THERMODYNAMIQUE APPLIQUÉE PARTIE 4 CYCLES THERMODYNAMIQUES I. Quelques hypothèses de modélisation 1. Idéalisation des cycles thermodynamiques L’étude de vrais cycles thermodynamiques est difficile et complexe : frottements et non équilibres par exemple. C’est pourquoi on en fait en général une idéalisation pour : I pouvoir faire des études analytiques simples I étudier les effets principaux I en tirer des conclusions sur les cycles réels P idéalisation cycle réel V 2. Quelques hypothèses générales Pour l’étude des cycles, les hypothèses suivantes sont généralement faites : 1. Les processus d’expansion et de compression ont lieu avec une hypothèse d’équilibre quasi-statique : ρ = cte dans tout le domaine par exemple 2. Tous les processus sont réversibles (de manière interne mais pas nécessairement externe) 3. La combustion est remplacée par une source de chaleur externe 4. Pour les cycles à gaz, le gaz a un comportement de gaz parfait 5. Les capacités calorifiques sont souvent supposées constantes Pour les cycles ouverts : 1. Pas de transfert de chaleur au travers des canalisations 2. Les frottements sont négligés : pas de perte de pression dans les canalisations ou les échangeurs 3. L’écoulement est stationnaire 4. Variations d’énergies potentielle et cinétique généralement négligées : hypothèse généralement raisonnable, suivant le problème physique traité 5. Pour les transformations où la transformation n’est pas un cycle (e.g. moteur d’avion), l’échappement est remplacé par un processus de rejet de chaleur qui replace le fluide dans son état initial II. Cycles fermés Sens du cycle Transformations réversibles : δW rev = −P dv et δQ rev = T ds Sur le cycle : W + Q = 0 Cycle générateur Cycle récepteur P P W >0 W <0 v v T T Q<0 Q>0 s s 1. Cycle de Carnot a) Rappels sur le cycle de Carnot Adiabatique P T 2 3 T2 3 Q2 Adiabatique 2 Q2 T = T2 Q1 1 Q1 4 T = T1 V T1 1 4 s b) Bilan énergétique Le système étant fermé, à chaque étape du cycle, on a Uj − Ui = Wji + Qji U2 − U1 = W21 U3 − U2 = W32 + Q2 U4 − U3 = W43 U1 − U4 = W14 + Q1 Sur le cycle : 0 = Q2 + Q1 + W c) Bilan entropique Le système étant fermé, à chaque étape du cycle, on a Sj − Si = S2 − S1 = S3 − S2 = S4 − S3 = S1 − S4 = Qji Tk 0 Q2 T2 0 Q1 T1 Sur le cycle : 0= Q2 Q1 + T2 T1 d) Bilan exergétique Le système étant fermé, à chaque étape du cycle, on a Dji∗ = Ta (Sj − Si ) − Qji ∗ D21 = Ta (S2 − S1 ) = 0 ∗ D32 = Ta (S3 − S2 ) − Q2 ∗ D43 = Ta (S4 − S3 ) = 0 ∗ D14 = Ta (S1 − S4 ) − Q1 Ta Tk Ta =0 T2 Ta =0 T1 Sur le cycle : ∗ ∗ ∗ ∗ D ∗ = D21 + D32 + D43 + D14 =0 e) Rendements Rendement énergétique η= |W | Q1 + Q2 Q1 = =1+ Q2 Q2 Q2 Rendement énergétique du cycle de Carnot η =1− T1 T2 Rendement exergétique Définition : η= η= |W | „ « Ta Q2 1 − T2 Q2 (1 − T1 /T2 ) Q1 + Q2 T2 − T1 = = Q2 (1 − Ta /T2 ) Q2 (1 − Ta /T2 ) T2 − Ta Si la source froide (T1 ) est en équilibre avec le milieu ambiant (Ta ), le rendement exergétique vaut 1 f) Quelques remarques sur le cycle de Carnot I I Aucun cycle ne peut être aussi efficace que le cycle de Carnot Pourquoi ne pas prendre le cycle de Carnot comme seul cycle modèle ? 1. Beaucoup de cycles réels n’ont pas la forme du cycle de Carnot, même de manière approchée, et leur idéalisation ne peut pas reposer sur ce dernier 2. Le cycle de Carnot est très idéal : il y a toujours équilibre thermique avec les sources de chaleur extérieures. Les idéalisation des cycles réels reposent sur l’hypothèse de réversibilité interne mais pas externe : il n’y a pas équilibre thermique avec les sources extérieures I Le cycle de Carnot fournit des informations utiles quant à l’efficacité thermique des cycles 1. L’efficacité augmente avec l’augmentation de la température moyenne à laquelle de la chaleur est fournie au système. La température maximum est en générale limitée par des contraintes mécaniques (tenue des aubes de turbines par exemple). 2. L’efficacité augmente avec la diminution de la température moyenne à laquelle de la chaleur est rejetée du système. La température minimum est en générale limitée par des contraintes environnementales (température de l’eau de refroidissement par exemple) 2. Le moteur à essence : le cycle de Otto a) Description du cycle Compression Détente Echappement Entrée fin combustion P dé ten te allumage ouverture soupape entrée com pres ouverture soupape sortie sion V b) Idélisation : le cycle de Otto P 3 Q2 s Q2 T = ct c v= e te 2 2 s= cte v= 4 1 Q1 1 3 4 cte Q1 s v 1-2 Compression isentropique 2-3 Chaleur apportée à v = cte 3-4 Détente isentropique 4-1 Chaleur cédée à v = cte Pas de travail dans les étapes d’échange de chaleur c) Bilan énergétique Le système considéré est le fluide compris dans le cylindre lors des phases de compression et de détente Pour une unité de masse et pour chaque étape : ∆u = Cv ∆T = q + w u2 − u1 = Cv (T2 − T1 ) = w21 u3 − u2 = Cv (T3 − T2 ) = q2 u4 − u3 = Cv (T4 − T3 ) = w43 u1 − u4 = Cv (T1 − T4 ) = q1 Sur le cycle : 0 = w + q1 + q2 d) Bilan entropique Le système considéré est le fluide s2 − s1 = 0 s4 − s3 = 0 „ «γ−1 ⇒ T4 = T3 „ v3 v4 «γ−1 = v2 v1 = T1 T2 ⇒ T4 T3 = T1 T2 e) Rendement énergétique η= T1 − T4 T1 T4 /T1 − 1 q1 −w =1+ =1− =1+ q2 T3 − T2 T2 T3 /T2 − 1 q2 Rendement énergétique du cycle de Otto η =1− „ v1 v2 1 «γ−1 L’efficacité dépend uniquement du rapport de compression (v1 /v2 ) et du rapport des capacités calorifiques γ : l’efficacité augmente lorsque le rapport de compression augmente. Cette conclusion s’applique également aux moteurs à combustion réels. On ne peut pas augmenter le rapport de compression indéfiniment : au-delà d’une certaine limite, la température en fin de cycle de compression dépasse la température d’auto-allumage du mélange. Ce phénomène (audible) peut endommager les moteurs. On a donc utilisé des mélanges qui retardent la limite d’auto-allumage (essence “plombée”). 3. Le moteur diesel : le cycle de Diesel a) Le principe Moteur similaire au moteur à essence : seule la méthode d’allumage diffère. Dans le moteur diesel, l’air est comprimé à une température supérieure à la température d’auto-allumage du mélange. La combustion commence lorsque le carburant est injecté dans cet air chaud. Compression Puisque l’air seul est comprimé, le problème de l’auto-allumage est éliminé et on peut atteindre des températures plus élevées, ce qui permet de brûler des produits moins raffinés. Détente b) Modélisation du cycle L’injection commence lorsque le piston approche de la fin de sa course et se poursuit au cours de la première partie de la phase de détente. Le processus de combustion est donc plus long. Ce processus est alors approché par un processus d’apport de chaleur à pression constante (et non plus à volume constant). Les autres parties du cycle sont identiques au moteur à essence. P 2 Q2 3 Q2 T s = c P= e ct s= cte te 2 v= 4 1 Q1 v 1 3 4 cte Q1 s c) Bilan énergétique P Q2 3 2 u2 − u1 = w21 u3 − u2 = q2 + w32 = q2 − P2 (v3 − v2 ) u4 − u3 = w43 u1 − u4 = q1 s = e ct q1 = Cv (T1 − T4 ) s= cte 4 1 Q1 v q2 = u3 − u2 + P2 (v3 − v2 ) = (u3 + P3 v3 ) − (u2 + P2 v2 ) = h3 − h2 q2 = Cp (T3 − T2 ) Sur le cycle : 0 = w + q1 + q2 d) Bilan entropique Q2 T P te =c 2 v= 1 s2 − s1 = 0 s3 − s2 = Cp ln 3 s4 − s3 = 0 4 s1 − s4 = Cv ln cte ⇒ Q1 s „ «γ−1 T2 v1 = T1 v2 „ «γ T3 T4 = T2 T1 T3 T2 T1 T4 e) Rendement énergétique η= −w q1 T4 − T1 T1 T4 /T1 − 1 =1+ =1− =1− q2 q2 γ (T3 − T2 ) γ T2 T3 /T2 − 1 η =1− 1 (T3 /T2 )γ − 1 1 (v1 /v2 )γ−1 γ (T3 /T2 ) − 1 P3 = P2 ⇒ T3 v3 = T2 v2 Rendement énergétique du cycle Diesel η =1− „ v1 v2 1 «γ−1 » 1 (v3 /v2 )γ − 1 γ (v3 /v2 ) − 1 – Le terme entre crochets est toujours supérieur à 1 ; donc ηDiesel < ηOtto lorsque les deux cycles fonctionnent avec le même rapport de compression. Mais les moteurs diesel fonctionnent à des rapport de compression plus élevés et sont donc plus efficaces 4. Cycle de Stirling a) Le principe (type alpha) q2 q1 Par expansion thermique, le gaz chauffé a poussé le piston au fond de sa course. L’expansion se poursuit vers le cylindre froid. 1-2 q2 q1 Le volume de gaz est maximum. Le gaz commence à se refroidir. 2-3 q2 q1 Le gaz est quasiment tout dans le cylindre froid où il se contracte. La contraction thermique entraîne le piston froid vers le bas. 3-4 q2 q1 Le volume de gaz est minimum. Le gaz se réchauffe dans le cylindre chaud, ce qui fait bouger le piston chaud. 4-1 b) Modélisation 1 T P = ct q2 e 1-2 Détente isotherme 2-3 Refroidissement isochore 4 T 3-4 Compression isotherme 2 = cte q1 4-1 Chauffage isochore 3 v c) Bilan énergétique 2 Z 0 q21 + w21 = q21 − = „ v2 v1 « „ v1 v2 « P dv = q21 − r T1 ln 1 Cv (T3 − T2 ) q32 = 4 Z 0 q43 + w43 = q43 − = P dv = q43 − r T3 ln 3 Cv (T2 − T3 ) q14 = d) Rendement énergétique Travail fourni „ w = − (w21 + w43 ) = r (T1 − T3 ) ln 1 « „ v2 v1 T P v2 v1 = Chaleur fournie e ct q2 q2 = q14 + q21 = Cv (T1 − T3 ) + r T1 ln 4 T 2 = cte q1 3 v Rendement η= r (T1 − T3 ) ln(v2 /v1 ) w = q2 Cv (T1 − T3 ) + r T1 ln(v2 /v1 ) Si la chaleur nécessaire au chauffage isochore est entièrement récupérée au cours du refroidissement isochore „ « v2 q = q14 + q21 + q32 = r T1 ln v1 alors le rendement devient η =1− C’est-à-dire le rendement de Carnot T3 T1 « III. Cycles ouverts Dans ces cycles, le fluide circule à travers différents composant Sens du cycle Transformations réversibles : δW 0rev = v dP et δQ rev = T ds Sur le cycle : W 0 + Q = 0 Cycle générateur Cycle récepteur P P W0 > 0 W0 < 0 v v T T Q<0 Q>0 s s 1. Cycle d’Ericsson a) Présentation du cycle théorique régénérateur adiabatique 1 4 Q̇32 2 1-2 Compression isotherme 3 2-3 Apport de chaleur isobare Ẇ 0 3-4 Détente isotherme 4-1 Rejet de chaleur isobare Q̇21 Q̇43 compresseur isotherme turbine isotherme I La réalisation technique d’une compression ou d’une détente isotherme est très difficile I Mais potentiellement très intéressant régénérateur adiabatique 3 h 4 Q̇43 4 P 2 1 1 Q̇32 Ẇ 0 Q̇21 P = 3 P P = Q̇32 2 2 Q̇21 Q̇43 compresseur isotherme 1 s turbine isotherme b) Bilan énergétique ṁ (h2 − h1 ) = Ẇc0 + Q̇21 ṁ (h3 − h2 ) = Q̇32 ṁ (h4 − h3 ) = Ẇt0 + Q̇43 ṁ (h1 − h4 ) = −Q̇32 Sur le cycle : Ẇc0 + Ẇt0 + Q̇21 + Q̇43 = 0 c) Bilan d’entropie Q̇43 3 4 ṁ (s2 − s1 ) = Q̇21 T2 ṁ (s4 − s3 ) = Q̇43 T3 P 1 Q̇32 = P = P 2 h Régénérateur idéal : le transfert de chaleur du fluide chaud au fluide froid se fait sans différence de température entre ces deux fluides (localement). P 2 Q̇21 1 s Gaz parfait à Cp constant : „ s2 − s1 = −r ln P2 P1 Q̇21 = −Q̇43 « = s3 − s4 T2 T3 c) Rendement énergétique Définition : η = régénérateur adiabatique 1 Q̇32 Et Ẇ 0 = −Q̇21 − Q̇43 3 Q̇21 = −Q̇43 Ẇ 0 Q̇21 T2 T3 Donc Q̇43 compresseur isotherme Q̇43 Or Ẇ 0 = Ẇt0 + Ẇc0 4 2 −Ẇ 0 „ « T2 Ẇ = −Q̇43 1 − T3 turbine isotherme 0 Rendement énergétique du cycle d’Ericsson η =1− T2 T3 Ce rendement est égal au rendement du cycle de Carnot 2. Les turbines à gaz : le cycle de Brayton a) Présentation générale Le cycle de Brayton est utilisé en général pour les turbines à gaz lorsque la compression et la détente sont réalisées avec des machines tournantes. Les turbines à gaz fonctionnent en général en cycle ouvert. carburant 2 compresseur combustion 3 turbine travail 4 1 air gaz échappement b) Modélisation Le cycle ouvert de turbine à gaz peut être modélisé par un cycle fermé. Combustion → apport de chaleur à pression constante Echappement → rejet de chaleur à l’air ambiant à pression constante Q̇2 > 0 2 échangeur 1-2 Compression isentropique 3 compresseur 2-3 Apport de chaleur isobare Ẇ 0 < 0 turbine 3-4 Détente isentropique 1 échangeur 4-1 Rejet de chaleur isobare 4 Q̇1 < 0 Certaines installations fonctionnent avec un cycle réellement fermé Q̇2 > 0 2 échangeur compresseur 3 échangeur 1 Ẇ 0 < 0 turbine 4 Q̇1 < 0 P Q̇2 3 2 Q̇2 T s c P= = s= 2 e ct cte P 4 1 Q̇1 te 1 v = 3 4 cte Q̇1 s c) Bilan énergétique Pour chaque composant du cycle, on a, par unité de masse, : ∆h = ẇ + q̇ h2 − h1 = ẇc h3 − h2 = q̇2 = Cp (T3 − T2 ) h4 − h3 = ẇt h1 − h4 = q̇1 = Cp (T1 − T4 ) Sur le cycle : ẇ + q̇2 + q̇1 = 0 d) Bilan entropique Pour chaque transformation, les irréversibilités internes sont nulles Pour les compressions et détentes qui sont des adiabatiques réversibles, on a s = cte : „ « γ−1 γ T2 P2 = T1 P1 „ « γ−1 „ « γ−1 γ γ P2 T3 P3 = = T4 P4 P1 D’où T2 T3 = T1 T4 e) Rendement énergétique On définit le rendement énergétique par η= Soit η =1+ −ẇ q̇2 q̇1 T1 − T4 T1 T4 /T1 − 1 =1+ =1− q̇2 T3 − T2 T2 T3 /T2 − 1 Rendement énergétique du cycle de Brayton η =1− „ P2 P1 1 « γ−1 γ L’efficacité d’un cycle de Brayton augmente avec le rapport de pression de la turbine et avec γ (si le fluide est différent de l’air). C’est ce que l’on observe effectivement sur les turbines réelles. La température la plus élevée du cycle est atteinte à la fin de la combustion (en 3) et est en générale limitée par la température maximale que les pales de la turbine peuvent supporter. Des progrès significatifs dans le domaine des matériaux ont été faits et les turbines à gaz peuvent supporter des températures allant jusqu’à 1400◦ C. Applications principales des turbines à gaz : I propulsion des avions I génération de puissance électrique, même en cycle fermé dans les réacteurs nucléaires de quatrième génération f) Autres utilisations du cycle de Brayton Le cycle de Brayton étudié est générateur de puissance (ẇ < 0) Il peut aussi être utilisé comme : I machine frigorifique (ẇ > 0 ; q̇1 > 0) I pompe à chaleur (ẇ > 0 ; q̇2 < 0) Exemple de la pompe à chaleur Coefficient de performance : −q̇2 1 = >1 η ẇ Principe de fonctionnement : I On prend de la chaleur à la source froide pour la fournir à la source chaude. I Mais ce processus ne peut pas se faire spontanément et il est nécessaire de fournir du travail pour qu’il se produise. I Mais le travail fourni est inférieur à la chaleur transmise. g) Optimisations du cycle de Brayton i) Regénération Une partie de la chaleur des gaz chauds sortant de la turbine est utilisée pour préchauffer les gaz à l’entrée de la chambre de combustion. regénérateur 4 chaleur 2 combustion 3 5 compresseur 1 turbine travail q2 3 T qregen 5 4 qregen 2 1 q1 s L’efficacité du cycle augmente car une partie de la chaleur normalement cédée à l’extérieur est utilisée pour préchauffer les gaz de combustion et ainsi économiser une partie de la chaleur normalement utilisée pour chauffer ces gaz. Fonctionne uniquement si la température en sortie de turbine est supérieure à la température en sortie de compresseur (T4 > T2 ), i.e. pour des rapports de pression relativement élevés. ii) Effet d’un refroidisseur intermédiaire sur le travail de compression 1 4 compresseur compresseur 2 3 refroidisseur Dans le cas réversible, on a : δw = v dP P 4 isotherme 2 3 isentropiques 1 v P 4 11111 00000 travail économisé 00000 11111 00000 11111 00000 11111 isotherme 00000 11111 2 00000 11111 Principe général Le travail de compression (ou de détente) est proportionnel au volume. I I Pour minimiser le travail de compression, il faut donc diminuer v , ce que l’on peut faire en diminuant la température du fluide. Pour augmenter le travail de détente, il faut augmenter v , ce que l’on peut faire en augmentant la température du fluide. C’est ce principe simple qui est appliqué pour les refroidisseur et réchauffeur intermédiaires. 5 T 7 Q̇rech. Q̇20 Q̇regen 8 6 4 2 3 Q̇refr . 1 Q̇regen Q̇10 s Interprétation On approche ainsi d’un cycle d’Ericsson 3. Les turbines à vapeur : le cycle de Rankine a) Cycle de Carnot Pourquoi le cycle de Carnot n’est pas un bon modèle pour l’étude des cycles à vapeur ? 1. Difficile de beaucoup augmenter la température (pour augmenter le rendement). T 1 2 4 3 2. Quantité relative de liquide importante lors de la détente isentropique (2-3) : dommages mécaniques dus à l’impact des gouttelettes. s 3. Difficile de concevoir un compresseur pouvant travailler avec un “mélange” diphasique (4-1) b) Cycle de Rankine : le cycle à vapeur idéal Q̇2 2 Ẇ20 bouilleur pompe 3 T 3 Q̇2 Ẇ10 turbine Ẇ10 2 1 4 condenseur Ẇ20 1 Q̇1 Q̇1 4 s 1-2 Compression isentropique (pompe) 2-3 Chauffage isobare (générateur de vapeur) 3-4 Détente isentropique (turbine) 4-1 Refroidissement isobare (échangeur) c) Bilan énergétique Pour chaque composant du cycle, on a (par unité de masse) : ∆h = q̇ + ẇ Pompe h2 − h1 = w2 Bouilleur h3 − h2 = q2 Turbine h4 − h3 = w1 Condenseur h1 − h4 = q1 Les calculs analytiques ne sont pas possibles (en tout cas beaucoup moins simples que pour les autres cycles) car il est nécessaire de se donner un modèle thermodynamique du fluide pour ses phases liquide et vapeur, ce qui n’est généralement pas possible Le recours aux tables thermodynamiques (ou aux diagrammes) est donc nécessaire. Remarque sur le calcul du travail de la pompe dh = T ds + v dP Transformation isentropique et liquide quasiment incompressible ⇒ ∆h = v ∆P Remarque sur l’état en sortie de turbine Cet état est diphasique liquide-vapeur et le titre de vapeur est noté x. On a donc : h4 = x hvsat + (1 − x) hlsat = hlsat + x Lv s4 = x xvsat + (1 − x) slsat = slsat + x Lv /T sat d) Interprétation graphique de l’efficacité T 3 Q̇2 Ẇ10 2 Ẇ20 1 Q̇1 4 s Aire du cycle (travail net) divisée par l’aire sous la courbe (2-3) (chaleur fournie) e) Comment améliorer l’efficacité du cycle de Rankine ? Idées maîtresses : I augmenter la température moyenne à laquelle la chaleur est transmise au fluide I baisser la température moyenne à laquelle la chaleur est cédée à l’extérieur T En abaissant la pression du condenseur, on abaisse la température diphasique. 3 Le gain de travail net est représenté par l’aire hachurée. 2 111111 000000 1 000000 111111 000000 111111 4 000000 111111 000000 111111 4’ 000000 111111 1’ 2’ On peut plus chauffer le système (aire sous la courbe (2-2’)), mais cette chaleur est beaucoup plus faible que le gain total. s Mais : augmentation de la quantité de liquide en sortie de turbine (4’). T 2 1 En augmentant la température en sortie de bouilleur, on augmente le travail net du cycle. 3’ 1 0 31 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 4 La quantité de chaleur supplémentaire nécessaire est représentée par l’aire sous la courbe (3-3’). 4’ s Mais l’effet net est une augmentation de l’efficacité. La quantité de liquide en sortie de turbine (4’) est abaissée. Il faut que les matériaux de la turbine supportent des températures élevées. T En augmentant la pression du bouilleur, on augmente la température à laquelle le changement de phase se produit et donc la température moyenne au cours du chauffage. 3’ 3 11111 00000 00 11 0 1 00000 11111 00 11 0 1 00000 11111 00 11 0 1 00000 11111 2’11111 00 11 0 1 00000 00 11 0 1 211111 00000 00 11 0 1 1 00 11 0 1 4’ Si on maintient la température maximale constante (en entrée de turbine), la quantité de liquide en sortie de turbine est plus importante. 4 La perte de travail liée au mouvement vers la gauche peut être compensée en réchauffant la vapeur. s Cycle de Rankine avec réchauffe Comment augmenter la pression dans le bouilleur sans augmenter la quantité de liquide dans la turbine ? Utiliser deux turbines avec réchauffe 3 turbine turbine T 5 2 3 6 condenseur bouilleur 4 4 2 1 pompe 1 5 6 s On peut augmenter le nombre de réchauffes pour s’approcher d’une isotherme. Mais il est rare que les économies ainsi faites justifient plus de 2 réchauffes.