[Réchaud] Températures minimum cartouches de gaz

Lutosa · 03-03-2020 16:33:04

Ok donc même résultat (sauf peut être, si je comprends bien, qu’avec un inversé il ne faut réchauffer la cartouche qu’une seule fois alors que ça devrait être répété en cours de chauffe avec un réchaud droit).
Dans tous les cas, j’en déduis qu’il vaut mieux l’utiliser en mode inversé dès le départ, même quand la cartouche est neuve, pour avoir moins de galères à la fin.

oli_v_ier · 03-03-2020 17:22:03

Lutosa a écrit :

#558713Ok donc même résultat (sauf peut être, si je comprends bien, qu’avec un inversé il ne faut réchauffer la cartouche qu’une seule fois alors que ça devrait être répété en cours de chauffe avec un réchaud droit).

Si ta cartouche est à -15°C avec 100% de butane, à moins d'être très haut en altitude rien ne sortira, qu'elle soit à l'endroit ou à l'envers.
Si tu réchauffes ta cartouche suffisamment, tu pourras faire sortir du combustible :
- réchaud droit : ce sont les vapeurs qui sortent, donc au fur et à mesure de la chauffe il faut que le liquide se vaporise dans le cartouche et ce phénomène la refroidit. Donc il faudra apporter de la chaleur à la cartouche pour contrer ce phénomène
- réchaud inversé : c'est le liquide qui sort de la cartouche, il est vaporisé au niveau du brûleur en récupérant un peu de l'énergie de la combustion. Il y a quand même besoin qu'une partie du combustible se vaporise dans la cartouche pour compenser la perte de pression due à la sortie du liquide, mais c'est bien moins que lorsque la cartouche est utilisée à l'endroit. Donc il y a besoin d'apporter moins de chaleur à la cartouche pour maintenir la puissance de chauffe.

Deux précisions sur le réchauffage de la cartouche :
- cartouche à l'endroit le haut de la cartouche est en contact avec les vapeurs (le combustible liquide est en bas), donc ça se réchauffe assez facilement (l'inertie thermique des gaz est faible), et on peut retrouver de la pression en sortie rapidement, mais l'effet sera très temporaire : dès qu'un peu de gaz sera sorti la pression va baisser. Il faut aussi réchauffer la partie liquide si on veut maintenir la pression plus longtemps. Le métal (aluminium) utilisé pour les cartouches réparti la chaleur assez bien, mais j'ai vraiment noté une différence selon que je chauffais seulement le haut de la cartouche ou aussi le bas.
- cartouche à l'envers, le réchauffage du côté de la cartouche où sont les gaz (côté le plus loin du sol ) est facile et efficace pour augmenter la puissance de chauffe, puisque les gaz se réchauffent facilement (même raison que ci-dessus) et ce sont eux qui poussent le combustible liquide vers la sortie.

Lutosa a écrit :

#558713Dans tous les cas, j’en déduis qu’il vaut mieux l’utiliser en mode inversé dès le départ, même quand la cartouche est neuve, pour avoir moins de galères à la fin.

Oui dès la première utilisation il vaut mieux utiliser la cartouche à l'envers si tu veux avoir le maximum de pression au fil des jours.
Note : je mets la cartouche à l'endroit pour l'allumage, une fois chaud je retourne.

Edit : complément sur la réchauffe des cartouches

Dernière modification par oli_v_ier (03-03-2020 17:27:33)

florencia · 03-03-2020 23:27:50

Ok, merci oli_v_ier pour tes réponses. Tant mieux, cela simplifie les choses
Sinon, je procède comme toi, d'abord cartouche droite pour l'allumage puis inversée pour la chauffe et à nouveau droite avant d'éteindre. Pour ne pas gâcher de carburant, mais aussi pour des raisons de sécurité en cas d'allumages successifs, risque de jet de flamme sinon...

Flo

seb0b0 · 03-03-2020 23:36:41

Raphus, peux-tu préciser ta méthodologie ?

J'ai l'impression que tu as considéré 2 corps purs (isobutane et propane) et non un mélange.
cf. la chute de pression comme si tu consommais tout le propane puis n'avais que de l'isopropane.

Sauf grosse erreur de ma part, ce n'est pas du tout ce qui se passe dans un mélange : jusqu'à la toute dernière goutte dans la cartouche, il y aura toujours du propane ! Le propane se volatilise préférentiellement au début, puis de moins en moins car il y en a de moins en moins.

Il se trouve que j'étais en train de faire les mêmes calculs, je vais pouvoir sortir les mêmes graphiques que toi pour comparer.

Ma méthodologie :
- considérer une cartouche chargée de 220g de gaz à 80% isopropane et 20% propane, et d'un volume de 460ml (données constructeur)
- déterminer les pressions de vapeur saturantes et les densités volumiques (liquide) de chaque produit pour une température donnée (-25°C, -20°C...)
- calculer le volume du ciel gazeux, la répartition des produits en phase liquide et en phase gazeuse, les pressions partielles de chaque produit (loi de Dalton, loi de Raoult) et la pression totale lorsque la cartouche est pleine (T0).
- considérer qu'on brûle 3,7g de gaz par minute (donnée issu d'un calcul à partir de mesure expérimentale avec un Pocket Rocket)
- à T0+1min : considérer qu'on a brûlé 3,7g de phase gazeuse dont la composition a été calculée à l'étape précédente
- recalculer l'équilibre du mélange liquide-gaz -> càd recalculer la répartition des produits en phase liquide et en phase gazeuse, les pressions partielles de chaque produit (loi de Dalton, loi de Raoult) et la pression totale lorsque la cartouche à T0+1min. Comme on a soutiré de la matière en phase gazeuse, du liquide s'évapore dans le ciel gazeux jusqu'à l'équilibre liquide-vapeur.
- itérer pour chaque minute jusqu'à 60min (tout le gaz sera brûlé)

UPDATE :
graphique ci-dessous

Il s'agit de la pression initiale avant soutirage (dès qu'on ouvre le gaz), à l'équilibre liquide-gaz.

Le soutirage du gaz fait chuter la pression et la température de fonctionnement.
Lorsqu'on commence à utiliser son réchaud, le mélange dans la cartouche est à l'équilibre liquide-gaz. Le gaz sortant du réchaud, la pression chute et la température diminue à cause de la détente du gaz. On s'est déplacé par rapport à l'équilibre liquide-vapeur du mélange.

Il peut arriver si la cartouche est presque vide et qu'on a un soutirage élevé (réchaud très puissant avec le robinet grand ouvert), que la température ait tellement baissé que la pression est insuffisante pour que le gaz sorte.
Si je referme le robinet et que j'attends que le mélange revienne à l'équilibre (des calories seront absorbées via la paroi métallique de la cartouche pour réchauffer le mélange et faire remonter la pression), alors si j'ouvre à nouveau le robinet j'aurai à nouveau un peu de pression.

Tout ceci se calcule, mais c'est plus compliqué. En pratique, on utilise des abaques (diagrammes de Mollier) et on se contente de lire les valeurs sur l'abaque.

UPDATE2 : idem pour butane 70%-propane 30%

Dernière modification par seb0b0 (04-03-2020 03:09:32)

seb0b0 · 04-03-2020 03:50:35

oli_v_ier a écrit :

#558697
florencia a écrit :
#558689j'avais lu quelque part (mais je ne retrouve pas la source) que la consommation de gaz est plus importante en mode liquide que gazeux (avec un réchaud inversé).
Le combustible arrive à l'état gazeux dans les deux cas, sa combustion se fait de la même manière.
Mais je vois deux possibilités de surconsommation : peut-être que ta source considérait qu'en inversé la puissance est moins facilement réglable et que c'est difficile de faire mijoter, donc que pour les besoins de faible puissance on peut être amené à gaspiller si on n'arrive pas à reduire la puissance (dépend du modèle de réchaud et des aptitudes de l'utilisateur).
Il y a aussi la purge en fin de chauffe : pour éviter de laisser du combustible liquide dans le tuyau d'arrivée, dans les dernières secondes de chauffe je repasse en cartouche droite. Si l'utilisateur ne le fait pas, il perd davantage de combustible au moment de déconnecter la cartouche (masse volumique du liquide > masse volumique du gaz).

Pas pour moi.
Les données que je donne ci-dessous proviennent des calculs que j'ai effectués. Je ferai d'autres calculs pour les comparer à ce qu'on peut trouver dans la littérature pour valider ou non mon modèle.

Si on a un mélange 70% butane-30% propane (en masse) :

Cartouche pleine de 220g : 154g de butane, 66g de propane

-en mode normal, on alimente le brûleur avec du gaz (phase vapeur en équilibre avec la phase liquide dans la cartouche) de composition 34% butane-66% propane si la cartouche est pleine ; de composition 71% butane-29% propane si la cartouche est à moitié vide

Quand on soutire de la phase vapeur, on déplace l'équilibre liquide-vapeur du mélange dans la cartouche. Des calories sont absorbées par la paroi métallique pour permettre de revenir vers l'équilibre avec un transfert de matière du liquide vers la vapeur dans la cartouche.

Cartouche de 220g à moitié vide : il reste 100,2g de butane et encore 8,8g de propane

- en mode inversé, on alimente le brûleur avec du liquide dans le flexible, qui est vaporisé juste avant car le flexible passe dans la flamme. Ce gaz vaporisé localement n'est pas en équilibre avec la phase liquide contenue dans la cartouche. Le liquide d'alimentation - vaporisé pour alimenter le brûleur - est de composition 70% butane-30% propane si la cartouche est pleine ; de composition 92% butane-8% propane si la cartouche est à moitié vide

La perte de phase liquide entraîne un déplacement de l'équilibre liquide-vapeur du mélange dans la cartouche. Des calories sont absorbées par la paroi métallique pour permettre de revenir vers l'équilibre avec un transfert de matière de la vapeur vers le liquide dans la cartouche.

Le mode inversé permet d'avoir un débit d'alimentation du brûleur souvent trop important par rapport au besoin (je bataille toujours pour mettre le débit au mini, mais sans couper l'alimentation de carburant). Comme quand on utilise un réchaud très puissant : ça va vite, mais on consomme beaucoup, avec un rendement moins important qu'un réchaud moins puissant.

raphus · 04-03-2020 07:54:50

seb0b0 a écrit :

#558791Raphus, peux-tu préciser ta méthodologie ?
J'ai l'impression que tu as considéré 2 corps purs (isobutane et propane) et non un mélange.
cf. la chute de pression comme si tu consommais tout le propane puis n'avais que de l'isopropane.

Hello,

Non non je n'ai évidemment pas considéré 2 corps purs, j'ai bel et bien considéré le mélange (loi de Raoult) et calculé les fractions molaires des composants dans les phases liquides et gazeuses, avant et après perte de masse.
Mais tu as raison, ces ruptures de pentes dans les courbes de pression me semblaient louches et j'ai bien fait une erreur à ce niveau là... J'ai en fait pris une méthode un peu bourrin pensant aller plus vite et considéré de trop grosses "marches" de perte de masse, là où j'aurais du faire un genre de calcul intégral comme toi. Je dois en effet corriger. Merci de m'avoir permis de repérer la boulette !

Edit du 04/03/2020 à 9h20 : l'erreur a maintenant été corrigée, ainsi que le message #39. Heureusement, cette erreur n'a pas d'influence sur les conclusions principales ni sur la discussion qui a suivi. Encore désolé, et merci Seb0b0 !

Dernière modification par raphus (04-03-2020 10:24:13)

oli_v_ier · 04-03-2020 10:12:46

Bien vu seb0b0 pour l'erreur méthodologique.

seb0b0 a écrit :

#558801Le mode inversé permet d'avoir un débit d'alimentation du brûleur souvent trop important par rapport au besoin (je bataille toujours pour mettre le débit au mini, mais sans couper l'alimentation de carburant). Comme quand on utilise un réchaud très puissant : ça va vite, mais on consomme beaucoup, avec un rendement moins important qu'un réchaud moins puissant.

Oui, je disais à peu près la même chose, non ? "(...) en inversé la puissance est moins facilement réglable".

seb0b0 a écrit :

#558801Pas pour moi. (...)

Dans le reste de ton message, je ne vois pas trop où tu veux en venir mais je suis d'accord avec ce que tu dis, sauf ça :

seb0b0 a écrit :

#558801- en mode inversé, on alimente le brûleur avec du liquide dans le flexible, qui est vaporisé juste avant car le flexible passe dans la flamme. Ce gaz vaporisé localement n'est pas en équilibre avec la phase liquide contenue dans la cartouche. Le liquide d'alimentation - vaporisé pour alimenter le brûleur - est de composition 70% butane-30% propane si la cartouche est pleine ; de composition 92% butane-8% propane si la cartouche est à moitié vide.

Pourquoi dis-tu qu'en mode inversé la composition du liquide d'alimentation change à ce point entre cartouche pleine et cartouche à moitié vide ?

You · 04-03-2020 10:56:16

Question pratique toute bête pour être sûr que je comprends au moins une fraction de ce que vous expliquez :
Quand la pression atteint la même valeur que la pression atmosphérique (dépendant de la météo et de l'altitude, mais aux environs de 1 bar), le gaz ne sort plus sous pression, et donc le réchaud n'est plus utilisable sans devoir réchauffer la cartouche, c'est bien cela ?

A combien peut-on estimer la pression nécessaire pour avoir un système autonome ?
D'expérience, j'ai l'impression qu'en-deça 1,5 ça crachote déjà, et comme avec le froid on a besoin d'envoyer plus de puissance (fonte de neige), et que la détente refroidit la cartouche, on est très vite aux limites...

seb0b0 · 04-03-2020 14:10:39

Quand j'aurai un peu plus de temps, je ferai des schémas pour expliquer ce qui se passe dans la cartouche, ce qu'est un équilibre liquide-vapeur, et montrer l'évolution des compositions.

You, ta question n'est pas si facile.

Oui, si la pression de la cartouche est inférieure à la pression atmosphérique, il est totalement impossible que le gaz sorte (en mode normal ou inversé, peu importe).
Oui, si on utilise le réchaud (si on soutire du gaz ), on fait chuter la température (sous la température ambiante) et la pression en sortie, ce qui - si on est aux limites - va rendre le réchaud inutilisable car plus rien ne sort. Et là, le gros danger est de laisser le brûleur ouvert en croyant la cartouche vide alors que si on laisse la cartouche se réchauffer à la température ambiante, le gaz sortira à nouveau.

Le débit de gaz (g/min) en sortie de la cartouche dépend :
- de la température extérieure : plus il fait froid et moins le gaz peut se vaporiser. A très basse température, il se produira de plus de la glace autour de la cartouche, qui est un parfait isolant et empêche l'échange de chaleur extérieur-cartouche.
- du remplissage de la cartouche (plus elle est vide et moins le gaz peut se vaporiser)
- mais aussi du temps de soutirage (le nombre de g/min va décroître avec le temps de soutirage du gaz jusqu'à ce que ça crachote). Car la détente du gaz a refroidi la cartouche, on a quitté l'équilibre liquide-vapeur du mélange jusqu'à ce qu'il gèle. Si on laisse la cartouche "se reposer" en éteignant le brûleur, elle absorbe des calories de l'extérieur et on va retrouver de la pression.

Il faudrait donc reformuler ta question par :
dans des conditions de T° et pression (altitude) données, pour un brûleur de rando classique (3,5g/min à 5g/min), quelle pression initiale faut-il dans la cartouche de tel mélange pour pouvoir utiliser le réchaud pendant x minutes sans qu'il crachote ?
Plus le brûleur est puissant, moins longtemps je pourrai utiliser le réchaud avant qu'il crachote.

Il est tout à fait possible de répondre à ta question par une approche "théorique" avec un diagramme de Mollier. Avec ce type d'abaque (compilation de données expérimentales), on peut déterminer par simple lecture sur l'abaque la pression, la composition liquide-vapeur à l'équilibre ou après une détente de gaz, la température à laquelle ma cartouche va exploser si je la laisse au soleil...

Le problème est que je ne dispose de diagrammes de Mollier que de corps purs (propane, le butane et isobutane) mais pas pour un mélange. L'abaque d'un mélange se calcule sinon avec des logiciels spécialisés (disponibles gratuitement pour certains).

Sinon, par approche expérimentale :
- admettons que je souhaite pouvoir utiliser mon réchaud de manière continue pendant 10min
- par temps froid, mesurer la T° ambiante
- peser une cartouche -> on en déduira le poids du combustible contenu et le taux de remplissage
- utiliser la cartouche avec le robinet ouvert au max
- si 10min sont écoulées sans que le brûleur crachote (c'est une appréciation personnelle) -> éteindre le brûleur, peser la cartouche puis attendre l'équilibre (laisser longuement la cartouche se réchauffer) à T° ambiante
- recommencer
...
- si le brûleur crachote avant la fin des 10min -> éteindre le brûleur, noter le temps de fonctionnement et peser la cartouche

A chaque pesée de la cartouche, on peut par calcul (cf. mes graphiques précédents) déterminer la pression dans la cartouche, une fois qu'elle sera revenue à la T° ambiante et le taux de remplissage

Dernière modification par seb0b0 (04-03-2020 14:44:53)

oli_v_ier · 04-03-2020 14:47:24

You a écrit :

#558815A combien peut-on estimer la pression nécessaire pour avoir un système autonome ?
D'expérience, j'ai l'impression qu'en-deça 1,5 ça crachote déjà, et comme avec le froid on a besoin d'envoyer plus de puissance (fonte de neige), et que la détente refroidit la cartouche, on est très vite aux limites...

"Système autonome" ?
Tu veux dire : à partir quelle différence de pression P(intérieur cartouche)-P(atm) initiale on peut laisser le système fonctionner sans avoir besoin de réchauffer ?

Ca dépend de la durée de chauffe. Et de la puissance nécessaire.

Ta question rejoint mon interrogation (assez vague) ci-dessus : "as-tu une idée de la surpression nécessaire pour avoir une puissance de chauffe suffisante ?".
Le débit de carburant dépend de la différence de pression entre l'intérieur de la cartouche et l'extérieur. Connaissant le débit à puissance max, on devrait pouvoir trouver la réponse pour disons 50% de la puissance de chauffe d'un réchaud standard.
Primus dit qu'avec 230g son réchaud 2800W peut fonctionner 1h15min, quelqu'un pour faire les calculs ? Y en a ici qui sont plus forts que moi .

oli_v_ier · 04-03-2020 14:57:16

J'avais pas vu vos ajouts ci-dessus seb0b0 et raphus, ils concordent parfaitement il me semble .

seb0b0 · 04-03-2020 15:04:10

ith a écrit :

#558705Merci pour le taf!
Deux remarques :
1. Les cartouches Primus Winter Gas ont en plus dans la cartouche un buvard sensé faciliter la diffusion du gaz (en augmentant la surface d'échange je suppose). Je ne sais pas si cela a un intérêt, ou un intérêt pratique.
...
ici : https://www.primus.eu/product-guide/primus-gas/
et là : https://hikinginfinland.com/2015/02/pri … r-gas.html
https://farm8.staticflickr.com/7411/165 … 4be5_b.jpg

Ça sert à favoriser la vaporisation du liquide, càd le retour à l'équilibre liquide-vapeur au sein de la cartouche (cf.mon message précédent) en augmentant la surface d'échange du liquide (le buvard absorbe du liquide) avec la vapeur.

Si je soutire du gaz trop rapidement (réchaud puissant ou valve ouverte au max) ou trop longtemps, le liquide n'a plus le temps de se vaporiser assez rapidement et la pression est trop basse. Si je ferme la valve, attends plusieurs minutes, on reviendra à l'équilibre liquide-vapeur au sein de la cartouche par absorption de chaleur provenant de l'extérieur.

Avec le buvard, je pourrai maintenir un débit plus important ou plus longtemps avant que le réchaud crachote -> on améliore le soutirage.
Cela ne permet en aucun cas de démarrer mon réchaud par température plus basse.

seb0b0 · 04-03-2020 15:54:33

oli_v_ier a écrit :

#558833...
Le débit de carburant dépend de la différence de pression entre l'intérieur de la cartouche et l'extérieur. Connaissant le débit à puissance max, on devrait pouvoir trouver la réponse pour disons 50% de la puissance de chauffe d'un réchaud standard.
Primus dit qu'avec 230g son réchaud 2800W peut fonctionner 1h15min, quelqu'un pour faire les calculs ? Y en a ici qui sont plus forts que moi .

Non, ce n'est pas si simple. Relis mon message #59 (je sais, c'est long mais j'essaye à chaque fois de bien préciser et reformuler).

Je te donnerai dans un message ci-dessous le calcul du rendement d'un réchaud et du débit d'un brûleur.
C'est pour un Pocket Rocket de 2800W qui peut fonctionner 1h avec 220g de gaz.
Retenons pour l'exemple un débit max de 3,7g/min pour le Pocket Rocket.

Si j'utilise le réchaud à T° chaude, la vaporisation du liquide dans la cartouche s'effectue assez vite (>3,7g/min) pour assurer un débit en sortie. Je vais pouvoir brûler tout le contenu de la cartouche en 220g / 3,7 g/min = 60min = 59,46min soit 1h environ

Si j'utilise le réchaud à T° basse, la vaporisation du liquide dans la cartouche (2,5g/min par ex.) s'effectue trop lentement pour assurer le débit max de 3,7g/min en sortie. Je ferme la valve pour réduire la puissance de chauffe de 50% -> j'ai alors un débit en sortie de 1,85g/min.

Comme raphus, seb0b0 ou d'autres savent calculer la pression dans la cartouche pour une T° donnée , c'est bon, on a répondu à la question ?
Non !
Les pressions calculées par raphus et moi sont des pressions à l'équilibre liquide-vapeur (qui permettent de savoir s'il est possible que le gaz sorte (pression>pression atmosphérique) quand on allume le réchaud.

Mais lorsqu'on soutire du gaz (quand on utilise le réchaud), on fait chuter la pression et la température. Le débit en sortie (1,85g/min pour 50% de la puissance max) est assuré tant que le débit de vaporisation dans la cartouche (qui s'effectue car le mélange dans la cartouche tend constamment à revenir à son équilibre liquide-vapeur) est suffisant.
Plus on utilise le réchaud de manière continue (sans que le mélange ait eu le temps de revenir à l'équilibre), plus le débit de vaporisation diminue jusqu'à être inférieur à 1,85g/min (la flamme baisse) puis 0 (le réchaud s'éteint).

Ce que j'essaie de faire comprendre, c'est que le temps de soutirage (temps d'utilisation continue du réchaud) est un paramètre.
A titre d'illustration : à -10°C, je pourrai soutirer au choix 1,5g/min pendant 20min, ou 3g/min pendant 6min (valeurs bidon juste pour illustrer) avant que le réchaud crachote

Dernière modification par seb0b0 (04-03-2020 15:55:01)

seb0b0 · 04-03-2020 16:21:12

Calcul du débit et du rendement d'un réchaud Pocket Rocket 2

Valeurs constructeur : le Pocket Rocket 2 a une puissance de 2800W et permet une utilisation d'une heure

Expérience :
- je pèse cartouche+réchaud (1)
- je mesure le temps pour chauffer 1l d'eau à 20°C jusqu'à ébullition (100°C) = 3min30s
- je pèse cartouche+réchaud après (2) -> (1)-(2) : j'ai brûlé 13g de gaz

Débit de gaz = 13g / 3,5min = 3,7 g/min = 0,222 kg/h

Temps max d'utilisation pour cartouche de 220g : 220/3,7 = 59,46min = 59min28s

Puissance Calorifique Inférieure du butane PCI(butane) = 12,66 kWh/kg = 45 600 kJ/kg (1 Wh = 3600 J)

Oui, mais je n'ai pas du butane pur mais un mélange...
-> les puissances caloriques du butane, de l'isopropane et du propane sont très proches (PCI(propane)=12,87kWh/kg=46 350 kJ/kg)
-> j'ai considéré du butane pur

Puissance du réchaud = 0,222 kg/h * 12,66 kW/kg = 2,81 kW = 2810 W

Energie réellement dépensée Eréelle = 13 * 45600 = 590 520 J

Energie pour élever 1l d'eau de 20°C à 100°C : Ethéorique = 80 kcal = 334 800 J (1 kcal = 485 J)

Ethéorique/Eréelle = 334 800 / 590 520 = 0,567
Rendement = 56,7%

Les valeurs constructeur sont vérifiées.

Dernière modification par seb0b0 (04-03-2020 16:23:37)

oli_v_ier · 04-03-2020 16:23:43

seb0b0 a écrit :

#558848Le débit en sortie (...) est assuré tant que le débit de vaporisation dans la cartouche (...) est suffisant.

Logique, mais comment savoir si cette capacité à revenir à l'équilibre gaz-liquide est le facteur limitant ?
Je comprends bien que ça puisse être le cas, par exemple si je verse du butane liquide dans un grand récipient que je ferme, la pression à l'intérieur mettra du temps avant d'atteindre la valeur maximale. Mais dans une cartouche inversée dont sort seulement 1,85g/min ? C'est à dire environ 3mL par minute sur les 600mL (j'ai mesuré) du volume total d'une cartouche moyenne (230 g de combustible).

seb0b0 · 04-03-2020 17:07:10

oli_v_ier a écrit :

#558855
seb0b0 a écrit :
#558848Le débit en sortie (...) est assuré tant que le débit de vaporisation dans la cartouche (...) est suffisant.
Logique, mais comment savoir si cette capacité à revenir à l'équilibre gaz-liquide est le facteur limitant ?
Je comprends bien que ça puisse être le cas, par exemple si je verse du butane liquide dans un grand récipient que je ferme, la pression à l'intérieur mettra du temps avant d'atteindre la valeur maximale. Mais dans une cartouche inversée dont sort seulement 1,85g/min ? C'est à dire environ 3mL par minute sur les 600mL (j'ai mesuré) du volume total d'une cartouche moyenne (230 g de combustible).

Tu as mesuré 600ml dans une cartouche en remplissant une cartouche vide d'eau ?
J'avais pris 460ml de volume pour une cartouche moyenne (donnée trouvée sur un site constructeur) -> les 460ml étaient peut-être le volume indicatif de la phase liquide à T° usuelle (20°C) ? -> il faudrait que refasse mes graphiques avec 600ml (je détermine avec ça le volume du ciel gazeux, càd du gaz au-dessus du liquide) mais ça ne changera quasiment rien

A 20°C, si tu verses du butane liquide dans un récipient et tu le fermes, du liquide se vaporisera jusqu'à ce que la vapeur atteigne la pression de vapeur saturante P°(butane,20°C)=2,08bar. On est alors à l'équilibre liquide-vapeur : la vapeur est saturée de liquide et ne peut plus en "absorber".

Si tu soutires 1,85g/min de liquide d'une cartouche inversée : après 1 min, tu as retiré 1,85g de liquide.
A 20°C, la masse volumique du butane est 579 g/l. Tu as donc retiré 3,2ml de liquide (c'est ce que tu as calculé).
Le volume du ciel gazeux a alors augmenté de 3,2ml.

La pression dans la cartouche est < 2,08 bar et on est sous l'équilibre (la vapeur n'est plus saturée). Le liquide se vaporise donc pour atteindre une pression de 2,08 bar. A T°=20°C, P=P°but,20°C=2,08 bar, V du ciel gazeux, tu sais déterminer combien de g de matière il y a dans la gaz (PV=nRT pour faire simple).

Pour les mélanges, c'est pareil sauf que la pression de vapeur saturante dépend de la composition butane/propane en phase liquide (loi de Raoult) et des pressions de vapeur saturante des produits P°butane,20°C et P°propane,20°C par exemple. Dans le cas des alcanes (propane, butane...), la loi de Raoult permet d'approcher de manière très précise les valeurs réelles (expérimentales). Il faut recalculer la répartition liquide/vapeur et butane/propane à chaque équilibre.

Dernière modification par seb0b0 (04-03-2020 17:20:02)

oli_v_ier · 04-03-2020 17:58:43

seb0b0 a écrit :

#558864Tu as mesuré 600ml dans une cartouche en remplissant une cartouche vide d'eau ? J'avais pris 460ml de volume pour une cartouche moyenne (donnée trouvée sur un site constructeur) -> les 460ml étaient peut-être le volume indicatif de la phase liquide à T° usuelle (20°C) ? -> il faudrait que refasse mes graphiques avec 600ml (je détermine avec ça le volume du ciel gazeux, càd du gaz au-dessus du liquide) mais ça ne changera quasiment rien

600mL c'est le volume total extérieur (mesuré par déplacement d'eau). 460 mL c'est le volume du combustible liquide, donc le volume du combustible gazeux initial c'est environ 140 mL.
Ce qui veut dire que la cartouche pleine est remplie de liquide à 75% du volume environ, pour lui permettre de se dilater à haute température apparemment : le propane liquide se dilate 16 fois plus que l'eau et le butane liquide 11 fois (d'ailleurs on n'en a pas tenu compte jusque là ).

seb0b0 a écrit :

#558864A 20°C, si tu verses du butane liquide dans un récipient et tu le fermes, du liquide se vaporisera jusqu'à ce que la vapeur atteigne la pression de vapeur saturante P°(butane,20°C)=2,08bar. On est alors à l'équilibre liquide-vapeur : la vapeur est saturée de liquide et ne peut plus en "absorber".
Si tu soutires 1,85g/min de liquide d'une cartouche inversée : après 1 min, tu as retiré 1,85g de liquide.
A 20°C, la masse volumique du butane est 579 g/l. Tu as donc retiré 3,2ml de liquide (c'est ce que tu as calculé).
Le volume du ciel gazeux a alors augmenté de 3,2ml.

Ouaip.

seb0b0 a écrit :

#558864La pression dans la cartouche est < 2,08 bar et on est sous l'équilibre (la vapeur n'est plus à pression de saturation). Le liquide se vaporise donc pour atteindre une pression de 2,08 bar.

Je vois ce que tu veux dire, mais je ne suis pas persuadé que ce soit un facteur déterminant dans le cas des cartouches inversées. Si je ne me goure pas la baisse de pression est d'à peine 0.03% chaque seconde cartouche pleine (quand c'est le plus significatif). (calcul : 3mL/minute dans 140mL)

Dans une cartouche à l'endroit : 1,85 g(liquide)/minute = 3,2 L(gaz)/minute (environ), à deux bars ça fait 1,6 L. Donc la cartouche perd environ 10 fois (1000 %) l'équivalent du volume gazeux intérieur (140mL) par minute ou 17% par seconde (à comparer aux 0,03% du cas "cartouche inversée"). D'où une rupture d'équilibre : dans ce cas le liquide peut ne pas se vaporiser "assez vite" pour compenser la vitesse de sortie du gaz, d'où une baisse de pression significative, alors qu'en statique la température du liquide serait suffisante pour maintenir une bonne pression. Et on comprend mieux l'intérêt du feutre dont parlait ith ci-dessus.
J'ai bon (0,03 % vs 17%) ?

seb0b0 · 04-03-2020 20:22:50

oli_v_ier a écrit :

#558872600mL c'est le volume total extérieur (mesuré par déplacement d'eau). 460 mL c'est le volume du combustible liquide, donc le volume du combustible gazeux initial c'est environ 140 mL.

Merci, j'ai corrigé mes données.
J'ai aussi considéré 230g de combustible pour une cartouche moyenne (j'avais 220g) comme vous êtes plusieurs à considérer que c'est la charge moyenne. Tous ces changements ne changent strictement rien aux graphiques car cela fait varier des micro-pouillèmes.

oli_v_ier a écrit :

#558872Ce qui veut dire que la cartouche pleine est remplie de liquide à 75% du volume environ, pour lui permettre de se dilater à haute température apparemment : le propane liquide se dilate 16 fois plus que l'eau et le butane liquide 11 fois (d'ailleurs on n'en a pas tenu compte jusque là ).

Je n'ai pas bien compris ta remarque.
La différence de volatilité du butane et du propane s'apprécie en regardant leurs pressions de vapeur saturante respectives (P°propane,T > P°butane,T). Avec la loi de Raoult, on détermine bien que le propane, bien que minoritaire dans le liquide, se vaporise plus.
Par contre, appliquer la loi des gaz parfaits V=nRT/P=(nbutane+npropane)RT/P pour trouver le volume du ciel gazeux est une approximation.
L'équation de Van der Waals donne des résultats plus conformes au réel. Un excellent modèle encore plus proche du réel pour des alcanes est de prendre l'équation de Peng-Robinson. Je ne l'ai pas encore fait pour mes calculs mais là, c'est l'artillerie lourde et juste pour le fun...

oli_v_ier a écrit :

#558872...Je vois ce que tu veux dire, mais je ne suis pas persuadé que ce soit un facteur déterminant dans le cas des cartouches inversées. Si je ne me goure pas la baisse de pression est d'à peine 0.03% chaque seconde cartouche pleine (quand c'est le plus significatif). (calcul : 3mL/minute dans 140mL)
Dans une cartouche à l'endroit : 1,85 g(liquide)/minute = 3,2 L(gaz)/minute (environ), à deux bars ça fait 1,6 L. Donc la cartouche perd environ 10 fois (1000 %) l'équivalent du volume gazeux intérieur (140mL) par minute ou 17% par seconde (à comparer aux 0,03% du cas "cartouche inversée"). D'où une rupture d'équilibre : dans ce cas le liquide peut ne pas se vaporiser "assez vite" pour compenser la vitesse de sortie du gaz, d'où une baisse de pression significative, alors qu'en statique la température du liquide serait suffisante pour maintenir une bonne pression. Et on comprend mieux l'intérêt du feutre dont parlait ith ci-dessus.
J'ai bon (0,03 % vs 17%) ?

Je pense que tu as raison. Par contre, j'ai observé quelquefois en mode inversé que le réchaud "tousse" avec de fortes variations de débit. Je ne sais pas encore bien expliquer pourquoi. A priori, je pense que la vaporisation dans le flexible qui passe dans la flamme est violente et fait bouillir le mélange de manière soudaine et peu régulière.

oli_v_ier · 04-03-2020 21:49:15

seb0b0 a écrit :

#558902
oli_v_ier a écrit :
#558872Ce qui veut dire que la cartouche pleine est remplie de liquide à 75% du volume environ, pour lui permettre de se dilater à haute température apparemment : le propane liquide se dilate 16 fois plus que l'eau et le butane liquide 11 fois (d'ailleurs on n'en a pas tenu compte jusque là ).
Je n'ai pas bien compris ta remarque.

Pardon j'ai digressé un peu par rapport au sujet (pression, température). En calculant le volume résiduel je me suis rappelé pourquoi les cartouches n'étaient pas davantage remplies : le gros coef de dilatation de ces combustibles liquides.

seb0b0 a écrit :

#558902j'ai observé quelquefois en mode inversé que le réchaud "tousse" avec de fortes variations de débit. Je ne sais pas encore bien expliquer pourquoi. A priori, je pense que la vaporisation dans le flexible qui passe dans la flamme est violente et fait bouillir le mélange de manière soudaine et peu régulière.

Idem.

oli_v_ier · 04-03-2020 22:01:26

seb0b0 et Raphus, vous seriez d'accord de partager vos feuilles de calcul ? Dans la barre d'outil de la fenêtre d'édition, cliquez sur l’icône lien en forme de "planète", il y a la partie "Envoyer un document" (notice).

seb0b0 · 04-03-2020 22:18:30

oli_v_ier a écrit :

#558928seb0b0 et Raphus, vous seriez d'accord de partager vos feuilles de calcul ? Dans la barre d'outil de la fenêtre d'édition, cliquez sur l’icône lien en forme de "planète", il y a la partie "Envoyer un document" (notice).

Oui, bien sûr. C'est une Google Sheet, on peut uploader directement ou il faut convertir en fichier Excel ?

Dans mon cas, ce n'est pas vraiment pas très présentable pour l'instant
Autre chose : j'utilise une résolution d'équation par algorithme (itérations successives) pour calculer l'équilibre liquide-vapeur. Il faut initialiser des valeurs pour réussir à faire converger cet algorithme.
Il vaudrait mieux que je publie les résultats des calculs (+ feuille originale avec l'algo pour ceux qui sont intéressés)

Redfish · 04-03-2020 22:35:33

seb0b0 a écrit :

#558902Je pense que tu as raison. Par contre, j'ai observé quelquefois en mode inversé que le réchaud "tousse" avec de fortes variations de débit. Je ne sais pas encore bien expliquer pourquoi. A priori, je pense que la vaporisation dans le flexible qui passe dans la flamme est violente et fait bouillir le mélange de manière soudaine et peu régulière.

J'ai l'impression que ça "tousse" quand il fait bien froid (clairement en dessous de 0°) et que la cartouche est posée au même niveau que le bruleur ou plus bas.
Peut être le butane qui reste plus sous forme liquide dans le flexible (vu que que plus bas que la hauteur du tube dans le bruleur) et donc serait "poussé" par à-coups par l'isobutane et/ou le propane qui lui est déjà en gaz.

En surélevant un peu la cartouche (5cm environ), ça ne "tousse" plus (je suppose qu'il ne faut pas lever trop haut sinon risque de faire gicler du gaz liquide par le bruleur ?).

seb0b0 · 04-03-2020 22:47:39

Ci-dessous l'évolution des compositions de liquide et vapeur dans une cartouche butane 70%/propane 30% à 0°C.
Chaque minute, on brûle 3,7g de gaz (débit max du brûleur).

Je n'ai pas mis les fractions massiques (j'aurais dû pour que ce soit plus clair).
Je vais en indiquer quelques unes ci-dessous pour illustrer : tous les % indiqués ci-dessous sont des % en masse (fraction massique).

La cartouche pleine contient 230g de mélange, soit butane 70% (161g) / propane 30% (69g)

T0 : , le liquide contient butane et propane quasiment dans les mêmes proportions 70% butane/30% propane (la masse de la vapeur au-dessus du liquide est seulement de 1g)

T0+5min : comme le propane est plus volatil que le butane, il est plus présent dans la vapeur où il y a butane 37% (0,4g)/propane 63% (0,7g) ; dans le liquide il y a 73% (154,1g)/propane 27% (56,3g)

T0+10min : on consomme toujours préférentiellement du propane, mais de moins en moins. Les 5 premières minutes on a consommé 12g de propane, les 5 suivantes 23,3-12=11,3g de propane
En effet, le butane est beaucoup plus présent - et de plus en plus - en proportion totale et bien que le butane soit moins volatil, il occupe de plus en plus de place dans la vapeur.
...

T0+30min : la cartouche est à moitié vide. On a une répartition butane 69% (0,9g)/propane 31% (0,4g) dans la vapeur, et butane 91% (107,2g)/propane 9% (10,4g) dans le liquide
...

Il reste toujours du propane jusqu'à la fin, mais en quantité très faible.

UPDATE : coquille sur le tableau, pour la dernière colonne il s'agit du bilan total de matière (c'est juste une vérification de la conservation des masses, rien ne se perd, rien se crée...)

Dernière modification par seb0b0 (04-03-2020 23:13:54)

Redfish · 05-03-2020 00:04:11

raphus a écrit :

#558647
Redfish a écrit :
#558219comment faire pour savoir à quelle température et mélange restant on à encore ces "> 1 bar" (au niveau de la mer, car en altitude c'est moins), vu que le mélange gazeux n'est pas le même que le mélange liquide.
Mon but était de savoir jusqu'à quelle température fonctionne un mélange sans devoir réchauffer la cartouche (en fonction des données qu'on à sur sa composition) et comment ça évolue avec l'utilisation de la cartouche... et au final savoir quel gaz restent à la fin.
A la réflexion, je me suis dit que finalement il n’était pas si compliqué de calculer ce que tu voulais Redfish !

Bon, j'ai bien pris le temps, en plusieurs fois et à plusieurs reprise, pour digérer tout ça (et la suite de la discussion dans les postes suivant).
Merci beaucoup pour cette explication très complète (mais encore compréhensible pour le néophyte).
Super boulot !

Dernière modification par Redfish (05-03-2020 00:04:26)

oli_v_ier · 05-03-2020 02:37:46

seb0b0 a écrit :

#558934
oli_v_ier a écrit :
#558928seb0b0 et Raphus, vous seriez d'accord de partager vos feuilles de calcul ? Dans la barre d'outil de la fenêtre d'édition, cliquez sur l’icône lien en forme de "planète", il y a la partie "Envoyer un document" (notice).
Oui, bien sûr. C'est une Google Sheet, on peut uploader directement ou il faut convertir en fichier Excel ?

Pardon j'avais pas vu, il faut convertir en .xls ou .ods .

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