Cycle de Brayton – Turbine Engine
En 1872, un ingénieur américain, George Bailey Brayton, a fait progresser l’étude des moteurs thermiques en brevetant un moteur à combustion interne à pression constante, utilisant initialement du gaz vaporisé mais plus tard des combustibles liquides tels que le kérosène. Ce moteur thermique est connu sous le nom de « Moteur prêt de Brayton » . Cela signifie que le moteur Brayton d’origine utilisait un compresseur à piston et un détendeur à piston au lieu d’une turbine à gaz et d’un compresseur à gaz.
Aujourd’hui, les moteurs à turbine à gaz modernes et les moteurs à réaction à respiration aérodynamique sont également des moteurs thermiques à pression constante, c’est pourquoi nous décrivons leur thermodynamique par le cycle de Brayton . En général, le cycle de Brayton décrit le fonctionnement d’un moteur thermique à pression constante .
C’est l’un des cycles thermodynamiques les plus courants que l’on retrouve dans les centrales à turbine à gaz ou dans les avions. Contrairement au cycle de Carnot , le cycle de Brayton n’exécute pas de processus isothermes , car ceux-ci doivent être effectués très lentement. Dans un cycle de Brayton idéal , le système exécutant le cycle subit une série de quatre processus: deux processus isentropiques (adiabatiques réversibles) alternés avec deux processus isobares.
Étant donné que le principe de Carnot stipule qu’aucun moteur ne peut être plus efficace qu’un moteur réversible ( un moteur thermique Carnot ) fonctionnant entre les mêmes réservoirs à haute et à basse température, une turbine à gaz basée sur le cycle de Brayton doit avoir un rendement inférieur à celui de Carnot.
Une grande turbine à gaz à cycle unique produit généralement par exemple 300 mégawatts d’énergie électrique et a une efficacité thermique de 35 à 40%. Les centrales modernes à turbine à gaz à cycle combiné (CCGT), dans lesquelles le cycle thermodynamique se compose de deux cycles de centrale électrique (par exemple le cycle de Brayton et le cycle de Rankine), peuvent atteindre une efficacité thermique d’environ 55%.
Types de cycle de Brayton
Types de cycle de Brayton
Cycle de Brayton ouvert (mots clés)
Comme la plupart des turbines à gaz sont basées sur le cycle de Brayton à combustion interne (par exemple les moteurs à réaction), elles sont basées sur le cycle de Brayton ouvert . Dans ce cycle, l’air de l’atmosphère ambiante est comprimé à une pression et une température plus élevées par le compresseur. Dans la chambre de combustion, l’air est davantage chauffé en brûlant le mélange carburant-air dans le flux d’air. Les produits de combustion et les gaz se dilatent dans la turbine soit à une pression proche de la pression atmosphérique (moteurs produisant de l’énergie mécanique ou électrique) soit à une pression requise par les turboréacteurs. Le cycle ouvert de Brayton signifie que les gaz sont rejetés directement dans l’atmosphère .
Cycle de Brayton fermé
Dans un cycle de Brayton fermé, un milieu de travail (par exemple de l’hélium) recircule dans la boucle et le gaz expulsé de la turbine est réintroduit dans le compresseur. Dans ces turbines, un échangeur de chaleur (combustion externe) est généralement utilisé et seul un fluide propre sans produits de combustion traverse la turbine de puissance. Le cycle fermé de Brayton est utilisé, par exemple, dans les turbines à gaz à cycle fermé et les réacteurs refroidis au gaz à haute température.
Cycle inversé de Brayton – Cycle de réfrigération de Brayton
Un cycle de Brayton entraîné en sens inverse est appelé cycle de Brayton inversé. Son but est de déplacer la chaleur d’un corps plus froid vers un corps plus chaud, plutôt que de produire du travail. Conformément à le deuxième principe de la thermodynamique, la chaleur ne peut pas circuler spontanément du système froid au système chaud sans qu’un travail externe soit effectué sur le système. La chaleur peut circuler d’un corps plus froid vers un corps plus chaud, mais uniquement lorsqu’elle est forcée par un travail extérieur. C’est exactement ce que les réfrigérateurs et les pompes à chaleur accomplissent. Ceux-ci sont entraînés par des moteurs électriques nécessitant un travail de leur environnement pour fonctionner. L’un des cycles possibles est un cycle de Brayton inversé, qui est similaire au cycle Brayton ordinaire mais il est entraîné en sens inverse, via une entrée de travail nette. Ce cycle est également connu sous le nom de cycle de réfrigération au gaz ou cycle de Bell Coleman. Ce type de cycle est largement utilisé dans les avions à réaction pour les systèmes de climatisation utilisant l’air des compresseurs du moteur. Il est également largement utilisé dans l’industrie du GNL où le plus grand cycle inversé de Brayton est pour le sous-refroidissement du GNL en utilisant 86 MW de puissance provenant d’un compresseur entraîné par turbine à gaz et d’un réfrigérant à l’azote.
Types de turbines à gaz
En général, les moteurs thermiques ainsi que les turbines à gaz sont classés selon un emplacement de combustion comme:
- Turbines à combustion interne . La plupart des turbines à gaz sont des moteurs à combustion interne. Dans ces turbines, la température élevée est atteinte en brûlant le mélange carburant-air dans la chambre de combustion.
- Turbines à combustion externe . Dans ces turbines, un échangeur de chaleur est généralement utilisé et seul un milieu propre sans produits de combustion traverse la turbine de puissance. Comme les aubes de turbine ne sont pas soumises à des produits de combustion, des carburants de bien moindre qualité (et donc moins chers) peuvent être utilisés. Ces turbines ont généralement un rendement thermique inférieur à celui des turbines à combustion interne.
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