Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Les cycles présentés sont les cycles à rendement maximal et le cycles de Joule, c’est-à-dire les turbines à gaz. Si on peut imaginer une infinité de cycles à rendement maximal, la réalité est moins intéressante : 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 de l’apport de chaleur externe, ce qui permet des sources d’énergie variées, notamment à base d’énergie renouvelable.
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This article focuses on maximum performance cycles and the Joule cycles, i.e. gas turbines. Although one can imagine an infinity of maximum performance cycles, reality is less thrilling: Striling or Ericsson engines for instance are far from reaching such performances. However, these alternative engines could develop significantly due to the external heat supply which allows for using varied energy sources and in particular renewable energy sources.
Auteur(s)
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André LALLEMAND : Professeur émérite des universités - Ancien directeur du département de Génie énergique de l'INSA de Lyon
INTRODUCTION
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.
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Moteurs alternatifs à apport externe de chaleur et rendement maximal
En anglais
2. Cycle de Joule et cycles dérivés. Turbines à gaz et à combustion
2.1 Cycle de Joule
Le cycle de base des turbines à gaz (TAG) est le cycle de Joule et bien que la plupart de ces machines soient en réalité des moteurs à combustion interne, appelées encore pour cette raison : turbines à combustion (TAC), l’analyse élémentaire de leur fonctionnement utilise la notion d’évolution cyclique du fluide thermodynamique : un gaz.
HAUT DE PAGE2.1.1 Cas respectant la réversibilité
Partant du principe technologique que les échanges thermiques dans des échangeurs de chaleur se font à pression constante d’une part, que les écoulements du fluide thermodynamique dans les machines de compression et de détente ont lieu de manière adiabatique, donc théoriquement isentropique, d’autre part, le cycle de base des moteurs à gaz à apport externe de chaleur est le cycle de Joule (figure 5). Bien évidemment ce cycle étant de type moteur, le sens de parcours sur le cycle est inversé (sens des aiguilles d’une montre) par rapport à celui du cycle de Joule d’un générateur thermique ([BE 8 050], § 2.1.1). Le schéma d’un moteur fonctionnant selon ce cycle fait l’objet de la figure 6. Il s’agit d’une turbine à gaz à « cycle fermé ».
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Théoriquement dans ce type de machine, le fluide subit les transformations suivantes.
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