Cycle de Brayton

Diagramme Température-Entropie du cycle théorique et réel de Brayton.

Le cycle de Brayton est un cycle thermodynamique à caloporteur gaz. Il tient son nom de l'ingénieur George Brayton (1830–1892) qui l'a développé, bien que son invention soit attribuée à Barber en 1791. Il est aussi connu sous le nom du cycle de Joule. Le cycle d'Ericsson lui est similaire, bien qu'il utilise une source de chaleur externe et qu'il incorpore un régénérateur.

Le cycle idéal

Le cycle de Brayton théorique est le cycle idéal correspondant à la turbine à gaz élémentaire. Il est principalement utilisé pour la production d’électricité. Il existe deux types de cycles de Brayton selon qu’il soit 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 Vapeurs. 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 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.

Le cycle réel

Le cycle réel se différencie du cycle idéal de la manière suivante :

Irréversibilité dans le compresseur et la turbine

Ces machines sont le siège de pertes par frottements. Il s’en suit que les températures réelles de sortie du compresseur et de la turbine seront plus élevées que prévu. L’écart par rapport au cycle idéal est quantifié par le rendement isentropique. Chutes de pression : nous avons supposé la combustion isobare. Or, la chambre de combustion induit des pertes de charges et donc la pression d’entrée de la turbine sera 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

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

Nous avons considéré cp et cv constants alors qu’en réalité ces valeurs dépendent de la composition chimique de l’air. Pertes mécaniques : aucun accouplement mécanique n’est parfait et par conséquent l’arbre de la machine est sujet à des pertes mécaniques.

Cycles avec
combustion interne

Cycle d'Atkinson • Cycle de Brayton • Cycle de Diesel • HCCI • Cycle de Lenoir • Cycle de Miller • Cycle à deux temps • Cycle de Beau de Rochas

Cycles mixtes

Cycle combiné • Cycle hybride à haut rendement • Cycle dual

Autres

Cycle de Claude • Cycle de Claude à double pression • Cycle de Fickett-Jacobs • Cycle de Gifford-McMahon • Cycle de Hirn • Cycle de Humphrey • Cycle de Siemens • Cycle de Hampson–Linde • Cycle de Linde à double pression • Cycle de Heylandt • Cycle de Kleemenko