Combustion du carburant et transfert de chaleur dans les fours : optimiser l'efficacité énergétique

La chaleur est nécessaire dans un four pour chauffer la charge (matériau à chauffer) et parfois pour des réactions chimiques. Les trois sources d'énergie thermique sont : (i) la combustion de carburants, (ii) l'énergie électrique, et (iii) l'énergie chimique issue de réactions exothermiques. Hormis les fours électrothermiques, ce besoin de chaleur (hors énergie chimique) est satisfait par la combustion d'un carburant. Celui-ci peut être gazeux (gaz de sous-produits comme le gaz de cokerie, gaz de haut fourneau, gaz de convertisseur, gaz naturel, GPL), liquide (fioul, goudron) ou solide (charbon, coke).

Principes de la combustion

Tous les carburants contiennent de l'énergie potentielle. Lors de la combustion, cette énergie est libérée dans les produits de combustion (PDC). La combustion est la libération contrôlée de chaleur et d'énergie par réaction chimique entre un carburant et un comburant. Presque tous les procédés industriels utilisent un carburant hydrocarbure. La réaction généralisée s'écrit : carburant + comburant = CO₂ + H₂O + autres espèces. Ces « autres espèces » dépendent du comburant et du rapport carburant/comburant. L'air est le comburant le plus courant (≈ 79 % N₂ en volume), l'azote traversant le processus. Si la combustion est riche en carburant (manque d'O₂), il reste des hydrocarbures imbrûlés et peu d'O₂ en excès. Si elle est pauvre en carburant (excès d'O₂), l'O₂ résiduel apparaît dans les fumées.

Influence du carburant sur le transfert de chaleur

Le pouvoir calorifique du carburant est primordial pour déterminer la quantité à brûler afin d'atteindre le débit de production souhaité. On distingue le pouvoir calorifique supérieur (PCS) et le pouvoir calorifique inférieur (PCI). Le PCI exclut la chaleur de vaporisation de l'eau (énergie pour passer de l'eau liquide à la vapeur) ; il suppose que tous les PDC sont gazeux, ce qui est le cas dans la plupart des applications industrielles. Si les produits de combustion sortent à une température assez basse pour que l'eau se condense, la chaleur de condensation est récupérée comme énergie supplémentaire — c'est le PCS.

La composition du carburant détermine celle des PDC et la quantité de comburant nécessaire. Sa densité conditionne les débits dans le système d'alimentation et le dimensionnement des tuyauteries.

Composition des gaz d'échappement et transfert de chaleur

La composition des fumées est cruciale pour le transfert de chaleur. Des hydrocarbures imbrûlés indiquent une combustion incomplète : toute la chaleur disponible n'est pas libérée. Un excès d'O₂ signifie qu'on a fourni trop de comburant ; cet excès emporte de l'énergie sensible par les fumées, réduisant l'utilisation de la chaleur du carburant. Si le comburant est l'air, une grande partie de l'énergie part dans la cheminée avec l'azote.

Les PDC transfèrent leur énergie à la charge pour l'amener à la température requise, puis quittent le four. La chaleur sensible des PDC à la température critique du processus n'est pas disponible pour le four. Plus cette température est élevée, plus la chaleur sensible perdue est importante — un point clé pour l'utilisation du carburant.

Combustion enrichie en oxygène

Deux types de comburants sont courants : l'air (majorité des procédés) et les comburants enrichis en O₂ (> 21 % vol.) pour les procédés haute température. Cette combustion enrichie permet d'augmenter significativement le débit de production avec de faibles taux d'enrichissement. De nombreux brûleurs air/carburant supportent jusqu'à ≈ 30 % O₂ sans modification. Au-delà, la flamme peut devenir instable ou trop chaude pour un brûleur conçu pour l'air. Pour les très hautes températures, on utilise des comburants à > 90 % O₂, ce qui intensifie grandement le chauffage. La pureté du comburant influence fortement le transfert de chaleur.

Rapport carburant/comburant (stœchiométrie)

Le rapport carburant/comburant est central. Pour le méthane (CH₄) avec l'air, la réaction stœchiométrique simplifiée s'écrit : CH₄ + (2O₂ + 7,52N₂) = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂. Le rapport stœchiométrique est 2 (2 molécules O₂ par molécule CH₄). Cette méthode, ne considérant que l'O₂ du comburant, est utilisée pour les systèmes à enrichment O₂.

Les flammes réelles nécessitent un excès d'O₂ (≈ 3 % au-delà du théorique) pour assurer une combustion complète, dû aux limitations de mélange. Trop d'excès gaspille de l'énergie à chauffer l'air en excès au lieu de la charge. L'objectif : juste assez d'excès pour minimiser les émissions de CO. Exemple avec 3 % d'excès : CH₄ + (2,06O₂ + 7,75N₂) = CO₂ + 2H₂O + 0,06O₂ + 7,75N₂.

Caractéristiques des flammes turbulentes

La plupart des flammes industrielles sont turbulentes (nombre de Reynolds turbulent). L'échelle de Kolmogorov caractérise la dissipation ; l'échelle de Taylor relie taux de déformation et forces visqueuses. On distingue : flamme plissée, flamme fortement plissée, flammes dans les tourbillons, front de réaction distribué. Le nombre de Damköhler (Da = temps de réaction / temps d'écoulement) indique le régime de combustion.

Propriétés de combustion

Les propriétés clés pour le calcul du transfert de chaleur sont : (i) composition des produits de combustion, (ii) température de flamme, (iii) chaleur disponible, (iv) volume des fumées.

Produits de combustion

Plusieurs variables influencent les PDC : composition du comburant, rapport de mélange, températures de préchauffage air/carburant, composition du carburant.

Composition du comburant — Pour CH₄/air stœchiométrique : CH₄ + 2O₂ + 7,52N₂ = CO₂ + 2H₂O + 7,52N₂ + traces. > 70 % vol. des fumées est N₂. Pour CH₄/O₂ pur : CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O + traces. Le volume de fumées chute drastiquement sans N₂. En général : CH₄ + 2O₂ + xN₂ = CO₂ + 2H₂O + xN₂ + traces.

La composition réelle dépend du comburant, de la température des gaz, et du rapport d'équivalence (rapport carburant/air réel sur stœchiométrique). La combustion stœchiométrique consomme tout l'O₂ (pas d'O₂ moléculaire dans les produits).

Un processus adiabatique (pas de perte de chaleur, enceinte parfaitement isolée) n'existe pas en pratique : la flamme rayonne. Les produits majeurs de la combustion adiabatique à l'équilibre pour CH₄ dépendent du comburant. À l'équilibre (temps infini pour les réactions), en retirant N₂ du comburant, sa concentration dans les fumées diminue, tandis que CO, CO₂, H₂O augmentent. Il y a beaucoup de CO à hauts taux d'O₂. Les radicaux H, O, OH augmentent avec l'O₂. Le NO augmente puis diminue après ≈ 60 % O₂ (moins de N₂ disponible). Avec O₂ pur, pas de NO. Le carburant imbrûlé (H₂, CO) et l'O₂ non réagi augmentent avec la concentration d'O₂, par dissociation chimique à haute température.

La température de flamme réelle est inférieure à la température adiabatique d'équilibre (combustion imparfaite, rayonnement). Elle dépend de l'émissivité de la flamme et de l'absorptivité de la charge et des parois. Une flamme très lumineuse a une température plus basse qu'une flamme non lumineuse. La température est aussi plus basse si la charge et les parois sont plus absorbantes (températures plus basses, absorptivité plus élevée).

En quittant la flamme, les gaz perdent encore de la chaleur par convection et rayonnement. L'objectif est de transférer l'énergie chimique du carburant vers la charge. Plus le processus est thermiquement efficace, plus la température à la cheminée est basse par rapport à la flamme. La composition des PDC évolue avec la température des gaz.

Rapport de mélange — Les concentrations d'O₂ et N₂ dans les fumées diminuent strictement avec le rapport d'équivalence. H₂O et CO₂ culminent aux conditions stœchiométriques (important : ces gaz produisent un rayonnement gazeux non lumineux). Les carburants imbrûlés (H₂, CO) augmentent avec le rapport d'équivalence, réduisant la chaleur disponible.

Températures de préchauffage air et carburant — La récupération de chaleur préchauffe l'air de combustion (parfois le carburant) pour améliorer le rendement thermique. Le préchauffage de l'air ou du carburant modifie la composition des PDC. CO₂, H₂O, N₂ diminuent dans les fumées avec le préchauffage air, par dissociation. Le préchauffage carburant est limité (sécurité, risque de goudronnage) ; son impact est moindre car la masse de carburant est faible face à la masse d'air. Le préchauffage air a un impact bien plus significatif.

Composition du carburant — Les PDC dépendent du carburant. Carburants gazeux courants : H₂, CH₄, C₃H₈, mélanges H₂/CH₄. En luminosité : H₂ = flamme non lumineuse, CH₄ = faible luminosité, C₃H₈ = forte luminosité.

Température de flamme

Variable critique pour le transfert de chaleur flamme → charge. La température adiabatique dépend du comburant, du carburant, du rapport de mélange, des préchauffages. Les températures réelles sont plus basses mais les tendances sont comparables.

Comburant et carburant — La température augmente significativement en remplaçant l'air par O₂ (N₂ dilue et abaisse la température). Hausse rapide de l'air à ≈ 60 % O₂, puis plus lente. Le carburant influence fortement : dans un mélange H₂/CH₄, la température monte avec la teneur en H₂ (non linéaire, plus rapide à haute teneur). H₂ coûteux, peu utilisé sauf sous-produits de procédés chimiques.

Rapport de mélange — Pic de température aux conditions stœchiométriques. Plus l'O₂ dans le comburant est faible, plus l'écart aux conditions non stœchiométriques abaisse la température (plus de N₂ absorbant la chaleur). Aux conditions stœchiométriques, juste assez d'oxydant pour brûler tout le carburant ; tout excès absorbe de l'énergie sensible et baisse la température. En pratique, le pic est souvent légèrement côté pauvre (mélange imparfait). Presque toutes les applications tournent en conditions pauvres pour minimiser CO. La température de flamme peut être proche du pic (bon pour le transfert de chaleur). Problème : maximiser la température maximise aussi les NOx (croissance exponentielle avec la température). D'où des concepts de brûleurs pour réduire le pic de température et les NOx, affectant le transfert de chaleur.

Préchauffage comburant et carburant — La température adiabatique varie avec le préchauffage du comburant. Pour O₂/CH₄, l'augmentation est faible (chaleur sensible de l'O₂ = fraction de l'énergie chimique du carburant). Pour air/CH₄, l'impact est marqué (grande masse d'air). La température adiabatique augmente vite pour flammes air/carburant.

Chaleur disponible

La chaleur disponible détermine le rendement thermique global et le transfert de chaleur. Inutile de maximiser le transfert dans un système à faible chaleur disponible. Chaleur disponible = pouvoir calorifique du carburant – énergie emportée par les fumées chaudes.

Chaleur disponible brute (CDB) = PCI du carburant + chaleur sensible des réactifs – chaleur emportée par les PDC sortant du four. CDB = chaleur disponible à la température critique du processus (ne tient pas compte des pertes). Critère de comparaison systèmes carburant/combustion.

Dans un four, il y a des pertes (température critique, épaisseur et conductivité du réfractaire). Chaleur disponible nette (CDN) = CDB – pertes. CDN = critère de comparaison efficacité fusion/réchauffage de différents fours.

Les pertes par ouvertures, parois, infiltrations d'air ne sont pas dans la chaleur disponible théorique (dépendent du processus). La chaleur disponible théorique est proportionnelle à l'énergie réellement absorbée par la charge, donc liée au rendement thermique. On l'utilise pour montrer les tendances de rendement selon : température des fumées, compositions comburant/carburant, rapport de mélange, préchauffages.

La chaleur disponible diminue vite avec la température des fumées et est peu sensible à la composition du carburant. Pour maximiser le rendement, il faut minimiser la température des fumées : maximiser le transfert fumées → charge/parois, et récupérer la chaleur des fumées (préchauffage comburant/carburant).

Plus la température des fumées monte, plus l'énergie part avec elles, moins il en reste. La chaleur disponible tombe à zéro à la température adiabatique d'équilibre (pas de perte). Pour CH₄/O₂ à 2000 °C, chaleur disponible encore 57 %. CH₄/air peu économique pour haute température : à 1300 °C, seulement ≈ 30 %. Récupération par air préchauffé utilisée pour augmenter le rendement.

À mesure que la température des fumées augmente, la chaleur disponible chute. Il y a une hausse initiale rapide quand la concentration O₂ passe de 21 % (air) à plus — raison de la popularité de l'enrichissement O₂ (gain incrémental significatif). Le rendement thermique CH₄/air double avec air préchauffé à ≈ 1100 °C.

Pour CH₄/O₂, le gain par préchauffage O₂ est bien moins dramatique (rendement initial déjà 70 %, masse O₂ moins significative que masse air). Problèmes sécurité avec O₂ chaud dans tuyauteries, récupérateurs, brûleurs. Économies de carburant calculables via les courbes de chaleur disponible.

Volume des gaz d'échappement

Le débit de gaz dans la chambre de combustion est proportionnel au transfert convectif vers la charge. Facteurs influents : température des gaz (dilatation thermique → débit réel plus élevé en m³/h), mais débit corrigé STP inchangé. Préchauffer carburant ou comburant augmente la température de flamme → débits réels plus élevés.

Facteur majeur : composition du comburant. Combustion enrichie O₂ = retrait N₂ du comburant. Changement majeur vs air/carburant : réduction volume fumées. Pour chaque volume unitaire de carburant : 3 volumes normalisés de gaz pour O₂/carburant vs 10,5 pour air/carburant. Cette réduction a effets positifs et négatifs, mais réduit la vitesse moyenne des gaz dans la chambre et donc le transfert convectif vers la charge.

Propriétés de transport des gaz d'échappement

Propriétés de transport des composants gazeux dans la chambre : cruciales pour transfert de chaleur et dynamique des fluides. Dépendent fortement de la température et de la composition. Propriétés importantes pour le transfert de chaleur dans les chambres de fours industriels varient selon : compositions carburant/comburant, rapport de mélange, température de préchauffage air. L'effet du préchauffage carburant est minimal. Composition et température des gaz nécessaires pour le rayonnement gazeux non lumineux. Propriétés de transport nécessaires pour le coefficient de convection (souvent via nombre de Nusselt Nu). Nu = f(Prandtl Pr, Reynolds Re). Coefficient de convection h = Nu·k/d (d = dimension caractéristique, k = conductivité thermique fluide). Propriétés gazeuses nécessaires pour Nu, Pr, Re :

• Densité — Calcule Re (nécessaire pour coefficient convection). Calcule vitesse moyenne gaz dans chambre (nécessaire pour coefficient convection). Densité ∝ 1/T absolue. Densité chute vite quand teneur O₂ comburant augmente (températures de flamme plus hautes). Densité plus faible → Re plus faible → convection réduite (toutes choses égales). Mais débit massique aussi en baisse. Vitesse moyenne gaz peu impactée (effet combiné densité + débit massique), donc impact sur convection par vitesse minimal.
• Chaleur massique — Calcule Pr (pour coefficient convection). Augmentation non linéaire avec température fumées (plus rapide à haute T). Augmente quasi linéairement avec % O₂ comburant → améliore convection (toutes choses égales). Relation complexe avec rapport d'équivalence (dépendance forte au carburant). Tous carburants : augmentation initiale, max local stœchiométrique, puis baisse, plateau, hausse. Pour CH₄, hausse rapide à forts rapports d'équivalence. La plupart procédés tournent légèrement pauvres → relation plus linéaire. Pour mélanges H₂/CH₄, hausse rapide à haute teneur H₂. Température de flamme suit relation similaire.
• Conductivité thermique — Affecte Pr (inversement) → coefficient convection. Relation ~√T absolue. Augmentation non linéaire avec T (similaire à chaleur massique). Augmente vite avec % O₂ comburant (quasi linéaire, plus rapide à bas % O₂). Relation complexe avec rapport d'équivalence : max local stœchiométrique. Pour H₂, max local = max global sur large gamme. Pour CH₄, hausse rapide conditions très riches (conductivité > max local). Phénomène similaire pour C₃H₄. Procédés tournent légèrement pauvres mais changement rapide conductivité côté pauvre. Relation simple avec préchauffage air : conductivité augmente légèrement plus que linéairement. Augmente très vite avec teneur H₂ dans mélange H₂/CH₄.
• Viscosité — Mesure diffusion momentum. Relation similaire à conductivité. Importante pour Pr et Re (effets opposés). Viscosité ↑ → Pr ↑, Re ↓ (autres variables constantes). Viscosité cinématique liée à dynamique. Hausse quasi linéaire avec T fumées. Augmente avec % O₂ comburant (similaire T adiabatique). Pic à rapport d'équivalence 1,0 (stœchiométrique), baisse côté riche ou pauvre. Augmente avec préchauffage air (comparable T flamme). Augmente avec teneur H₂ dans mélange H₂/CH₄ (plus rapide à haute teneur).
• Nombre de Prandtl (Pr) — Fréquemment utilisé pour coefficient convection. Composants : chaleur massique, viscosité, conductivité thermique. Combinaison formant Pr varie selon compositions carburant/comburant, rapport mélange, préchauffage air. Peu de changement avec préchauffage carburant. Pr diminue avec T (non uniforme : modéré, puis lent, puis rapide à haute T). Relation hautement non linéaire avec composition comburant. Pour CH₄ et C₃H₈ : Pr chute vite puis palier à haut % O₂. Pour H₂ : minimum vers 50 % O₂. Relation hautement non linéaire avec rapport d'équivalence (max/min locaux). Pr décline quasi linéairement avec préchauffage air. Pr diminue quand teneur H₂ diminue dans mélange H₂/CH₄ (chute rapide à haute teneur H₂).
• Nombre de Lewis (Le) — Rapport diffusivité thermique / diffusivité moléculaire (masse). Important pour transfert chaleur en combustion. Pour Le > 1 : améliorations convection par réactions de recombinaison chimique. Le = 1 pour T < 1200 °C (selon carburant), puis monte vite à T plus hautes. Le > 1 pour toutes compositions comburant en conditions adiabatiques d'équilibre (T flamme max). Valeurs Le culminent à compositions comburant intermédiaires, chutent à hauts % O₂. Pic dramatique aux conditions stœchiométriques, Le < 1 à hauts rapports d'équivalence. Le augmente quasi linéairement avec préchauffage air (conditions adiabatiques d'équilibre). Augmente plus vite avec teneur H₂ dans mélange H₂/CH₄.

Transfert de chaleur dans un four

Facteurs affectant le transfert de chaleur vers la charge :

Flux de chaleur à l'intérieur de la charge

Four électrique (charge comme résistance ou induction) : lignes de flux concentrées juste sous la surface. Four à carburant : chaleur entre par la surface (rayonnement/convection) et diffuse par conduction. Nécessite un gradient de température dans la charge. Flux stationnaire à travers charge plate. Pour autres géométries : lignes de flux rarement parallèles et stationnaires. Flux transitoire : détermination T(t, x) → méthode éléments finis. Augmenter T four (fort « gradient thermique ») ou « chauffage rapide » → chauffage non uniforme → temps de trempe plus long, annulant parfois l'avantage du chauffage rapide.

Conductivité et diffusivité thermiques

Large variation conductivités thermiques des métaux → impact direct sur capacité chaleur à traverser/diffuser → fort effet sur distribution/uniformité température dans solides. Facteur clé : diffusivité thermique = conductivité thermique / (chaleur massique × densité). Numérateur = taux flux chaleur entrant dans volume unitaire. Dénominateur = chaleur absorbée par ce volume. Ratio numérateur/dénominateur élevé → chaleur conduite, distribuée, absorbée efficacement.

Conductivités et diffusivités des solides varient beaucoup avec T. Chaleurs massiques et densités varient peu (sauf aciers à transition de phase). Conductivités métaux purs solides baissent avec T ; alliages solides montent généralement avec T.

Temps de retard (lag time)

Effet conductivité sur flux chaleur et distribution T interne : Fig 1 (trois dalles même taille, alliages ferreux, chauffées des deux faces). Températures de surface montent vite dans les trois cas, mais températures intérieures montent différemment selon diffusivités. Temps différents pour atteindre l'équilibre avec T four.

Fig 1 Effet de la conductivité thermique sur le flux de chaleur et la distribution de température interne

Matériaux chauffés en fours industriels ne sont pas nécessairement continus. Charge = tôles enroulées ou pièces empilées. Chaleur ne passe d'une pièce à l'autre que par petits points de contact ou espaces remplis de gaz (conductivité très faible). Empilement plaques = très faible conductance. Même petits écarts = grande résistance thermique vs métal plein. Empilement ≠ solide continu (fines couches d'air = isolants). Écartements d'air variables → mauvaises non-uniformités T.

Flux chaleur rapide dans chaque pièce d'une charge empilée = circulation gaz chauds par convection et rayonnement gaz. Masses gaz doivent être constamment remplacées (faible masse, faible chaleur massique, fine épaisseur faisceau gaz → refroidissent vite sans livrer beaucoup chaleur). Pour chauffage uniforme et reproductibilité précise : éviter l'empilement.

Transfert de chaleur vers la surface de la charge

Trois modes : (i) conduction, (ii) convection, (iii) rayonnement. Essentiels pour concepteurs/opérateurs fours industriels. La plupart fours, fours à sole, fours à tunnel, incinérateurs, chaudières, réchauffeurs utilisent combustion carburant comme source chaleur. Combustion = cinétique chimique rapide et massive → conversion énergie chimique → énergie sensible (thermique). Augmenter surface mélange carburant/comburant ou T réactifs → réactions plus rapides → T source plus haute. Réactions oxydation carburant = exothermiques → risque emballement (énergie libérée plus vite qu'évacuée par transfert chaleur) → explosion possible.

Flamme = zone mince de réaction exothermique rapide. Exemple : bec Bunsen. Mélange pré-mélangé laminaire carburant/air allumé par source externe → zone réaction conique (front flamme). Turbulence augmente épaisseur et surface zone réaction → vitesse combustion plus élevée. Vitesse combustion laminaire gaz naturel ≈ 18 m/min ; turbulente = 2 à 10× plus vite. Flamme laminaire : dilatation thermique + réactivité accrue par T plus haute → accélération vers flamme turbulente. Sauf flammes lumineuses longues, la plupart flammes industrielles sont turbulentes.

Transfert de chaleur par conduction

Transfert molécule-à-molécule d'énergie vibratoire, généralement dans solides. Transfert par conduction seule vers charge rare en fours industriels. Se produit : métal froid posé sur sole chaude. Aussi, brièvement, pièce immergée dans bain de sel ou métal liquide.

Deux solides en contact parfait (pas couche calamine, air, fluide) : surfaces de contact adoptent instantanément T identique entre les deux T initiales. Gradients T dans les solides inversement proportionnels à leurs conductivités (Fig 2).

Fig 2 Effet de la conductivité et du temps sur les gradients de température dans deux solides de températures et conductivités différentes, en contact ferme

Flux chaleur (débit chaleur par unité surface) dépend des T des deux solides, mais aussi de leurs diffusivités et configurations. En pratique, peu de chaleur transférée par conduction vers/depuis charge, sauf flux chaleur billettes → patins refroidis à eau.

Métal froid immergé brutalement dans sel liquide, plomb, zinc, autre métal liquide : liquide gèle en surface du métal froid → transfert par conduction seule. Après très court temps, gaine solide (couche gelée) refond. Dès lors, transfert par conduction + convection.

Transfert de chaleur par convection

Combinaison conduction + mouvement fluide, transportant physiquement molécules chauffées/refroidies vers autre surface. Flux gazeux parallèle à surface solide → molécules vibrantes du flux transfèrent énergie vers/depuis surface.

« Couche limite » de fluide stagnant, visqueux, peu conducteur, adhère à surface solide → couverture isolante, réduit flux chaleur. Chaleur traverse couches stagnantes par conduction. Si vitesse flux principal augmente, elle « récure » la couche limite isolante (l'amincit) → augmente taux transfert convection. Conductance couche limite (coefficient film) = f(vitesse massique = momentum, nombre Re).

Fours < 600 °C : convection majeure (rayonnement faible). Brûleurs haute vélocité (haut momentum) = coefficients convection élevés. Hautes vitesses → distribution T plus uniforme autour pièce unique ou entre pièces multiples (plus de débit massique emporte plus de chaleur sensible à T plus modérées). À basses T four, hauts taux transfert total seulement par hautes vitesses gaz (rayonnement à 550 °C < 1/10 de celui à 1200 °C). Brûleurs haute vélocité comblent zones d'ombre où rayonnement n'atteint pas.

Transfert de chaleur par rayonnement

Rayonnement entre solides

Solides rayonnent même à basse T. Flux radiant net transféré à récepteur = différence entre rayonnement reçu d'une source et rayonnement réémis par récepteur vers source. Flux radiant net entre corps chaud (source) et corps plus froid (récepteur) = équations Stefan-Boltzmann.

Émissivité et absorptivité cruciales pour rayonnement entre solides. Émissivité = chaleur radiante émise par surface, en décimal du max possible (corps noir) par unité temps et surface. Émissivité apparente (émittance) = émissivité apparente pour surface apparente (plus grande par rugosité, rainures...). Absorptivité = chaleur radiante absorbée par surface par unité temps et surface, en décimal du max possible (corps noir).

Ingénieurs utilisent émissivité 0,85 pour fours à revêtement réfractaire conventionnel. Mais T, état surface, alliage font différence. Exemple : bande inox chauffée < 3 min dans four à chaines, émissivité peut ne pas changer même si T passe ambiante → 1100 °C. En mesurant T surface bande et T four, on a pu réviser calculs courbes chauffage, supposant oxydation n'a pas changé émissivité/absorptivité pendant cycle.

Rayonnement flammes claires et gaz

Deux origines rayonnement PDC → solides : (i) flamme claire et gaz, (ii) particules suie microniques dans flamme lumineuse. Rayonnement gaz clair ne suit pas loi puissance 4 Stefan-Boltzmann. Seuls gaz à ≥ 3 atomes/molécule (triatomiques) émettent/absorbent significativement : CO₂, H₂O, SO₂. Exception : CO diatomique (rayonnement plus faible). Autres diatomiques (O₂, N₂, air, H₂) : pouvoir radiant négligeable.

Rayonnement gazeux ne suit pas loi puissance 4 (gaz ne rayonnent pas toutes longueurs d'onde comme solides = corps gris). Chaque gaz rayonne seulement dans quelques bandes étroites. Rayonnement gaz clairs dépend : T gaz, pression partielle ou % vol. chaque gaz triatomique, épaisseur couche gaz.

T gaz rayonnant baisse dans sens écoulement. Pour maintenir rayonnement gaz actif, gaz doit être continuellement remplacé par nouveau gaz chaud → améliore aussi convection. Vitesses alimentation gaz plus élevées réduisent chute T le long parcours gaz. Facteur critique pour bonne uniformité T en fours haute T industriels.

Fours souvent conçus sur base rayonnement réfractaire → charge (résultats généralement raisonnables), mais certaines situations inexpliquées par rayonnement réfractaire seul. Rayonnement direct gaz four → charge = 62 % (± 2 %) chaleur transférée ; réfractaires = 38 % (± 2 %). T gaz nécessaires pour transférer chaleur vers réfractaire et charge = généralement bien plus hautes qu'assumé.

Rayonnement flammes lumineuses

Si portion riche en carburant d'un mélange air/carburant exposée à chaleur (partie plus chaude flamme), molécules carburant imbrûlé polymérisent ou craquage thermique → formation molécules lourdes solides. Particules suie brillent quand chaudes → luminosité, boostant pouvoir radiant total flamme.

Si carburant et air pas mélangés promptement sortie bec brûleur, peuvent être chauffés à T craquage hydrocarbures (polymérisation). Chauffage supplémentaire porte particules à T incandescence. En se mélangeant à O₂, elles brûlent. Au long flamme, formation nouvelles particules suie = taux combustion particules précédentes. Plus loin, production suie diminue, toute suie restante incinérée. Ces processus combustion mélange retardé doivent être terminés avant passage gaz combustion dans conduit fumée. Si flamme encore lumineuse entrée conduit, fumée sortie cheminée. Fumée = suie refroidie (refroidie, trempée) sous T inflammation minimale avant mélange air adéquat.

Pouvoir radiant ajouté flammes lumineuses → elles se refroidissent naturellement plus vite que flammes claires. Remplissent leur fonction — livrer chaleur. Phénomène refroidissement peut annuler partie gain luminosité supérieure (émissivité effective).

Flammes lumineuses souvent choisies car longueur ajoutée par mélange retardé → meilleure distribution T dans grandes chambres combustion. Avec fort préchauffage air combustion ou tir oxy-combustible, flammes lumineuses permettent d'augmenter débits chaleur.

Carburants forts rapport C/H₂ (huiles, solides) → flammes lumineuses. Carburants faible rapport C/H₂ (gaz) peuvent brûler lumineux : (i) mélange retardé, injection jets air/gaz basse vélocité côte à côte, (ii) haute pression pour « tirer » noyau haute vélocité carburant à travers air plus lent → bulk air ne « rattrape » carburant qu'après chauffage (polymérisation) par fine « manchette » interface flamme annulaire entre deux jets.

Flammes carburants solides peuvent contenir particules cendres (brillent, ajoutent luminosité). Carburants liquides/gazeux : luminosité = particules C et suie incandescentes. Émissivité effective flamme (mesurée) généralement entre gaz PDC et max 0,95 (selon surface totale particules solides). Normalement, transfert chaleur flamme lumineuse > flamme claire même T. Différence taux transfert nette en fours réchauffage aciers/métaux. Différence plus marquée à haute T (pouvoir radiant chaque molécule triatomique augmente, mais gain partiellement annulé par densité molécules radiantes/volume en baisse).

Autre phénomène : bandes rayonnement gazeux gardent leurs longueurs d'onde indépendamment T. À T plus hautes, zone haute intensité rayonnement solide (suie/C incandescents) se décale vers longueurs d'onde plus courtes (loin bandes gaz). En domaines haute T, rayonnement gaz clairs n'augmente pas aussi vite que rayonnement flammes lumineuses.

Rayonnement flamme = f(nombreuses variables : rapport C/H₂ carburant, rapport air/carburant, T air/carburant, mélange/atomisation carburant, épaisseur flamme). Certaines variables changent avec distance brûleur. Carburants haut rapport C/H₂ (huiles) → plus suie → flammes lumineuses (flammes bleues possibles huiles légères). Gaz : bas rapport C/H₂ → flammes claires/bleues. Difficile brûler goudron sans luminosité. Également difficile produire flamme visible avec gaz haut fourneau (BF) ou H₂.

Comparant flammes lumineuses/non lumineuses : (i) rayonnement suie (lumineux) finit généralement où flamme visible finit (suie incinérée surface/peau flamme, rencontre air secondaire/tertiaire), (ii) rayonnement gaz (non lumineux) depuis intérieur ET extérieur enveloppe flamme visible → uniformité/étendue couverture bien plus grande (rayonnement gaz dans flamme quelque peu ombré par particules suie/gaz triatomiques environnants ; rayonnement gaz hors flamme = gaz plus froids).

Effet excès carburant sur rayonnement flamme >> effet excès air réduit. Mérites/démérites flammes claires vs longues lumineuses débattus depuis années. Brûleurs modifiés et schémas contrôle aident à utiliser le meilleur des deux. Problème commun plusieurs types brûleurs : changement caractéristique flamme quand débit brûleur réduit. Problèmes certains brûleurs flamme claire : (i) déplacement bosse profil T vers paroi brûleur quand débit réduit, (ii) à bas débits, T chute plus raide loin paroi brûleur (ex: profil T brûleur à 50 % capacité nominale ou moins = pic T (libération chaleur max) au niveau ou près paroi brûleur, chute plus loin. À bas débits, chute s'aggrave. À hauts débits, T paroi brûleur baisse car pic s'éloigne. En certains fours réchauffage acier à débit max, différence T paroi brûleur / pic = 150 °C).

Problème pic T paroi opposée à haut feu aggravé par éperon gaz four dans base flamme, retardant mélange carburant/O₂. Si débit brûleur augmente, éperon produits combustion complète augmente exponentiellement. Problèmes nombreux. Tir latéral four à bas débit : pic T au niveau paroi brûleur ; à débit max, pic T peut être centre four ou paroi opposée. Emplacement unique capteur T jamais correct. Capteur paroi brûleur : bas débits → pic T collé paroi → brûleur bas régime → reste largeur four entrée chaleur insuffisante. Hauts débits : capteur paroi brûleur froid alors T loin paroi très haute → éventuelle calamine liquide surfaces pièces charge centre/paroi opposée. Opérateurs inexpérimentés baissent consigne → réduisent capacité chauffage four.

Autre exemple : zone fond four réchauffage acier tir longitudinal contre-courant déplacement charge, capteur contrôle 3–6 m paroi brûleur (tir par bout). Bas débits, consigne zone 1300 °C → paroi brûleur > 1370 °C. Calamine fond, goutte fond zone fond → se solidifie gros morceau. Hauts débits : pic T peut dépasser capteur T zone fond → fonte calamine distance vers entrée charge. Opérateurs baissent consignes → réduisent capacité four.

Contrôle ces problèmes : capteur T additionnel par zone + moyen changer caractéristique taux mélange brûleur selon mesures T. Brûleurs tourbillon (swirl) réglables préviennent grande partie problème, surtout combinés jet gaz/air avant flux bas régime par centre brûleur (typiquement 5 % débit max gaz/air).

Flammes longues lumineuses (type laminaire ou turbulent) → beaucoup moins bosse T, longueur change moins vite quand débit réduit. Excellent « niveleurs », meilleure uniformité T.

Infos sur rayonnement suie dans flamme et rayonnement gaz triatomiques connues depuis temps, mais développements récents changent tableau. Utilisation oxy-combustible (100 % O₂), tous deux élargissent plage modulation flamme. Gain majeur oxy-combustible = transfert chaleur rayonnement plus intense (concentration plus élevée gaz triatomiques, élimination N₂ des PDC). Réduit aussi masse gaz emportant chaleur cheminée (réduit pertes cheminée). Autre développement : certaines flammes gaz pré-mélangé pauvre (conçues bas NOx) créent champ flamme ubiquiste (semblablement transparent) dans grande partie chambre.