Convertisseurs thermomécaniques - Cycles moteurs à gaz : Stirling et Joule

Comme pour les générateurs thermiques, deux grands types de fluides sont à la base du fonctionnement des moteurs : des gaz d’une part, des fluides diphasiques (liquide-vapeur) d’autre part. En revanche dans certains moteurs, l’apport de chaleur par transfert du milieu extérieur vers le fluide thermodynamique est remplacé par une réaction chimique de combustion à l’intérieur même de la machine : ce sont les moteurs à combustion interne. Ainsi, en plus du classement par type de fluide, on classe aussi les moteurs en moteurs à combustion interne et moteurs à combustion externe ou à apport de chaleur externe. Un autre élément intervient aussi sur le type de cycle mis en œuvre. Il s’agit du mode d’écoulement du fluide dans le moteur. On a affaire à des écoulements soit continus, c’est le domaine des turbines, soit discontinus, c’est le domaine des moteurs alternatifs.

L’étude des moteurs à gaz fait l’objet de deux dossiers.

Dans le présent dossier, on traite des cycles à rendement maximal d’une part, des machines dont le cycle de base est le cycle de Joule, c’est-à-dire des turbines à gaz et turboréacteurs, d’autre part.

Si on peut imaginer une infinité de cycles à rendement maximal, c’est-à-dire dont le rendement équivaut à celui du cycle de Carnot, on montre que la réalité est moins intéressante et que les applications correspondantes que sont les moteurs de Stirling ou d’Ericsson, par exemple, sont loin d’atteindre ces valeurs de rendement. Cependant, ces moteurs alternatifs pourraient bénéficier d’un bon développement du fait que l’apport de chaleur est externe, donc que les sources d’énergie peuvent être variées, notamment à base d’énergie renouvelable.

Si le cycle moteur de Joule et ses dérivés, notamment avec récupération de chaleur, permettent de modéliser simplement le fonctionnement des turbines à gaz, on note que la plupart de ces machines à flux continu sont en réalité des machines à combustion interne. L’évolution du fluide n’est alors plus cyclique et la combustion remplace l’apport thermique de la source chaude. Le lien entre les deux types d’opération, apport thermique par une source chaude et combustion, est mis en évidence dans ce dossier où l’analyse exergétique, qui prend également une certaine place, permet de montrer que le cycle de Carnot associé à ce type de machine a un rendement égal à l’unité.

Le dossier suivant est indissociable de ce dossier. Il traite de machines extrêmement présentes dans notre environnement et qui font une rupture totale avec les machines à deux sources : ce sont les moteurs alternatifs à combustion interne.