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)
-
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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Présentation
Cycle de Joule et cycles dérivés. Turbines à gaz et à combustion
En anglais
1. Moteurs alternatifs à apport externe de chaleur et rendement maximal
1.1 Type de cycles et rendement
Il a été rappelé dans le paragraphe 1.3 du dossier que le moteur de Carnot et le cycle associé conduisent au meilleur rendement possible pour les moteurs thermiques. La démonstration en est faite dans le paragraphe 4.1.3 [BE 8 007]. En réalité, si aucun cycle ne peut dépasser cette performance, il existe une infinité de cycles réversibles échangeant de la chaleur avec deux sources seulement, qui peuvent avoir un rendement équivalent, ce sont les cycles à rendement maximal parmi lesquels on trouve le cycle d’Ericsson et le cycle de Stirling.
La nécessité de la réversibilité implique que pour tous ces cycles, comme pour le cycle de Carnot, les échanges de chaleur avec les sources soient isothermes. Ils sont donc constitués de deux isothermes, à T M (température de la source chaude) et à T m (source froide). Les deux autres transformations, isentropiques dans le cycle de Carnot (figure 1 a ), doivent permettre des échanges internes isothermes (réversibles), donc répondre à des caractéristiques particulières. Sur la figure 1 a, le cycle 1-2-3-4 répond à cette nécessité. En effet, si quelle que soit la température T, on admet que les variations d’entropie massique s obéissent à l’équation :
( 1 )
la chaleur massique nécessaire à l’échauffement entre 1 et 2, q 12 , peut être apportée intégralement par le refroidissement entre 3 et 4, q 34 . Ainsi, au cours d’un cycle d’évolution, seuls les échanges thermiques isothermes Q M et Q m sont à faire avec des éléments extérieurs (les sources). Comme :
...
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