Le cycle de Rankine en thermodynamique explique comment les machines thermiques, comme les centrales électriques, convertissent la chaleur en travail mécanique efficace.
Comprendre le cycle de Rankine en thermodynamique
Le cycle de Rankine est un modèle théorique qui décrit le fonctionnement des machines thermiques, telles que les machines à vapeur ou les centrales électriques. Il est nommé d’après William John Macquorn Rankine, un ingénieur et physicien écossais. Ce cycle est extrêmement important dans le monde de la thermodynamique et de l’ingénierie thermique car il décrit comment la chaleur est transformée en travail mécanique de manière efficace.
Les étapes du cycle de Rankine
Le cycle de Rankine classique comprend quatre étapes principales qui se déroulent dans un ordre séquentiel :
- Compression isentropique (1-2) :
Cette étape se déroule dans une pompe. Le fluide de travail, souvent de l’eau, est pompé depuis une basse pression vers une haute pression sans échange de chaleur avec l’environnement (processus isentropique). L’énergie mécanique nécessaire à cette compression est fournie par une source externe. - Addition de chaleur isobare (2-3) :
Le fluide compressé passe ensuite dans une chaudière où il reçoit de la chaleur à pression constante (isobare). Ce processus transforme le liquide en vapeur. - Détente isentropique (3-4) :
La vapeur surchauffée passe à travers une turbine où elle se détend de manière isentropique, c’est-à-dire sans échange de chaleur avec l’environnement. La détente de la vapeur produit un travail mécanique qui peut être utilisé pour générer de l’électricité. - Rejet de chaleur isobare (4-1) :
Après la détente, la vapeur refroidie est condensée à pression constante dans un condenseur. Le rejet de chaleur se fait vers un réservoir de basse température, souvent l’atmosphère ou un cours d’eau.
Diagramme T-s du cycle de Rankine
Le cycle de Rankine peut être illustré par un diagramme Température-Entropie (T-s). Les quatre étapes du cycle apparaissent comme suit :
- Processus 1-2 : une ligne verticale vers le haut (compression isentropique).
- Processus 2-3 : une courbe vers la droite (chauffage isobare).
- Processus 3-4 : une ligne verticale vers le bas (détente isentropique).
- Processus 4-1 : une courbe vers la gauche (refroidissement isobare).
Formules importantes
Voici quelques formules clés associées au cycle de Rankine :
Le rendement thermique du cycle de Rankine est donné par :
\(\eta = \frac{W_{net}}{Q_{add}} \times 100 \%\)
Où :
- \(W_{net}\) est le travail net produit par le cycle.
- \(Q_{add}\) est la chaleur ajoutée au fluide de travail dans la chaudière.
Le travail produit par la turbine (\(W_{turbine}\)) et le travail consommé par la pompe (\(W_{pump}\)) peuvent être exprimés comme :
\(W_{turbine} = h_3 – h_4\)
\(W_{pump} = h_2 – h_1\)
Où \(h_1, h_2, h_3\) et \(h_4\) sont les enthalpies spécifiques aux différents points du cycle.
En résumé, le cycle de Rankine est fondamental pour comprendre le fonctionnement des moteurs thermiques et des centrales électriques. Il donne une structure claire pour analyser et améliorer l’efficacité des systèmes de conversion d’énergie thermique en travail mécanique.
