Le cycle de Brayton, également connu sous le nom de cycle des turbines à gaz, est un cycle thermodynamique qui décrit le fonctionnement des turbines à gaz, un type de moteur largement utilisé dans les applications industrielles, aéronautiques et de production d'électricité.
Ce cycle fournit une description détaillée de la manière dont l'énergie thermique est convertie en énergie mécanique à l'aide d'un flux de travail gazeux.
Processus cycliques
Le cycle de Brayton se compose de quatre processus thermodynamiques principaux :
- Compression isotherme.
- Chauffage à pression constante.
- Expansion isotherme.
- Refroidissement à pression constante.
Ces processus sont représentés dans un diagramme TS (température-entropie) et PV (pression-volume), qui permet d'analyser les performances et les caractéristiques du cycle.
Compression isotherme
Le cycle commence par une compression isotherme, où l'air ambiant est comprimé de manière adiabatique dans un compresseur, augmentant ainsi sa pression et sa température.
Ce processus est réalisé de manière à ce que la température du gaz reste constante, ce qui nécessite l'évacuation de la chaleur générée lors de la compression.
Chauffage à pression constante
L'air comprimé est ensuite dirigé vers la chambre de combustion, où le carburant est injecté et brûlé, générant une augmentation significative de la température et de la pression du gaz à pression constante.
Expansion isotherme
Le processus suivant est la dilatation isotherme, où les gaz chauds se dilatent à travers une turbine, convertissant une partie de l'énergie thermique en énergie mécanique, qui est utilisée pour entraîner le compresseur et toute charge connectée à l'arbre de la turbine.
Durant cette détente, la température du gaz reste constante, et le travail effectué par la turbine est calculé par l'intégrale pression-volume sur le diagramme Pv.
Refroidissement à pression constante
Enfin, le gaz refroidi est acheminé vers un échangeur de chaleur ou un refroidisseur à pression constante, où l'excès de chaleur est éliminé avant que le cycle ne recommence. Ce procédé maintient l'efficacité thermique du cycle en évitant que les gaz d'échappement aient une température trop élevée.
Caractéristiques du cycle de Brayton
Une caractéristique importante du cycle de Brayton est sa capacité à fonctionner dans un système ouvert ou fermé.
Dans un système ouvert, l'air aspiré est prélevé de l'environnement et évacué après avoir traversé la turbine, tandis que dans un système fermé, l'air est recirculé en permanence. Cette flexibilité permet d'adapter le cycle à différentes applications et conditions de fonctionnement.
Un autre paramètre important est le rapport pression maximale/minimale, qui décrit la différence de pression entre l'entrée et la sortie de la turbine. Un rapport de pression plus élevé peut augmenter la puissance de sortie de la turbine, mais peut également augmenter les charges thermiques et mécaniques sur les composants du système.
Performance
Les performances du cycle Brayton peuvent être évaluées par divers paramètres tels que l'efficacité thermique, le taux de compression et le rapport de pression maximum/minimum.
L'efficacité thermique du cycle est définie comme le rapport entre le travail net effectué par la turbine et la chaleur fournie dans la chambre de combustion. Une efficacité thermique plus élevée indique une conversion plus efficace de l'énergie thermique en travail mécanique.
Le taux de compression, quant à lui, est le rapport entre la pression maximale et la pression minimale dans le cycle. Un taux de compression plus élevé conduit généralement à une efficacité thermique plus élevée car il augmente la différence de température entre l'entrée et la sortie de la turbine. Cependant, une augmentation excessive du taux de compression peut augmenter les pertes de compression et réduire l’efficacité du cycle.
Exemples d'application
Le cycle Brayton est utilisé dans diverses applications industrielles et commerciales en raison de son efficacité et de sa polyvalence.
Voici quelques exemples de ces applications :
- Turbines à gaz pour la production d'électricité : Les turbines à gaz fonctionnant sur le cycle de Brayton sont largement utilisées dans les centrales électriques pour produire de l'électricité. Ces turbines peuvent fonctionner avec une large gamme de combustibles, notamment le gaz naturel, le pétrole et le biogaz. Ils sont particulièrement utiles dans les applications à cycle combiné, où la chaleur perdue de la turbine est utilisée pour générer de la vapeur et alimenter une turbine à vapeur supplémentaire, augmentant ainsi l'efficacité globale de l'usine.
- Propulsion aéronautique : Ces moteurs, également appelés moteurs à réaction ou turboréacteurs, compriment l'air entrant, le chauffent en brûlant du carburant, puis le dilatent à travers une série de turbines pour générer de la poussée. Ils sont très efficaces en termes de poussée par unité de consommation de carburant et sont essentiels à l’aviation moderne.
- Turbines à gaz pour applications industrielles : Les turbines à gaz basées sur le cycle de Brayton sont utilisées dans diverses applications industrielles, telles que la compression de gaz, l'entraînement de pompes et la production d'électricité dans des installations distantes ou sur des plates-formes offshore. Ces turbines peuvent fonctionner avec une variété de carburants et peuvent être adaptées pour répondre à un large éventail d’exigences de puissance et de charge.
- Propulsion navale : Les navires de guerre et les navires marchands utilisent pour leur propulsion des turbines à gaz basées sur ce cycle thermodynamique. Ces moteurs offrent une puissance élevée par rapport à leur poids et à leur taille, ce qui les rend idéaux pour les applications marines où l'espace et le poids sont limités. De plus, leur capacité à fonctionner avec une variété de carburants les rend adaptés aux opérations offshore.
- Propulsion spatiale : Le cycle de Brayton est également utilisé dans les systèmes de propulsion des engins spatiaux. Les moteurs de fusée à cycle fermé, qui utilisent un fluide de travail comme propulseur et fonctionnent selon les principes du cycle de Brayton, sont utilisés pour les manœuvres de contrôle d'attitude et les changements d'orbite des satellites et des engins spatiaux.
