Cycles thermodynamiques : Carnot, Diesel, Otto, Rankine

CYCLES SANS OU AVEC CHANGEMENT DE PHASE.
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CARACTÉRISTIQUES DE QUELQUES CYCLES COURANTS.
« MEP » d’un cycle signifie « Mean Effective Pressure » définie par :
max min
cycle
mep
W
PVV
.
Cycle de :
Diagramme P(v)
Diagramme T(s)
Commentaires.
CARNOT :
1–2 : compression isen-
tropique de
F
T
à
C
T
.
2–3 : détente isotherme
à
C
T
.
3–4 : détente isentro-
pique de
C
T
à
F
T
.
4–1 : compression iso-
therme à
F
T
.
Cas d’un gaz parfait.
Système quelconque.
Inutilisable ! (les compres-
sions sont irréalisables).
Faible MEP.
Rendement optimal d’un mo-
teur ditherme :
1F
C
T
T
.
En cycle moteur, QC reçue sur
la détente isotherme à TC.
DIESEL :
1–2 : compression isen-
tropique de
F
T
à
2
P
(
2
T
).
2–3 : combustion isobare
à
2
P
de
2
T
à
C
T
.
3–4 : détente isentro-
pique de
C
T
à
4
T
.
4–1 : refroidissement iso-
chore de
4
T
à
F
T
.
Cas d’un gaz parfait.
On note
1
2
v
av
et
volumétriques de
Cas d’un gaz parfait.
4
3
v
bv
les rapports
compression et de détente.
Injection du carburant en 2
seulement.
Explosion du mélange air-
carburant de 2 à 3 par simple
compression sans bougies
d’allumage.
En cycle moteur, QC reçue sur
le chauffage isobare et QF li-
bérée sur le refroidissement
isochore.
Rendement :
11
1
1ba
ba
.
OTTO (ou Beau
De Rochas) :
1–2 : compression isen-
tropique de
F
T
à
2
T
.
2–3 : combustion iso-
chore à
2
V
de
2
T
à
C
T
.
3–4 : détente isentropi-
que de
2
V
(
C
T
) à
1
V
(
4
T
).
4–1 : refroidissement iso-
chore de
4
T
à
F
T
.
Cas d’un gaz parfait.
On note
1
2
v
av
Cas d’un gaz parfait.
le rapport volumétrique.
Injection du carburant dès 1.
Explosion du mélange air-
carburant de 2 à 3 à l’aide de
bougies d’allumage.
En cycle moteur, QC reçue sur
le chauffage isochore et QF
libérée sur le refroidissement
isochore.
Rendement :
1
1a
.
Limitation par MEP réali-
sable.
BRAYTON (ou
JOULE) :
1–2 : compression isen-
tropique de
1
P
(
F
T
) à
2
P
(
2
T
).
2–3 : combsution isobare
de
2
T
à
C
T
.
3–4 : détente isentropi-
que de
C
T
à
1
P
(
4
T
).
4–1 : refroidissement iso-
bare de
4
T
à
F
T
.
Cas d’un gaz parfait.
On note
2
1
P
aP
Cas d’un gaz parfait.
le rapport de compression
Cycle utilisé dans les centrales
thermiques et nucléaires (tur-
bines à gaz), ou réacteurs
d’avions.
En cycle moteur, QC reçue sur
le chauffage isobare et QF li-
bérée sur le refroidissement
isobare.
Rendement :
1
1a
.
Limitation par la MEP réali-
sable.
T
s
TF
TC
P2
P1
P
v
TF
TC
T2
T4
T
s
TF
TC
V2
V1
P
v
TF
TC
T2
T4
T
s
TF
TC
P2
V1
P
v
TF
TC
T2
T4
T
s
TF
TC
P
v
TF
TC

CYCLES SANS OU AVEC CHANGEMENT DE PHASE.
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STIRLING :
1–2 : compression iso-
therme à
F
T
de
1
V
à
2
V
.
2–3 : échauffement iso-
chore de
F
T
à
C
T
.
3–4 : détente isotherme
à
C
T
.
4–1 : refroidissement iso-
chore de
C
T
à
F
T
.
Cas d’un gaz parfait.
Cas d’un gaz parfait.
A été peu développé (pro-
blèmes technologiques).
Nécessite un échangeur de
chaleur : la chaleur libérée sur
le refroidissement isochore
sert au chauffage isochore.
Grâce à l’échangeur, Q2-3 ne
coute rien (récupéré sur 4-1).
A en théorie le même rende-
ment que celui d’un moteur
de Carnot :
1F
C
T
T
.
Cycles avec changement d’état (machines à vapeur).
RANKINE :
1–2 : compression isen-
tropique du liquide à sa-
turation de
1
P
(
F
T
) à
2
P
(
C
T
).
2–3–4 : échauffement
isobare du liquide jusqu’à
vaporisation complète.
4–5 : détente isentropi-
que de
C
T
à
F
T
: on ob-
tient un mélange liquide
– vapeur de taux de va-
peur saturante xV.
5–1 : liquéfaction totale
du mélange à
F
T
.
Cycle proposé par William
RANKINE en 1859 pour
améliorer les performances
des machines à vapeur, en
s’appuyant sur le cycle de
Carnot.
La compression d’un liquide
nécessite moins de travail que
celle d’un gaz, d’où l’idée de
condenser totalement la va-
peur avant de la comprimer.
En contrepartie, l’eau liquide
doit être chauffée davantage
en début de cycle et le ren-
dement est moindre que dans
le cas d’un cycle de Carnot.
Rendement :
41
32
1hh
hh
.
HIRN :
1–2 : compression isen-
tropique du liquide à sa-
turation de
1
P
(
F
T
) à
2
P
(
C
T
) dans la pompe.
2–3–4 : échauffement
isobare du liquide jusqu’à
vaporisation complète
dans le générateur de va-
peur.
4-5 : échauffement iso-
bare dans le surchauffeur
par échange thermique
avec un fluide auxiliaire.
5–6 : détente isentro-
pique dans la turbine va-
peur jusqu’à obtention
d’une vapeur sèche à
1
P
.
6–1 : condensation iso-
bare avec liquéfaction
totale du mélange à
F
T
dans le condenseur.
Cycle introduit par Gustave
Adolph Hirn en 1855 pour
améliorer les performances
des machines à vapeur.
Dans le cycle de Rankine sur
lequel s’est appuyé Hirn, la
vapeur subit une détente en
traversant la turbine et se
condense partiellement.
L’apparition d’eau liquide
peut endommager les tur-
bines et Hirn proposa de por-
ter la vapeur à une tempéra-
ture suffisante pour que la va-
peur reste sèche tout au long
de son passage dans la tur-
bine : on parle de vapeur sur-
chauffée.
T
s
C
P
v
C
T
s
C
P
v
C
T
s
TF
TC
V2
V1
P
v
TF
TC