Qu’est-ce que l’efficacité thermique du cycle de Brayton – Définition

Efficacité thermique du cycle de Brayton

Supposons le cycle de Brayton idéal qui décrit le fonctionnement d’un moteur à chaleur à pression constante . Les moteurs à turbine à gaz et les turboréacteurs modernes suivent également le cycle de Brayton. Ce cycle comprend quatre processus thermodynamiques:

1. 

   Compression isentropique – L’air ambiant est aspiré dans le compresseur où il est mis sous pression (1 → 2). Le travail requis pour le compresseur est donné par W _C = H ₂ – H ₁ .

2. Addition de chaleur isobare – l’air comprimé passe ensuite dans une chambre de combustion, où le carburant est brûlé et où de l’air ou un autre moyen est chauffé (2 → 3). C’est un processus à pression constante, car la chambre est ouverte aux entrées et aux sorties. La chaleur nette ajoutée est donnée par Q _add = H ₃ – H ₂
3. expansion isentropique – l’air chauffé, sous pression, se dilate ensuite dans une turbine et cède de l’énergie. Le travail effectué par turbine est donné par W _T = H ₄ – H ₃
4. rejet de chaleur isobare – la chaleur résiduelle doit être rejetée pour fermer le cycle. La chaleur nette rejetée est donnée par Q _re = H ₄ – H ₁

Comme on peut le constater, nous pouvons décrire et calculer (par exemple, l’efficacité thermodynamique) de tels cycles (de la même manière pour le cycle de Rankine ) en utilisant des enthalpies .

Pour calculer l’ efficacité thermique du cycle de Brayton (compresseur simple et turbine unique), les ingénieurs utilisent la première loi de la thermodynamique en termes d’enthalpie plutôt qu’en termes d’énergie interne.

La première loi en matière d’enthalpie est:

dH = dQ + Vdp

Dans cette équation, le terme Vdp est un travail de processus de flux. Ce travail,   Vdp , est utilisé pour des systèmes à flux ouvert comme une turbine ou une pompe dans lesquels il existe un «dp» , c’est-à-dire un changement de pression. Il n’y a aucun changement dans le volume de contrôle . Comme on peut le constater, cette forme de loi simplifie la description du transfert d’énergie .

Il existe des expressions en termes de variables plus familières telles que la température et la pression :

dH = C _p dT + V (1-αT) dp

Où C _p est la capacité thermique à pression constante et α est le coefficient de dilatation thermique (cubique). Pour un gaz parfait αT = 1 et donc:

dH = C _p dT

À pression constante , le changement d’enthalpie est égal à l’ énergie transférée de l’environnement par le chauffage:

Processus isobare (Vdp = 0):

dH = dQ → Q = H ₂ – H ₁   → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

À entropie constante , c’est-à-dire dans un processus isentropique, le changement d’enthalpie est égal au travail de processus d’écoulement effectué sur ou par le système:

Processus isentropique (dQ = 0):

dH = Vdp → W = H ₂ – H ₁     → H ₂ – H ₁ = C _p (T ₂ – T ₁ )

L’ enthalpie peut être transformée en une variable intensive ou spécifique , en la divisant par la masse . Les ingénieurs utilisent l’ enthalpie spécifique dans l’analyse thermodynamique plus que l’enthalpie elle-même. L’efficacité thermique d’un cycle de Brayton aussi simple, pour le gaz parfait et en termes d’enthalpies spécifiques, peut maintenant être exprimée en termes de températures: