Cycle de Brayton
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Cycle de Joule
Le cycle de Brayton, ou cycle de Joule, est un cycle thermodynamique à caloporteur gazeux. Il a été inventé par l'ingénieur anglais John Barber (en) en 1791 et développé par l'ingénieur américain George Brayton à partir de 1872. Le cycle de Joule inverse lui est similaire, mais utilise une source de chaleur externe et incorpore un régénérateur.
Le cycle idéal modifier
Le cycle de Brayton théorique est le cycle idéal correspondant à celui de la turbine à gaz élémentaire[1]. Il est principalement utilisé pour la production d’électricité. Il existe deux types de cycles de Brayton selon qu’il est ouvert, ou refermé sur l’atmosphère, utilisant une combustion interne ou fermé utilisant un échangeur de chaleur. C’est la première variante qui retiendra notre attention puisque c’est celle qui est utilisée dans les centrales électriques Turbines Gaz-Vapeur.
Le cycle est parcouru par un débit d’air q (kg/s) aspiré de l’atmosphère, celui-ci est comprimé au moyen d’un compresseur. L’air comprimé est ensuite chauffé à pression constante[2] dans la chambre de combustion pour être détendu dans la turbine qui entraîne le compresseur et l’alternateur. Compresseur, turbine et alternateur sont donc sur un même arbre.
Dans un cycle idéal, la compression et la détente sont supposées isentropiques et la combustion est supposée isobare.
Le cycle réel modifier
Le cycle réel se différencie du cycle idéal de la manière suivante :
Irréversibilité dans le compresseur et la turbine modifier
Ces machines sont le siège de pertes par frottements. Il s’ensuit que les températures réelles de sortie du compresseur et de la turbine seront plus élevées que dans le cas idéal, à taux de compression ou de détente constant. L’écart par rapport au cycle idéal peut être quantifié par les rendements isentropiques de compression et de détente. Chutes de pression : nous avons supposé la combustion isobare. Or, la chambre de combustion induit des pertes de charges et donc la pression de sortie de chambre de combustion sera légèrement plus faible. De plus, la présence d’un filtre à l’entrée du compresseur et d’un déflecteur à la sortie crée des pertes additionnelles.
Débit non constant modifier
Le débit d’air qui parcourt le cycle réel ne peut pas être considéré constant. En effet, à l’entrée de la turbine, il faut prendre en compte le débit de combustible. En outre, une partie du débit d’air est utilisée pour refroidir la turbine.
Chaleurs massiques non constantes modifier
Dans un cycle idéal, il est habituel de considérer cp et cv constants, alors qu’en réalité ces valeurs dépendent de la composition chimique des gaz et de la température.
Pertes mécaniques modifier
Aucun accouplement mécanique n’est parfait et par conséquent l’arbre de la machine est sujet à des pertes mécaniques.
Notes et références modifier
- (en) « Ideal Brayton Cycle », Grc.nasa.gov, (consulté le )
- Olivier Cleynen, Thermodynamique de l’ingénieur, Olivier Cleynen / Thermodynamique.fr, , 3e éd., 344 p. (ISBN 9781794848207, présentation en ligne, lire en ligne), p. 93
