Cycle de Rankine

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Exemple de cycles de Rankine pour l'eau dans un diagramme entropie-température. La courbe en cloche est dite courbe de saturation. À gauche de cette courbe (points 1 et 2), l'eau est liquide ; en-dessous elle est en mélange liquide-vapeur (le point 4 est à environ 75% vapeur et 25% liquide en masse) ; et à droite sous forme vapeur. Si le cycle est parcouru dans le sens des aiguilles d'une montre il est moteur et alors l'aire intérieure au cycle est proportionnelle à la quantité de travail produite. Le palier supérieure indique une vaporisation et l'inférieur une condensation à températures et pressions constantes. Dans le sens moteur, 1>2 : compression quasi-adiabatique du liquide ; 2>3 : réchauffement et vaporisation à pression constante ; 3>4 : Détente quasi-adiabatique ; 4>1 : condensation. Les courbes Phigh et Plow sont des isobares. Le but recherché en surchauffant la vapeur est de ne pas avoir de condensation au cours de la détente (3'>4' au lieu de 3>4). Si les cycles étaient réversibles, 1-2, 3-4 et 3'-4' seraient verticales.

Cycle de Rankine parcouru dans le sens pompe (réfrigération). Dans ce cas, l'aire intérieure au cycle est proportionnelle à la quantité de travail à fournir pour parcourir le cycle. Noter l'isentropie de la compression (1>2), et au contraire la très grande augmentation d'entropie pendant la détente du fluide (4>5).

Comme le cycle de Carnot, le cycle de Rankine idéal est un cycle thermodynamique parcouru par un fluide et constitué de quatre processus réversibles : compression adiabatique, détente isotherme à la source chaude, détente adiabatique, et compression isotherme à la source froide quand il est parcouru dans le sens moteur. Compression adiabatique, compression isotherme à la source chaude, détente adiabatique, et détente isotherme à la source froide quand il est parcouru dans l'ordre inverse, dans le sens pompe. La différence avec le cycle de Carnot, c'est que le fluide passe alternativement de la phase liquide à la phase vapeur : dans le sens moteur, vaporisation à la source chaude, condensation à la source froide. Il tient son nom de William John Macquorn Rankine.

Applications industrielles

Le cycle de Rankine réel est celui de la plupart des machines thermiques dites à combustion externe actuellement utilisées : machines à vapeur pour la propulsion de bateaux, de sous-marins, ou pour la production d'électricité dans le sens moteur , réfrigérateurs, climatiseurs et pompes à chaleur dans le sens inverse.

Variantes

Il existe également le cas spécifique de cycle de Rankine organique ou le fluide n'est plus de l'eau mais un fluide organique (butane, pentane). Ce cycle est plus approprié pour des sources de chaleur de températures plus modestes.

Un autre cycle apparenté à celui-ci est le Cycle de Kalina. Du nom de son inventeur, l'ingénieur russe Aleksander Kalina, il désigne une configuration similaire à celle d'un cycle de Rankine, mais avec comme fluide un mélange de 2 espèces chimiques ou plus, typiquement de l'eau et de l'ammoniac.

Voir aussi

• Turbine à vapeur
• Cycle de Brayton
• Cycle de Kalina