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Contribution a l’étude des flammes d’hydrocarbures.
Propane et acétylène
Jean van der Poll, Tidde Westerdijk
To cite this version:
CONTRIBUTION A
L’ÉTUDE
DES FLAMMES D’HYDROCARBURES. PROPANE ETACÉTYLÈNE
Par MM. JEAN VAN DER POLL et TIDDE WESTERDIJK
(1).
Introduction. - Nous avons commencé notre
étude des
propriétés
respectives
du propane et del’acétylène
qui
ont montré que, dans certains cas, les flammes oxy-propane etoxy-acétylène
conduisent à des résultats nettement différents sansqu’il
soitpossible
apriori
de donnerl’explication
desphéno-mènes observés.
Nous avons donc été conduits à
entreprendre
parallèlement
à cesexpériences techniques,
unesérie de recherches
théoriques
sur lephénomène
de la flammeproprement
dit,
recherchesqui
comportent
troisparties :
a.
Analyse
des gaz au centre de la flamme pourdifférentes valeurs du
rapport gaz-oxygène primaire;
b. Déterminationexpérimentale
et calculs de latempérature
de laflamme;
c.
Étude
du côneprimaire
de la flamme pour diffé-rentes valeurs durapport
gaz-oxygène primaire.
Les deux
premières
phases
de notre étude nousont
permis
de nous former une idéeplus
nette desphénomènes qui
seproduisent
dans la flamme. Nousen avons déduit des
formules,
à l’aidedesquelles
il estpossible
de calculer laquantité d’oxygène
oud’air
primaire
admis,
d’après l’analyse
des gazprélevés
au centre d’une flamme d’unhydrocarbure
gazeux.En outre, nous avons établi des
graphiques
donnant la
température
de la flamme immédia-tement en arrière du côneprimaire
en fonction durapport
gaz-oxygène.
D’autres
graphiques indiquent
laquantité
de chaleurprimaire
libérée en fonction du mêmerapport
gaz-oxygène.
La troisième
phase
de nos recherches n’est pas encore achevée et seraprobablement
d’uneimpor-tance
théorique plutôt
quepratique.
Il nous est
impossible
de décrire la sériecomplète
desexpériences
que nous avonseffectuées;
nous nousbornerons à exposer brièvement les résultats obtenus. Nous
signalerons
encore que lespublications
des Professeurs G. Ribaud et P. Lafitte et celles de MM.Prettre,
R.Granjon,
D.Séférian,
Y.Laure,
H.
Gaudry,
etc., ont été d’une aideprécieuse
pournos recherches.
(1) C. R. Acad. Suc., 17 juillet 1939, 209, p. 158.
Mesure
optique
detempératures
de la flamme. - Lestempératures
de la flamme ont été mesurées par la méthode de renversement des raies deFéry.
Cette méthode a dû êtreadaptée
auxtempé-ratures de 2500 à 30000 C que nous devions mesurer, étant donné
qu’au
lieu d’unelampe
auxiliaire à ruban detungstène,
nous avons dû utiliser unelampe
à arc. Les difficultés que nous avonsrencon-trées ont
cependant
été résoluesjusqu’à
ce que laprécision
de la déterminationatteigne
50 C.Principe
de la mesure. - Latempérature
réelle(2)
d’une flamme non lumineusepeut
être déterminée en étudiant sa luminositélorsqu’elle
est colorée par un sel desodium,
NaN03
parexemple.
Les ions Na libérés ont une si faible masse et causent une si
petite
perte
parrayonnement
queleur
présence
dans la flamme n’en abaisseguère
latempérature.
La lumière
jaune correspondant
à la raie du sodium donne à la flamme une luminositéEv,
qui
dépend
de latempérature,
de la concentration des ions Na et del’épaisseur
de la flamme. Si derrière la flamme onplace
une source de lumièreayant
unspectre
continu à unetempérature
« noire » S dans lejaune (c’est-à-dire
latempérature
qu’un
corps noir doit avoir pour que sa luminosité soitégale
à celle de lasource)
et une luminositéEs,
la flamme colorée en absorbera unepartie
et laissera passer le resteEn observant alors à travers la flamme la source
de lumière
continue,
la luminosité totale dans lejaune
sera deEn
réglant
la luminosité de la source delumière,
on obtiendra-r’
ce
qui
est visible auspectroscope,
car on voit alors(2) Il y a lieu de distinguer la température vraie de la tempé-rature apparente que prennent les objets placés dans la flamme,
car par suite de la perte par rayonnement la température
apparente est toujours inférieure à la température vraie.
360
le
spectre
continu normal de la source lumineuse. Si la luminosité de la source estinférieure,
la raie Naapparaît
enclair;
si elle estsupérieure,
la raie Naest obscure.
D’après
la loi deKirchhoff,
lerapport
EA-1’V
est
p-indépendant
de la nature du corpsrayonnant,
maisdépend
de lalongueur
d’onde et de latempérature;
dans le casprésent,
où l’on ne travaillequ’avec
uneseule
longueur
d’onde(raie
Najaune),
cerapport
nedépend
que de latempérature,
de sorte queoù
ET
représente
la luminosité du corpsparfaite-ment noir à la
température
de la flammeT;
(A
==i).
On obtient ainsi
de sorte que la
température
vraie de la flamme que l’on veut mesurer estégale
à latempérature qu’un
corps noir doit avoir pour que sa luminosité E3
soit
égale
à celle de la flamme.La mesure est effectuée de la
façon
suivante : Onrègle
la luminosité de la source lumineuseauxiliaire de
façon
que la raie Nadisparaisse (donc
ne se détache ni en
clair,
ni ensombre),
et l’on mesure avec unpyromètre optique
latempérature
noire de la source de lumière auxiliaire dans la raie Na.En
fait,
cette dernière mesure devrait être effectuéeavec un
spectrophotomètre,
à moins que lepouvoir
émissif de la source de lumière auxiliaire ne soit
connu pour
chaque longueur
d’onde,
comme c’est le cas pour unelampe
à ruban detungstène.
Étant
donnée la courte durée d’une tellelampe,
"
cette source de lumière auxiliaire n’est utilisable que
jusqu’à
unetempérature
de 2200~ C aumaxi-mum. Bien que le
pouvoir
émissif du carbone dansle
spectre
visible soitpratiquement
constant, il était nécessaire de faire une correction car, pour éviter lachaleur,
il était nécessaired’employer
unfiltre à eau
qui
absorbaitplus
de rayons rouges que de rayonsjaunes.
Température
moyenne de la flamme. - Onse heurte à
quelques
difficultés car la flammen’ayant
pas en tous ses
points
la mêmetempérature,
on mesure par la méthodeci-dessus,
unetempérature
qui
doit être considérée comme la moyenne destempératures réparties
surl’épaisseur
de la flammedans la direction d’observation.
On
peut
calculer de lafaçon
suivante cette influencesur le résultat de la mesure.
Supposons
dans la flamme une couche élémentaire(perpendiculaire
à la directiond’observation)
d’uneépaisseur
dl,
en admettant que lepouvoir
émissifet le
pouvoir
absorbant sontrespectivement
égaux
à er et av, la couche élémentaire aura une lumino-sité dE = evdl. Cette lumière est
partiellement
absorbée à une
distance 1,
de sorte que la contri-bution de cette couche à la luminosité totale est dePour trouver la luminosité
totale,
il fautintégrer
vers 1 sur
l’épaisseur
d de la flamme. Si latempé-rature n’est pas constante, eY variera en fonction de 1. En admettant un instant que la
température
estconstante, on trouve .
en d’autres termes, si
l’épaisseur
daugmente,
la luminosité totale tendraasymptotiquement
vers lalimite
puisque
le terme e- ’11 devient nul. En admettant que, suivant une certainefonc-la
température
dépende
symétriquement
de 1 parrapport
à l’axe de laflamme eY
seraégal
Y
à
(1)
etd’où il résulte que
Le
premier
terme est le même que celui trouvé ci-dessus pour lestempératures
constanteségales
à celles du bord. Le terme Pindique
donc l’influence des écarts detempérature
sur la section d. Comme latempérature
dubord,
où seproduit
la combustionsecondaire,
sera engénéral
supérieure
à celle du centre de laflamme,
P seragénéralement négatif.
L’influence de P diminue à mesure que av, c’est-à-dire le
pouvoir
absorbant de la flamme par coucheélémentaire,
augmente :
donc,
à de hautesconcen-trations d’ions Na. Si l’on introduit
beaucoup
de sel dans laflamme,
s’approchera
de 1,
de sorte que latempérature
mesurée sera celle du bord.
Précision de la détermination. - Pour obtenir une haute
précision,
il est désirabled’employer
des flammes intensément
colorées,
dites « àSupposons qu’en
faisantdisparaître
laligne
Na duspectre
on fasse uneerreur dEs, à
étant déterminé par la valeur du seuil dans l’oeil del’observateur,
qui règle
alors sonappareil
àAlors
1
Pour réduire l’influence du
terme -0au
- ’J
minimum,
l’absorption
totale AI" doit être aussigrande
quepossible,
en d’autres termes, la flamme doit être colorée intensément.Suivant la f ormule de
rayonnement
de Wienoù
T,
latempérature
de laflamme;
’
S,
latempérature
de la source de lumièreauxi-liaire ;
i,,
lalongueur
d’onde = o,58o~. et c2 =
~435o
mi-cron-degré.
Si
( T - S)
= E, l’erreur sur la mesure detempé-rature, est très
petit,
on aura à peuprès
ou
Aux
températures
d’environ 28oooC,
par des flammes à peuprès
à saturation de coloration(A
environégal
une erreur de 1 pour 100 dansle
réglage
de la luminosité donne un écart d’envi-ron 3~,5, cequi correspond
bien avec l’écart de 50 C trouvé dans nos mesures. Un oeïl normal nepeut,
en
effet,
distinguer
des différences de luminositéinf érieures à I ou 2 pour i oo.
Exigences imposées
à la mesure. - Pour obtenir une brillance suffisante dans lespectroscope,
on
projette
uneimage
de la source lumineuse auxi-liaire dans la flamme etensuite,
à l’aide d’une secondelentille,
onprojette
lesimages
de cettesource et de la flamme dans la fente du
spectroscope.
Pour obtenir une mesure detempérature
exacte,il faut que :
io La source de lumière auxiliaire soit
homogène;
2~ La source de lumière auxiliaire émette unspectre
continu(dans
levoisinage
immédiat de la raie servant à lamesure);
30 Les
points
1 et 2 ne soient pas influencés par leréglage
de l’intensité del’émission;
40
L’ouverture entière de la seconde lentille soit éclairée entièrement par la source delumière,
puisque
la flamme l’éclaire
identiquement.
Lorsque,
afin depouvoir
mesurer destempéra-tures
plus
élevées,
nous avonsremplacé
lalampe
à ruban detungstène
(qui
répond
auxexigences
formu-lées
plus haut)
par unelampe
à arc, il a été nécessairede modifier le
principe
de ladisposition,
car lalampe
à arc ne satisfait pas aux trois
premières exigences.
Montage
lors de l’utilisation d’unelampe
à arc comme source lumineuse. - Ladisposition
estreprésentée schématiquement
par laligure 1.
Fig. 1.
On utilise
uniquement
la lumière émise par le cratère du charbon horizontal de lalampe
à arc. Le cratère n’a paspartout
la mêmetempérature
ni la même luminosité. Le cratère nepeut
donc pasêtre
projeté
dans laflamme,
mais il faut avoir soinqu’en
chaque
point
de la flamme se réunissent tous les rayons du cratère. Celapeut
être réalisé enproje-tant le cratère devant la flamme
(au
moyen de lalentille
LI)
et enprojetant
ensuite l’ouverture deLi
dans la flamme(au
moyen de la lentilleL2).
Celapermet
en mêmetemps
de parer au deuxièmeinconvénient de la
lampe
à arc. Eneffet,
dans lespectre
de lalampe
à arc, on a constaté l’existence d’une raie Na assezclaire,
due au fait que dans362
luminosité que le cratère lui-même. En
plaçant
surl’image
du cratère undiaphragme
D2 légèrement
plus petit
quel’image
elle-même,
on pourra arrêter presque toute la lumièreprovenant
de l’arc à flamme etsupprimer pratiquement
la raie Na.Au même
endroit,
la luminosité des rayonsqui
passent
à travers lediaphragme
peut
être réduiteau moyen d’un filtre G.
Derrière la flamme est
placée
une lentilleL3,
qui
projette
la flamme avecl’image
L,
sur la fente duspectroscope
S. Il est extrêmementimportant
que les deux cônesprojetant
lesimages
sur la fente coïncident.A cet
effet,
onemploie
undiaphragme
D3
devantL3.
Sur ce
diaphragme qui
doit êtreplus petit
quel’image
du cratère à cetendroit,
le cratère estprojeté
nettement parL2.
Les rayons de la flamme et de la
lampe
à arcpassent
alors exactement par la même ouverture(D )
vers le
spectroscope,
et les luminosités sont alors effectivementégales, lorsqu’on
les voitainsi,
cequi,
autrement, ne serait pas le cas.Aussi,
l’écran Ddoit-il être très
grand
pourempêcher
les rayons de tomber directement de la flamme dans lespectro-scope.
Devant le
spectroscope
onplace
également
ungrand
écranD,,
surlequel
estprojetée
uneimage
de la
flamme,
et où est situéeégalement
la fente duspectroscope.
Il est doncpossible
de déterminer exactement l’endroit de la flamme où latempérature
est mesurée.Par
réglage
dudispositif
d’obscurcissement,
onaffaiblit la luminosité de la
lampe
à arc defaçon
que la luminosité de son
spectre
devienneégale
à celle de la raie Na de la flamme.Ensuite,
onremplace
lespectroscope
par le pyro-mètreoptique qu’on pointe soigneusement
surl’image
deLI
dans la flamme(après
avoir enlevé la lentilleL3
etprojeté
le cratère sur l’ouverture dupyromètre
pardéplacement
de la lentilleL2.
(Montage
représenté
à lafigure 2.)
Finalement,
on mesure latempérature
de brillancecorrespondant
à la lumière affaiblie de lalampe
à arc(température
noire).
. Fig. 2.
Quelques points
importants
à observer aumontage. -
Il semble trèsimportant
que letrajet
des rayons soit exactement celuiindiqué
ci-dessus. Il ne suffit donc pas que les lentilles et lesdiaphragmes
soientsoigneusement
centrés et mis aupoint,
maisil faut aussi veiller à ce que le cratère ne se
déplace
pas.Pour cette
raison,
nous avons utilisé unelampe
àarc commandée par un mouvement
d’horlogerie
très exactementréglé. Malgré
depetites
variations de tension dans leréseau,
la différence maximum entre les mesures effectuées avec lepyromètre
était de 3oo C. Pouraugmenter
encore cetteprécision,
nous avons effectué un
grand
nombre de mesures avec lepyromètre
en visant sur ledispositif
d’obscur-cissement,
de sorte que lestempératures
provenant
des différentes mises au
point
de cedispositif
peuvent
être lues sur la courbe A du
graphique
3),
représentant
la moyenne d’un certain nombre demesures. Par ce moyen, nous avons obtenu dans les
mesures de
températures
uneprécision
relatived’environ 5o C.
Pour obtenir une
image plus
nette dans lespec-troscope,
la flamme a été coloréeplus
intensémentpar
injection
dans la flamme d’une solution de selau moyen du courant
d’oxygène.
Nous avons obtenuune
reproductibilité
d’environ i mm sur ledispo-sitif
d’obscurcissement,
cequi
correspond
à unedifférence de
température
d’environ 80 C.Pour le
réglage
de la luminosité de lalampe
à arc,on utilisa un
dispositif
d’obscurcissement(filtre
gris G) qui
fut obtenu enreproduisant
un coin dedensigraphe
sur uneplaque
photographique.
Ladensité passe à peu
près
linéairement de 0,01 ào,~5.
Afin de
protéger
cet écran contre les rayonscalori-fiques
émis par lalampe
à arc, nous avonsplacé
derrière la lentille
L,
un filtre à eau de 5 cmd’épais-seur.
absorbe une
plus
grande
quantité
de lumière rouge(employée
pour la mesure aupyromètre)
que delumière
jaune
(employée
pour la mesure auspectro-scope),
de sortequ’une
correction detempérature
était rendue nécessaire.Cette correction a été calculée à l’aide de la formule de Wien à
partir
desquantités
de lumièrequi
traversent lefiltre,
et estindiquée
augraphique
( fig.
3, courbeB).
Fig. 3.
En tenant
compte
de tous cesfacteurs,
onpeut
obtenir une haute
précision,
qui,
comme nous l’avonsdéjà
ditplus
haut,
peut
être d’environ 50 C.Les mesures sont
indiquées
augraphique (fig. 4).
Fig. 4.
Résultats des mesures et des calculs de
température
de flamme. Mesures detempéra-ture. - La courbe des
températures
mesurées dela flamme de propane
oxygène,
enparticulier,
permet
de tirerquelques
conclusionsthéoriques
trèsimpor-tantes pour le calcul de la
température
de la flamme : Enportant
le débitd’oxygène
de 2 mold’oxygène
par molécule de propane à 3,5 mold’oxygène
par molécule de propane, latempérature
de la flammeaugmente
régulièrement jusqu’à
26700
C. Mais on remarque, en élevant encore le débitd’oxygène,
que l’élévation de la
température
cessebrusque-ment, de sorte que la courbe
présente
unpalier
horizontal entre 3,5 et 5 mol
d’oxygène
par molécule de propane.Ce
palier indique
que, àgauche
et à droite dupoint correspondant
à 3,5 mold’oxygène
par molécule de propane, seproduisent
différentes réactions :A
gauche.
-Le carbone de la molécule de propane est
complètement
oxydé
jusqu’à
CO,
lesurplus
d’oxygène primaire
étant combiné à unepartie
del’hydrogène
moléculaire du propane. A droite. - Le carbone etl’hydrogène
du propane sont brûléscomplètement
jusqu’à
CO etH,O,
lesurplus d’oxygène
étant combiné avec unepartie
du CO
jusqu’à
formation deCO2.
La différence fondamentale entre la réaction de
gauche
et celle de droite résulte donc de l’absence de gazcarbonique
dans lapartie gauche
de la courbe.Les différentes
phases
de la combustion sontschématiquement
les suivantes :10
Oxydation
du carbone enoxyde
decarbone;
20Oxydation
del’hydrogène
en eau;30
Oxydation
del’oxyde
de carbone en gazcarbonique.
Lorsqu’on
admet 5 mold’oxygène
par molécule de propane, la combustionprimaire
seproduit
jusqu’à
formation deCO2
etH20
et enaugmentant
encore le débit
d’oxygène
latempérature
de la flamme s’abaisse parce que laquantité
de chaleur libérée nepeut
dépasser
celle de la combustioncomplète
et que l’excèsd’oxygène
exerce une actionrefroidissante.
Nous avons constaté
expérimentalement
que cettehypothèse
est exacte, du moins pour les flammesd’hydrocarbures
avecl’air,
danslesquelles
la disso-ciation deH2
et0,
en atomes estnégligeable.
Les gaz
prélevés
au centre de laflamme,
lorsque
la
quantité d’oxygène
admise n’atteint pas 3,5 par molécule de propane, contiennent encore du gazcarbonique,
cequi
peut
êtreexpliqué
par la réactionIl faut admettre
qu’à l’échantillonnage
ces gaz se refroidissentdepuis
latempérature
de la flammejusqu’à
latempérature
ambiante et que toutes sortes dedéplacements d’équilibre
peuvent
se364
La combustion
primaire
s’accomplit
suivantl’équa-tion
générale
En
prélevant
un échantillon dans le centre de laflamme et en
analysant
les gaz de combustionprimaire (secs),
nousappelons :
a, le
pourcentage en
C02;
b,
lepourcentage
enCO;
c, le
pourcentage
enH2;
avec a + b + c = 100.Dans ces conditions
ou
Nous avons démontré que des variations de a, b et c, par suite de
déplacement
dansl’équilibre
n’ont pas d’influence sur la valeur de
~,
calculéed’après
les chiffres trouvés àl’analyse.
Calcul des
températures
de flamme. --Admettons commepoint
dedépart
que l’ordre des réactionssoit,
eneffet,
égal
à celuiindiqué plus
haut,
c’es.t-à-dire quel’oxygène
primaire
se combinedans le cône de combustion
primaire
avec le carboneen formant CO et en libérant
H,;
enaugmentant
la
quantité d’oxygène, l’hydrogène
estoxydé,
tandis que le CO resteintact,
pour êtreoxydé
jusqu’à C02
lorsque
toutl’hydrogène
estoxydé.
Théoriquement,
laquantité
de caloriesdégagée
par une certaine réaction sert auchauffage
desproduits
de réaction de latempérature
initiale(oo C)
à latempérature
de la flamme.La
perte
parrayonnement
peut
êtrenégligée
parce que nous ne mesurons que lestempératures
de flammes incolores.On ne
peut
pasmultiplier
le nombre de moléculesdes
produits
de réaction par l’élévation detempé-rature et par la chaleur
spécifique
moyenne entre latempérature
initiale(oo C)
et latempérature
deflamme,
parce queplusieurs
d’entre eux sont aussiplus
ou moins dissociés.M. le Prof. Ribaud a
composé
destableaux,
indiquant
le nombre de calories nécessaire pour chauffer lesproduits
de réactionCO,
C02,
H,,
O2
et
H20
de oo à différentestempératures
trèsélevées,
en tenant
compte
de laquantité
de chaleur néces-saire à cestempératures
pour maintenir ledegré
de dissociation que les
produits
de réaction doivent avoir à cestempératures.
Pour effectuer les
calculs,
onpart
d’unetempé-rature de flamme
plausible,
pourlaquelle
on calcule à l’aide du tableau de Ribaud le nombre de calories nécessaire pourporter
lesproduits
de combustion de 0° C à cettetempérature,
et encomparant
ensuite le nombre de calories trouvé avec le nombre de caloriesdisponibles dépendant
de la réaction consi-dérée. Engénéral,
ces chiffres différeront et l’on modifiera alors latempérature
de flamme admise de tellefaçon
que les chiffrescorrespondent.
Latempérature
ainsi trouvée est latempérature
vraie de la flamme.Par cette
méthode,
nous avons calculé lestempé-ratures de flamme
primaire
de laplupart
deshydro-carbures,
et nous avons constaté que les chiffresobtenus
correspondaient
assez bien avec ceuxqui
avaient été mesurés.
Pour les réactions où il
pouvait
seproduire
unecombustion
secondaire,
lestempératures
mesurées étaientsupérieures
auxtempératures
calculées,
desorte
qu’aux
mesures à travers lepanache produit
par la combustionsecondaire,
nous avons trouvé pour la combustionprimaire
unetempérature
trop
élevée.
Lorsque
l’on’
avait affaire à une combustionprimaire
complète,
latempérature
mesurée était à peuprès égale
à latempérature
calculée. Lapetite
différence est due au refroidissement causé par lasolution de sel
employée
pour la coloration de la flamme.’
Fig. 5.
Les
graphiques ci-joints
danslesquels
lestempé-ratures de flamme sont
exprimées
en fonction dule
graphique figure
7, danslequel
laquantité
de caloriesprimaires dégagées
par gramme de gaz estFig. 6.
exprimée
en fonction de laquantité
d’oxygène,
donnent une idée des différences d’efficacité
qui
existent entre les différentes flammes.
..
u a c .;J ... u u 1 0 7 W il lc Fig. 7.
Si les
températures
de flamme sontidentiques,
ilpeut
très bien exister une différence entre lesquan-tités de calories
primaires
dégagées
(voir graphique
fig. 8).
Latempérature
de flamme d’un gazpeut
êtresupérieure
à celle d’un autre gaz, même si laquantité
de caloriesprimaires
dégagées
par gramme estplus
grande
pour le second gaz que pour lepremier.
Fig. 8.
Le
rapport
caloriesprimaires-calories
secondaires ainsi que lestempératures
de deux flammespeuvent
être trèsdifférents,
cequi
explique
la différenced’efficacité de ces flammes.
Il résulte de tout ceci que la diff érence entre l’efficacité
pratique
des deux flammes n’est autre chose que la différence entre leurs rendementscalori-fiques primaires respectifs,
car c’estprécisément
ledégagement
de chaleurprimaire qui
est utilisé dans lapratique,
les calories libérées par la combus-tion secondaireayant
peu d’utilité etpouvant
être mêmeparfois
gênantes.
La flamme
d’acétylène
usuelle(i
g de gaz pour1,23 g
d’oxygènè)
libère au total(chaleur primaire
et chaleursecondaire)
II 600 cal par gramme degaz
parmi
lesquelles 4
100 cal sont libérées par la combustionprimaire.
Le rendementcalorifique
366
La flamme de propane usuelle
(i
g de gaz pour 3 gd’oxygène)
libère au total(chaleur primaire
et chaleursecondaire)
10 goo cal par gramme de gaz,parmi
lesquelles
8 200 cal sont libérées par lacombus-tion
primaire.
Le rendementcalorifique
primaire
du propane est donc de75
pour 100.Composition
des gaz de combustionprimaire.
- La
composition
des gaz de combustionprimaire
varie avec laquantité ’d’oxygène primaire
admise de la manière suivante :a.
L’oxydation
del’hydrocarbure (composé
de carbone C etd’hydrogène H2)
seproduit
de tellemanière que le carbone est d’abord
oxydé
jusqu’à
CO(oxyde
decarbone)
et quel’hydrogène
reste intact(la
flamme est lumineuse aussilongtemps qu’elle
contient encore du carbonelibre).
b.
Lorsque
tout le carbone estoxydé
jusqu’à
CO,
et que la flamme est devenue incolore
(non lumineuse),
l’hydrogène
estprogressivement
oxydé jusqu’à H20,
alors quel’oxyde
de carbone reste engrande partie
intact.c.
Lorsque
toutl’hydrogène
estpratiquement
oxydé jusqu’à H.0, l’oxyde
de carbones’oxyde
progressivement
enCO2 (gaz carbonique).
Le centre de la flamme contient donc :
Dans le cas a : du carbone
atomique,
CO etH2,
laquantité
de carbone décroissantlorsque
laquantité
d’oxygène primaire
augmente;
Dans le cas b :
CO,
H2
etH20,
laquantité
d’hydro-gène
diminuantlorsque
laquantité
d’oxygène
augmente,
cequi
provoque un accroissement de laquantité
deH20 (en
réalité laquantité
deC02
existante est faible comme nous l’avons vu
plus
haut);
Dans le cas c :
CO,
CO2
etH20,
laquantité
de CO diminuantlorsque
laquantité
d’oxygène primaire
augmente,
cequi
provoque un accroissement de laquantité
deCO2.
En
ajoutant
de l’air au lieud’oxygène,
il convient de tenircompte
d’une certainequantité
d’azoteN3,
ce
qui
entraîne commeconséquence
que latempé-rature maximum derrière le front de combustion
primaire
n’est pas obtenue avec lerapport
gaz-oxygène
nécessaire à la combustioncomplète,
maisavec un
rapport
plus
faible.Dans les cas ci-dessus
décrits,
le centre de laflamme sera donc :
Dans le cas a : une
atmosphère
réductricepuisque
CO etH2
réduisent lesoxydes;
Dans le cas b : une
atmosphère
corrosive,
puisque
auxtempératures
élevées,
la vapeur d’eauréagit
chimi-quement
sur lefer;
Dans le cas c : une
atmosphère
corrosive etoxydante,
l’atmosphère
étantoxydante puisque
à hautetempé-rature, le gaz
carbonique CO,
estdécomposé
enoxyde
de carbone CO etoxygène.
Dans la
pratique
de lasoudure,
on entend par«
atmosphère
corrosive » les cas où intervient la réactionchimique
de la vapeurd’eau;
ce terme nepeut
donc êtreemployé
que si l’on considère les métauxqui
sontoxydés
à hautestempératures
par la vapeur d’eau : le fer et les aciers parexemple.
Les cas 6 et 9 sont
pratiquement
irréalisables,
lorsque l’acétylène
estmélangé
avecl’oxygène
dans laproportion
de 1-1,5, la vitesse dedéflagration
devient si élevéequ’il
n’estpratiquement plus
possible
d’obtenirl’équilibre
de flamme pour desrapports gaz-oxygène
plus
élevés;
il seproduit,
soit un retour de flammelorsque
le débit de gaz devienttrop faible,
soit une extinction parsoufflage lorsque
le débit devienttrop
élevé.Les cas 7 et 8
qui correspondent
à une combustioncomplète,
doivent être évités dans lapratique,
àcause de l’influence du
CO2 lorsqu’il
est dissociéen CO et 0,.
De tout ce
qui précède,
onpeut
tirer les conclusions suivantes :a. Les
flammes
de propane et de butane ne sont pas utilisablespour la
soudureautogène
dufer et
del’acier,
puisque
la flamme réductrice(cas
no1)
aune
température
de flammeprimaire
trop
basse(84oo),
En
augmentant
laquantité d’oxygène
et en laportant
de 1, 5 à 3,5 vold’oxygène
par volume de propane, onpeut,
eneffet,
élever suffisamment latempérature jusqu’à
~6~0~
C(cas
no4),
mais la vapeur d’eauqui
se forme alors commeproduit
de réactionattaque
le fer(en
libérantH2)
de telle manière que lesoxydes
formés rendent la soudure poreuse et dequalité
inférieure.b. Les
flammes
de propane et de butane conviennentpar excellence à la soudure des métaux autres que le
fer
et à la soudo-brasure dufer, puisque
la vapeurd’eau n’exerce dans ce cas aucune influence nocive
(ceci s’applique également
à lafonte).
c. Les
flammes
de propane et de butane conviennentfort
bien àl’oxy-coupage
dufer, puisque
les gazprimaires
corrosifsprésentent
ici unavantage
(ils
empêchent
la scoried’adhérer).
Latempérature
de la flammed’acétylène
est, dans ce cas, extrêmementélevée,
de sorte que le bordsupérieur
de la coupe est brûlé.Conclusions. - Cette étude
a
permis d’adapter
la mesure des
températures
de flamme par la méthode de renversement des raies deFéry
pour des valeursatteignant
3oooo avec uneprécision
de 50 C.En ce
qui
concerne lespropriétés
particulières
de la flamme oxy-propane, elle a donné les résultats suivants :
10 Rendement
calorifique primaire
élevé;
2~
Température
relativementbasse;
30
Composition
favorable des gaz de combustionprimaire
pour certainesapplications;
40
Faible vitesse depropagation.
Ces diverses
propriétés
permettent
d’élever laquantité d’oxygène
primaire
admiseaugmentant
ainsi lapuissance thermique
des brûleurs et ouvrant untrès vaste
