisés. L'expérience mon-tre que ces manipulations et discussions s'intègrent dans les cours normaux de 3ême sans que la durée "10 %" dépasse une heure d'affilée.

A) Voitures. Problème de l'extincteur obligatoire. Cette question agite beaucoup les professionnels du feu.

En fait il faut distinguer le feu de coussins, da moteur, qui sont à la portée des appareils du commerce (1 kg de poudre ou d'halogénés) du feu de réservoir ayant répandu son contenu qui nécessite facilement lO à 30 kg de poudre et de bons manipulateurs. Notons bien qu'il vaut mieux un appareil (en apparences) moins performant dont le temps de débit est assez long pour que l'on puisse ser la base des flammes qu'un appareil qui se vide très vite, (si l'on a bien vi-sé tant mieux, sinon ••.•• ).

Précisons que la taille des appareils limite le produit extinc-teur que l'on peut faire entrer dans un véhicule. Nous retrouvons le même problè-me pour les extincteurs ménagers.

B) Professionnels. Les produits que nous avons vus sont uti-lisés par les professionnels (prives avant tout ou publics si cela est indispen-sable) les limites étant des questions de prix (services publics) - ce sont les communes qui payent les frais d'interventions -, des questions d'entraînement du personnel et de mise en oeuvre si l'on en utilise de grosses quantités.

De gros efforts sont faits actuellement par des personnes agis-sant dans des secteurs très variés pour simplifier les problèmes de mise en oeu-vre des produits et amener la généralisation de leur emploi (attaque des feux par des solutions de sulfate diammonique).

C) Usage d'un pulvérulent quelconque. Réponse: seuls les cités agissent (en y ajoutant K₂C0₃, Na_ZC0₃ et la poudre ''Monex'' va-lables pour les feux de gaz et solvants ou tout produit qui pourra être ml.S au point par les chimistes). Le sable sert à absorber les carburants ce qui est une action différente. Bien des poudres d'aspect analogue à celui des poudres citées brûlent.

VI - Précautions à prendre avant de faire les manipulations pro-posées dans le texte.

A) S'assurer que la construction scolaire le permet et que le plafond chatouillé par les quelques calories qui proviendront du foyer ne prendra pas le relai et ne propagera pas le feu à toute l'école (remarque valable pour les hottes).

S'assurer de même que tout l'environnement susceptible d'être chauffé normalement ou accidentellement ne comporte pas de polystyrène expansé, de papier, de paraffine, .••••

Le bois épais des tables, estrades, etc ••• , est lui sans danger car il faut le chauffer très longtemps pour qu'il s'enflamme. Se méfier des con-treplaqués de 4 mm et moins, éviter de les chauffer.

B) Prendre toujours soin de tenir loin du foyer en service les flacons contenant les combustibles et bien le faire remarquer aux élèves. Les distances minimum conseillées pour les flacons d'alcool à brûler (ou de pé-trole) de 250 cm3 maximum sont de 2,5 m. Pour le benzène, ou l'essence, non ex-tinguibles par dilution dans l'eau, quelle que soit capacité du flacon il faut le porter dans un dépôt annexe ce qui est aisé communique direc-tement avec la salle de cours.

C) Seul le professeur manipule ; les élèves restent à leur place et l'élève le plus proche se trouve à 2,5 m du foyer en service.

D) Les manipulations ont lieu sur une paillasse carrelée. E) Se munir d'un ou plusieurs extincteurs. 11 est absolument nécessaire de se doter d'un appareil à poudre polyvalente d'une capacité d'au moins 6 kg, ce qui est surpuissant par rapport aux foyers utilisés mais

familia-rise les élèves avec ces appareils.

I l peut être utile en cas de besoin et pour éviter dans le cas d'un petit accident de vider une charge de poudre, d'avoir un appareil à CO₂ de 2 kg. Se méfier en cas de mise en action de l'appareil que son souffle n'épar-pille pas le combustible.

F) Ne mettre dans les récipients que des quantités de combus-tible très faibles (1 mm à 1,5 mm maximum) de façon à obtenir une extinction cer-taine faute de combustible.

VII - Conclusion.

Ce qui précède a pour but de lever un peu le voile toujours mysté-rieux qui plane pour les enfants et bien des adultes sur les extincteurs et pour les inciter à demander plus de sécurité.

Notons enfin que les services publics (Ministère de l'Intérieur, Service National de la Protection Civile, Cabinet, N° 73 258 du 15/05/73, signé Raymond Marcellin, destinataires : Messieurs les Préfets Protection Civile (Ca-binet» font eux aussi des efforts pour que cesse un certain aspect égoiste de certains "qui savent" (ou croient savoir) et qui ne font rien pour informer le public. Ceci est un puissant encouragement pour les pompiers qui cherchent à sortir de leur tour d'ivoire et à coopérer avec le public.

Puissent cet article et la circulaire citée être une "perche" qu'ils sauront saisir (manipulations ci-dessus jointes aux exercices suggérés dans la circulaire citée).