Air, oxygène et azote

Les anciens considéraient l'air comme un élément simple dénué de poids. Au XVIIe siècle, Galilée démontra que l'air est pesant en constatant l'augmentation de poids d'un récipient dans lequel il refoulait de l'air.

Un litre d'air mesuré à 0 °C sous la pression atmosphérique normale pèse 1 GR. 293.

L'air est un mélange de deux gaz : l'oxygène et l'azote, dont les propriétés sont bien différentes.
100 litres d'air contiennent 21 litres d'oxygène et 79 litres d'azote, soit une proportion d'environ 1 litre d'oxygène pour 4 litres d'azote.

L'oxygène, gaz incolore, est un élément indispensable à la vie. Il est un peu plus lourd que l'air : 1 litre de ce gaz pèse 1 GR. 429 à 0 °C sous la pression atmosphérique normale.

L'azote est un gaz inerte. À l'inverse de l'oxygène, il n'entretient pas la vie : 1 litre d'azote pèse 1 GR. 250 (à 0 °C sous la pression atmosphérique normale).


Mélanges et combinaisons

Lorsque plusieurs corps sont mélangés, comme l'azote et l'oxygène, chacun d'eux conserve les propriétés qui lui sont propres. Dans un mélange, il est possible, suivant la nature des éléments, de reconnaître les constituants à l'aide du microscope, ou bien de les séparer par différence de densité ou par des dissolvants appropriés ou encore par vaporisation, distillation en un mot par des procédés purement physiques.

Dans une combinaison de deux ou plusieurs corps, le produit obtenu a des propriétés tout à fait différentes des corps constituants : ainsi, un liquide peut résulter de la combinaison d'éléments gazeux.


Oxydation et combustion

Lorsque la combinaison résulte de l'action de l'oxygène sur un autre corps, elle est appelée parfois oxydation ; par exemple, la rouille ou l'oxyde de fer résulte de l'action de l'oxygène de l'air sur le fer ; ce nouveau corps, l'oxyde de fer, n'est pas gazeux et ne présente pas la résistance du fer : l'oxyde de fer est une combinaison de fer et d'oxygène.

Une oxydation se produit toujours avec un dégagement plus ou moins important de chaleur; lorsque la chaleur est produite rapidement et en grande quantité, l'oxydation est appelée combustion.

Un combustible est donc un corps qui, en se combinant à l'oxygène de l'air, dégage une quantité de chaleur importante, susceptible d'être utilisée pour divers usages : le charbon de terre, l'essence, le bois, le charbon de bois sont des combustibles.


Calorie

La valeur du combustible dépendant de la quantité de chaleur qu'il peut fournir. L'unité de mesure est la calorie-kilogramme (cal kg) ou la quantité de chaleur qu'il faut fournir à un kilogramme d'eau pour élever sa température de un degré, quand cette eau est à température voisine de 15 °C.

 

 

Température et quantité de chaleur

La température se mesure avec un thermomètre et s'exprime en degrés, et la quantité de chaleur se mesure à l'aide d'un calorimètre et s'exprime en calories.

Les températures des foyers de gazogènes étant élevées sont mesurées avec des appareils appelés pyromètres.

Voici quelques repères thermométriques (pour des produits purs pris sous une pression atmosphérique de 760 millimètres de mercure) :


Le zéro absolu, correspondant à -273 °C, semble être la température la plus basse qu'il soit possible d'atteindre. La température la plus basse atteinte à ce jour est -272 °C (fusion de l'hélium).

Si nous approchons un corps chaud d'un corps froid, la chaleur passe du corps chaud vers le corps froid. Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les corps froids n'émettent pas de rayonnement froid : si nous approchons la main d'un bloc de glace, c'est notre main qui rayonne ou cède de la chaleur et la sensation de froid que nous éprouvons n'a pas d'autre cause.

La chaleur peut se transmettre de trois manières différentes : par convection, par conduction ou par rayonnement ; ces deux derniers modes sont seuls à considérer dans une installation de gazogènes.
- La conduction s'opère soit dans les corps eux-mêmes, soit par contact de ceux-ci avec d'autres corps : l'extrémité d'un ringard plongé dans un foyer s'échauffe au sein des charbons rouges et des gaz chauds, mais la chaleur se transmet dans toute la tige de métal par conduction et la poignée finit par être brûlante.
- Le rayonnement consiste dans l'émission d'ondes comparables à celles qui émanent d'un corps lumineux : un foyer chauffe l'air d'une salle à la fois par convection et par rayonnement.

Tous les corps ne conduisent pas la chaleur : on appelle calorifuges, les corps qui ne laissent pas facilement traverser par elle : tels sont le bois, l'amiante, les textiles. Une capacité dans laquelle on a fait le vide constitue un excellent isolant.

Dans les gazogènes, il est bon de calorifuger certaines parties de l'installation, tandis que, au contraire, on doit intensifier les pertes de chaleur de certains foyers ou d'organes appelés refroidisseurs.

 

 

Pression atmosphérique. Vide ou dépression. Mesure de la dépression.

Le poids de l'air qui entoure le globe terrestre sur une épaisseur de quelques dizaines de kilomètres exerce une pression sur tous les corps baignant dans l'atmosphère. Cette pression, que l'on nomme pression atmosphérique, varie avec l'altitude du corps sur lequel elle s'exerce : elle est moins grande au sommet d'une montagne qu'au niveau de la mer, qui est généralement prise pour niveau de référence. La pression atmosphérique dépend encore de l'humidité et de la température de l'air, des conditions météorologiques.

Les variations de la pression atmosphérique sont indiquées par le baromètre. Les manomètres, dont le baromètre est une réalisation particulière, sont des appareils destinés à mesurer les pressions : ils pourraient être à colonne d'eau ou de mercure, mais ils seraient trop encombrants ; ils sont constitués, en général, par un tube fermé enroulé en spirale, communiquant par l'extrémité ouverte avec le réservoir contenant le fluide sous pression; la pression provoque une déformation de la spirale qui est transmise à une aiguille mobile devant un cadran gradué.

Considérons un gaz enfermé dans un réservoir ne communiquant pas avec l'atmosphère; un manomètre à mercure enfermé dans le réservoir donnerait la pression « absolue » du gaz, ou pression propre du gaz. Par exemple, au moment de l'explosion, dans un moteur, la pression absolue peut s'élever à 40 kilos/cm2; (parfois plus.) Mais cette pression n'est pas entièrement motrice, car, sur l'autre face du piston, s'exerce la pression atmosphérique : on appelle pression effective la poussée réellement motrice, égale ici à 40-1 soit 39 kilos/cm2.

Lorsque, dans le réservoir, la pression absolue est inférieure à la pression atmosphérique, on appelle vide ou dépression la différence entre la pression atmosphérique et la pression à l'intérieur du réservoir. Ainsi, pendant la course d'aspiration du moteur, le vide dans le cylindre, variable avec la vitesse de rotation, peut atteindre 600 millimètres d'eau (ou 60 gr./cm2; ou 44 millimètres de mercure). C'est cette dépression qui appelle au moteur, suivant le cas, un mélange d'air et d'essence ou d'air et de gaz; c'est elle aussi qui fait pénétrer dans un générateur de gaz l'air nécessaire à la combustion.

Dans une installation à gazogène, la dépression n'est pas la même partout. Pour la mesurer en un point déterminé, on peut réunir ce point avec l'extrémité A d'un tube de verre AB recourbé en forme d'U et rempli de mercure.

Schéma de manomètre à dépression.

Lorsque le moteur est arrêté, le niveau est le même dans les deux branches; quand le moteur tourne, le niveau s'élève dans A et s'abaisse dans B : la différence de niveau donne la dépression au point étudié. Si, par exemple, on note une dénivellation de quinze millimètres de mercure, la dépression est : (10330 x 15) / 760 = 205 millimètres d'eau ou 20 gr. 5 par centimètre carré (puisque des colonnes de 760 millimètres de mercure ou de 10.300 millimètres d'eau équilibrent la pression atmosphérique).

La différence entre les dépressions en deux points s'appelle perte de charge entre ces points.

On peut citer, comme provoquant des pertes de charge, les coudes, les changements de section et surtout les filtres. La couche de combustible, la grille provoquent également une perte de charge.

Schéma de montage pour la mesure d'une perte de charge

Le schéma ci-dessus montre comment on peut mesurer la perte de charge entre deux points, par exemple l'un en amont du filtre, l'autre en aval. Une perte de charge de 50 gr./cm2. est chose courante au passage du filtre. Un vide de 20 à 30 gr./cm2 dans la tuyère d'un gazogène assure une bonne marche du foyer (Gohin).

Après étalonnage (c'est-à-dire comparaison avec un appareil similaire déjà en service) de l'appareil dons nous donnons le schéma, on peut facilement déceler le point précis où se produit une résistance anormale : corriger alors l'installation, remplacer une tuyère, modifier le filtre, etc..

On peut encore mesurer la dépression en un point de la canalisation de la manière suivante : prendre un tube de verre de 10m/m de diamètre d'environ un mètre de longueur et le mettre en communication avec le point considéré à l'aide d'un tuyau de caoutchouc et d'un petit robinet fixé à celui-ci. Le moteur étant en marche, plonger le tube de verre dans un récipient contenant de l'eau et ouvrir le robinet : on voit aussitôt l'eau monter dans le tube et, en accélérant le moteur pour le mettre à son régime régulier, on peut mesurer la hauteur maximum de l'eau dans le tube; on obtient ainsi une valeur exacte de la dépression.

Pour qu'un gazogène fonctionne normalement, il faut qu'il présente le moins de pertes de charge possible.

 

 

Pouvoir calorifique

On appelle pouvoir calorifique d'un combustible, la quantité de chaleur dégagée par la combustion d'un kilo, de 1 litre ou de 1 mètre cube de ce combustible; on l'exprime en calories kilogrammes par kilogramme (cal.kg/kg) pour les combustibles solides ou liquides (cal.kg/litre) et (cal.kg/m3) pour les combustibles gazeux. Pour ces derniers, on suppose toujours que le mètre cube de gaz est pris à 0 °C et sous la pression atmosphérique.

Voici les pouvoirs calorifiques de quelques combustibles :

 

 

Produit de la combustion

Les combustibles minéraux ou végétaux contiennent du carbone (ou charbon pur), de l'hydrogène, de l'oxygène, le l'azote, de l'eau et des produits minéraux qui,après combustion, formeront les cendres.

Pour amorcer la combustion d'une certaine masse de charbon, il faut allumer, c'est-à-dire chauffer au rouge un point de la masse et faire arriver de l'air sur ce point; si l'air arrive en quantité suffisante, toute la masse devient, peu à peu, incandescente, la température s'élève, puis, si on n'ajoute pas de charbon, le foyer s'éteint, il ne reste plus qu'un petit tas de cendres : la majeure partie du combustible s'est transformée en gaz.

Nous ne considérons, pour l'instant, que la gazéification du carbone ou charbon pur.

La combustion ou gazéification du carbone peut donner naissance à deux produits très différents, qu'il faut bien se garder de confondre :
- le gaz carbonique;
- l'oxyde carbone.

Lorsque, à une masse donnée de carbone, on fournit de l'air en quantité suffisante, la combustion est complète et le gaz produit est le GAZ CARBONIQUE ou ANHYDRIDE CARBONIQUE, gaz inerte incapable de brûler et, par conséquent, d'animer un moteur. En le produisant, on extrait du carbone toute la chaleur que celui-ci est capable de donner : c'est donc ce gaz que l'on cherche à obtenir dans les foyers domestiques, dans les foyers de locomotives, et que l'on retrouve dans le gaz d'échappement des moteurs à explosion.

Le gaz carbonique est incolore, d'une odeur piquante, d'une saveur légèrement aigrelette, plus lourd que l'air : un litre de ce gaz pris à 0 °C sous la pression atmosphérique pèse 1 GR. 977.

Lorsque, au contraire, le carbone incandescent est en excès par rapport à l'air, il se transforme bien en gaz, mais la combustion est incomplète et le gaz formé peut encore brûler. Ce nouveau gaz s'appelle OXYDE DE CARBONE et est capable d'actionner un moteur; c'est le gaz que l'on cherche à produire dans un gazogène.

Il est lui, incolore, inodore, insipide et légèrement plus léger que l'air : 1 litre d'oxyde de carbone pris à 0°C sous la pression atmosphérique pèse 1 GR. 250.

Il prend naissance dans les foyers domestiques quand le tirage, ou appel d'air est défectueux, et toute fuite est dangereuse, car l'oxyde de carbone est un poison violent qui forme avec l'hémoglobine du sang une combinaison stable. Les globules sanguins chargés de distribuer l'oxygène dans l'organisme ne peuvent plus remplir leur fonction : il en résulte une véritable asphyxie. L'atmosphère est mortelle si elle contient 1 à 2 % d'oxyde carbone.

Dans un gazogène, l'oxyde de carbone est pour ainsi dire domestiqué et rendu inoffensif. Cependant, certaines précautions que nous indiquerons doivent être prises. Il ne faudrait pas croire que la combustion du carbone donne toujours exclusivement l'un ou l'autre de ces deux gaz : généralement, ils sont tous les deux produits simultanément. Cependant, le gaz carbonique possède une propriété intéressante : si on le fait passer, à l'abri de l'air, sur des charbons incandescents, il s'unit à une certaine proportion de carbone pour former de l'oxyde de carbone et devenir ainsi combustible : on dit que le gaz carbonique est réduit par le charbon.

Cette réduction joue un rôle de tout premier plan dans le fonctionnement du gazogène. Pour qu'elle puisse avoir lieu correctement et rapidement, il faut que le charbon soit à une température très élevée (1.100 °C à 1.200 °C au moins). On conçoit que la régularité de cette réduction, qui a pour but de transformer un gaz inerte en gaz actif, assure un régime de marche constant du moteur et que sa rapidité facilite les reprises.

Le foyer du gazogène doit donc toujours rester très vif, si l'on veut obtenir un gaz à pouvoir calorifique élevé.

Le pouvoir calorifique de l'oxyde de carbone est de 3.030 cal.kg./m3 (un mètre cube mesuré à 0°C sous la pression atmosphérique).

 

 

L'eau

L'eau, un des corps les plus répandus dans la nature, existe sous trois états : solide, liquide et gazeux; rappelons quelques-unes de ses propriétés :
1 - Quand l'eau est refroidie à moins de 0°C, elle se transforme en glace en augmentant de volume, et de ce fait oblige les conducteurs à prendre quelques précautions en hiver,
2 - Comme tous les corps, l'eau se dilate quand on la chauffe; par conséquent, 1 litre d'eau chaude pèse moins que 1 litre d'eau froide; cette remarque explique le fonctionnement du thermosiphon (circulation d'eau de refroidissement autour du moteur dans les premiers moteurs dépourvus de pompe à eau).
3 - À l'air libre, l'eau s'évapore, se transforme en vapeur; ce phénomène de l'évaporation est sensible l'été surtout. Si l'eau est activement chauffée, sa transformation en vapeur, ou vaporisation est rapide; si, d'autre part, on refroidit cette vapeur, elle revient à l'état liquide. On peut s'en rendre compte en plaçant un objet froid au-dessus d'un vase contenant de l'eau bouillante; l'objet froid se recouvre de gouttes d'eau, on dit que la vapeur s'est condensée. La vapeur d'eau est invisible; on ne voit pas la vapeur d'eau contenue dans l'air d'une salle, mais s'il fait froid dehors, les vitres se recouvrent d'une buée formée par la condensation de la vapeur d'eau existant à l'intérieur. Pour séparer une vapeur d'un gaz, il faut d'abord la condenser.
4 - L'eau (H2O) est formée par la composition de deux gaz, oxygène et hydrogène. L'hydrogène est un corps combustible qui, en brûlant avec l'oxygène de l'air, forme de la vapeur d'eau et dégage une grande quantité de chaleur. D'après la remarque 3, on conçoit que si la vapeur d'eau est condensée, la chaleur fournie par l'hydrogène est plus grande que si la vapeur reste à l'état vapeur. Le pouvoir calorifique inférieur de l'hydrogène, c'est-à-dire avec production de vapeur non condensée, est de 2.590 cal.kg/m3.
C'est le plus léger de tous les gaz : 1 litre d'hydrogène pris à 0 °C sous pression atmosphérique pèse de 0 gr.0898, c'est-à-dire quatorze fois et demie moins que l'air.

 

 

Dissociation de la vapeur d'eau

L'hydrogène, en brûlant, dégage une grande quantité de chaleur et donne de la vapeur d'eau. Inversement, si l'on fait passer de la vapeur d'eau sur des charbons incandescents, elle est dissociée ou décomposée : l'hydrogène est libéré tandis que l'oxygène s'unit au carbone pour former de l'oxyde de carbone. La dissociation de la vapeur d'eau absorbe de la chaleur : elle ne peut se produire que si le foyer est très chaud (1.100 °C à 1.200 °C au moins).

 

 

Gazogène

Un gazogène est un appareil destiné à transformer un combustible solide en combustible gazeux. La connaissance des principes qui viennent d'être exposés permettra de mieux comprendre le processus de cette transformation.

Le gazogène doit tendre :

1 - A produire le plus d'oxyde de carbone possible, donc à réduire en oxyde de carbone le gaz carbonique qui a pu se former.

2 - A dissocier la majeure partie de l'eau que le combustible peut contenir.
Le gaz produit contient naturellement beaucoup d'azote, puisque ce n'est pas de l'oxygène pur qui entre en jeu, mais de l'air qui n'en contient que 21 % en volume.
Si le combustible était du carbone pur et sec, si l'air était également sec et si, enfin, le gazogène était parfait, le gaz obtenu serait formé de 1/3 d'oxyde de carbone et de 2/3 d'azote, et le pouvoir calorifique serait de 3.030/3=1.010 cal.kg/m3.
Ce simple calcul met en relief l'influence nuisible de l'azote. Mais le combustible, bois ou charbon de bois, et l'air contiennent toujours de l'eau sont la dissociation se fait sans introduction d'azote, de sorte qu'en réalité le pouvoir calorifique du gaz de gazogène est d'environ 1.200 cal.kg/m3.

 

 

Le Gaz des Forêts

Cette appellation est due à Mr le professeur COUPAN, membre de l'Académie d'Agriculture, qui l'a proposée au Congrès de Blois en 1925. On appelle ainsi le gaz produit en partant du bois ou du charbon de bois. Formé essentiellement d'oxyde de carbone, d'hydrogène et d'azote, il est combustible et peut-être utilisé dans des moteurs, après avoir été additionné de l'air nécessaire à sa combustion.