Double cycle : 11 facteurs importants qui y sont liés

Contenu : Double cycle

Qu'est-ce que le double cycle?

Double cycle de combustion | Cycle mixte | Cycle de Sabathe

Le double cycle porte le nom de l'ingénieur russo-allemand Gustav Trikler. Il est également connu sous le nom de cycle mixte, cycle Trinkler, cycle seiliger ou cycle sabathe.

Le double cycle est une combinaison d'un cycle Otto à volume constant et d'un cycle diesel à pression constante. L'ajout de chaleur a lieu en deux parties dans ce cycle. L'ajout de chaleur partielle a lieu à volume constant similaire au cycle Otto tandis que l'ajout de chaleur partiel restant a lieu à pression constante similaire au cycle diesel. L'importance d'une telle méthode d'addition de chaleur est qu'elle donne plus de temps au combustible pour une combustion complète.

Diagramme PV à double cycle | Diagramme TS à double cycle

Le double cycle comprend les opérations suivantes:

Le processus 1-2 suit le processus adiabatique réversible ou Isentropique compression
Dans le processus 2-3, une addition de chaleur partielle à volume constant a lieu
Dans le processus 3-4, la chaleur partielle à pression constante est ajoutée
Le processus 4-5 suit une expansion adiabatique ou isentropique réversible.
Dans le processus 5-1, un rejet de chaleur à volume constant a lieu

Diagramme TS à double cycle — Diagramme TS
Crédit d'image:Shoji Yamauchi, Tableau TS du cycle de Sabathe, CC BY-SA 4.0

Diagramme PV à double cycle — Diagramme PV
Crédit d'image: Shoji Yamauchi, Tableau PV du cycle de Sabathe, CC BY-SA 4.0

Efficacité à double cycle | Efficacité thermique à double cycle

L'efficacité du double cycle est donnée par

$\\eta_{dual}=1-\\frac{1}{r_k^{\\gamma -1}}[\\frac{r_pr_c^\\gamma -1}{(r_p-1)+r_p\\gamma (r_c-1)}]$

Où, r_p = Rapport de pression = P₃/P₂

r_k = taux de compression = V₁/V₂

r_c = rapport de coupure = V₄ /V₃

r_e = taux d'expansion = V₅/V₄

Lorsque rc = 1, le cycle devient Cycle d'Otto

rp = 1, le cycle devient cycle diesel.

Diagramme PV et TS à double cycle

Cycle de duel 1 — Diagramme PV
Crédit d'image: Shoji Yamauchi, Tableau PV du cycle de Sabathe, CC BY-SA 4.0

Cycle de duel 2 — Diagramme TS
Crédit d'image:Shoji Yamauchi, Tableau TS du cycle de Sabathe, CC BY-SA 4.0

Air standard double cycle | Dérivation de l'efficacité à double cycle

Le double cycle comprend les opérations suivantes:

Le processus 1-2 suit le processus adiabatique réversible ou Isentropique compression
Dans le processus 2-3, une addition de chaleur partielle à volume constant a lieu
Dans le processus 3-4, la chaleur partielle à pression constante est ajoutée
Le processus 4-5 suit une expansion adiabatique ou isentropique réversible.
Dans le processus 5-1, un rejet de chaleur à volume constant a lieu

La chaleur totale fournie est donnée par

$Q_s=mC_v [T_3-T_2 ]+mC_p [T_4-T_3]$

Où Chaleur fournie à volume constant

$Q_v= mC_v [T_3-T_2 ]$

Où Chaleur fournie à pression constante

$Q_p= mC_p [T_4-T_3]$

La chaleur rejetée à volume constant est donnée par

$Q_r= mC_v [T_5-T_1 ]$

L'efficacité du double cycle est donnée par

$\\eta=\\frac{(mC_v [T_3-T_2 ]+mC_p [T_4-T_3 ]-mC_v [T_5-T_1 ])}{(mC_v [T_3-T_2 ]+mC_p [T_4-T_3])}$

$\\\\\\eta=1-\\frac{(T_5-T_1)}{([T_3-T_2 ]+\\gamma[T_4-T_3])}\\\\\\\\ \\eta_{dual}=1-\\frac{1}{r_k^{\\gamma -1}}[\\frac{r_pr_c^\\gamma -1}{(r_p-1)+r_p\\gamma (r_c-1)}]$

Où, r_p = Rapport de pression = P₃/P₂

r_k = taux de compression = V₁/V₂

r_c = rapport de coupure = V₄ /V₃

r_e = taux d'expansion = V₅/V₄

Quand r_c = 1, le cycle devient cycle d'Otto

r_p= 1, le cycle devient cycle diesel.

Pression effective moyenne du double cycle

La pression effective moyenne du double cycle est donnée par

$M.E.P=\\frac{(P_1 [\\gamma r_p r_k^\\gamma (r_c-1)+r_k^\\gamma (r_p-1)-r_k (r_p r_c^\\gamma-1) ] )}{ (\\gamma-1)(r_k-1) }$

Où, r_p = Rapport de pression = P₃/P₂

r_k = taux de compression = V₁/V₂

r_c = rapport de coupure = V₄ /V₃

r_e = taux d'expansion = V₅/V₄

Otto Diesel à double cycle Diagramme

Cycle Otto Diesel Duel — Crédit image: Wikipedia Commons

Comparaison entre Otto, diesel et double cycle

Cas 1: Pour un taux de compression similaire et une chaleur similaire i / p, cette relation sera

[Q_in]_huit = [Q_in]_Diesel.

[Q_R]_huit<[Q_R]_Diesel.

$\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O$

Dans ce cas de même taux de compression et de même apport de chaleur, il sera

$\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O$

Cas 2: Dans ce cas, même taux de compression et même rejet de chaleur, cette relation sera

[Q_in]_huit> [Q_in]_Diesel.

[Q_R]_huit= [Q_R]_Diesel.

$\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D<\\eta_O$

Dans ce cas, même taux de compression et même rejet de chaleur.

Voir aussi Température d'aspiration saturée : besoin de connaître les faits essentiels

$\\eta_D<\\eta_{dual}<\\eta_O$

Cas 3: Dans ce cas, même température maximale et même rejet de chaleur.

[Q_R]_huit= [Q_R]_Diesel

[Q_in]_Diesel> [Q_in]_huit

$\\\\\\eta=1-\\frac{Q_R}{Q_{in}}\\\\\\\\ \\eta_D>\\eta_O$

Pour la même température maximale et le même rejet de chaleur

$\\eta_D>\\eta_{dual}>\\eta_O$

Cycle de moteur bicarburant | Double cycle mixte

Moteur à double cycle

Le moteur bicarburant fonctionne principalement sur le cycle diesel. Le carburant gazeux [gaz naturel] est introduit dans le système d'admission du moteur via un compresseur à une pression atmosphérique plus élevée.

Pendant la course d'aspiration, le rapport air / carburant le plus pauvre [mélange air-gaz naturel] est aspiré dans le cylindre, suivant le cycle Otto comme celui utilisé dans un moteur à allumage par étincelle. Une petite charge de carburant pilote est injectée près du point mort haut et semblable au moteur CI, elle s'enflamme vers la fin de la course de compression, provoquant la combustion du gaz secondaire. La combustion se déroule en douceur et rapidement.

Dans un moteur bicarburant, le carburant pilote et le carburant secondaire brûlent tous deux simultanément dans un moteur à allumage par compression. Après la compression du carburant secondaire au niveau de la course d'aspiration, du carburant pilote est utilisé comme source d'allumage.

Le coût de fonctionnement de ce moteur est inférieur à celui d'un moteur diesel conventionnel sans compromettre la puissance de livraison, le couple élevé et la réponse transitoire.

Application à double cycle

Le double cycle est largement utilisé pour les petits moteurs de propulsion et les machines portables lourdes comme les machines de forage par des sociétés comme Cummins, etc.
Ils ont une large gamme d'applications dans les avions et les navires. Les moteurs à double cycle sont également appelés moteurs marins.

Avantage du double cycle

Rendement thermique plus élevé - le méthane a le rendement thermique le plus élevé par unité de masse de carburant, à 50,500 44,390 kJ / kg de méthane brûlé par rapport à 43,896 XNUMX kJ de chaleur / kg d'essence brûlé ou XNUMX XNUMX kJ de chaleur / kg de diesel brûlé. De nombreux moteurs à double combustion utilisent du gaz naturel dont la teneur principale est le méthane comme carburant de démarrage en raison de sa production de chaleur plus élevée.
Avec un moteur à combustion bicarburant, deux carburants doivent être achetés au lieu d'un. Cela peut aider lorsque le navire est faible sur les deux carburants et que l'emplacement de ravitaillement ne dispose pas de l'un des deux carburants que le moteur prend.
Un équilibre potentiel entre un carburant propre et un stockage économique - le gaz naturel nécessite une pression et un volume de stockage plus élevés, mais offre une meilleure efficacité de combustion. Le diesel est plus facile à stocker (c'est une huile liquide) mais ne brûle pas aussi rapidement à la même température et à la même pression que les autres carburants. Avec un moteur à double combustion, on peut démarrer le moteur diesel puis passer au gaz naturel lorsque l'espace de combustion est suffisamment chaud.

Problèmes et solutions à double cycle

Un moteur CI a un taux de compression de 10. La chaleur libérée à volume constant est 2/3 de la chaleur totale tandis que le reste est libéré à pression constante. La pression et la température initiales sont de 1 bar et 27^oC. La pression maximale du cycle est de 40 bars. Trouvez la température à la fin de la compression et de l'expansion. [PV^1.35 = C, ϒ = 1.4]

Solution : r_k = 10,P₁ = 1 bar = 100 kPa, T₁= 27 C = 300 K, P₃ = P₄ = 40 bars, PV^1.35 = C, ϒ = 1.4

Voir aussi Comment trouver la tension au couple

$\\\\T_2=T_1 r_k^{n-1}=300*10^{0.35}=671 K\\\\\\\\ P_2=P_1 r_k^n=100*10^{1.35}=2238.7 kPa\\\\\\\\ \\frac{P_2}{P_3}=\\frac{T_2}{T_3}\\\\\\\\ \\frac{2238.7}{671}=\\frac{400}{T_3}\\\\\\\\ T_3=1199\\;K$

Apport de chaleur à volume constant

$\\\\Q_v=C_v [T_3-T_2 ]=0.718*[1199-671]=379kJ/kg\\\\\\\\ (2/3)*Q=Q_v\\\\\\\\ Q =(3/2)*379=568.5 kJ/kg\\\\\\\\ C_p [T_4-T_3 ]=Q/3\\\\\\\\ 1.005*[T_4-1199]=568.5/3 \\\\\\\\ T_4=1387.55 Ko$

$\\\\r_c=(V_4/V_3) =(T_4/T_3) =(1387.55/1199)=1.157\\\\\\\\ r_e=\\frac{r_k}{r_c} =\\frac{10}{1.157}=8.64\\\\\\\\ T_5=\\frac{T_4}{r_e^{n-1}} =\\frac{1387.55}{8.64^{0.35}} =652.33 K$

Un double cycle d'air standard avant l'air de compression est à 100 kPa et 300K. Pendant la compression, le volume passe de 0.07 m³ à 0.004m³. Pour l'ajout de chaleur à pression constante, la température varie de 1160 C à 1600C. Trouvez le taux de compression; pression effective moyenne et rapport de coupure pour le cycle.

P₁ = 100 kPa, T₁= 27 C = 300 K

Ratio de compression

$r_k=[V_1/V_2] =[0.07/0.004]=17.5$

T₃ = 1160C = 1433K, T₄ = 1600C = 1873K

Pour le processus de compression isentropique

$\\\\P_1 V_1^\\gamma=P_2 V_2^\\gamma\\\\\\\\ P_2=P_1 r_k^{\\gamma}=100*17.5^{1.4}=5498.6 kPa\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=r_k^{\\gamma -1}\\\\\\\\ T_2=300*17.5^{1.4-1}=942.6 K$

Ratio de coupure

$\\\\r_c=[T_4/T_3 ]=[1873/1433]=1.307\\\\\\\\ Also \\;\\\\\\\\ r_c=[V_4/V_3] =1.307\\\\\\\\ V_4=1.307*0.004=5.228*10^{-3} m^3$

Pour processus d'expansion isentropique

$\\\\T_5/T_4 =[V_4/V_5] ^{\\gamma-1}\\\\\\\\ (T_5/1873)=[\\frac{(5.228*10^{-3})}{0.07}]^{1.4-1}\\\\\\\\ T_5=663.48 K$

Chaleur totale fournie

$\\\\Q_s=C_v [T_3-T_2 ]+C_p [T_4-T_3 ]\\\\\\\\ Q_s=0.717*(1433-942.6)+1.005*(1873-1433)\\\\\\ \\ Q_s=793.81 kJ$

Chaleur rejetée

$\\\\Q_r=C_v (T_5-T_1)\\\\\\\\ Q_r=0.717*(663.45-300)=260.6 kJ$

Le travail effectué est donné par

$W = Q_s-Q_r = 793.81-260.6 = 533.21 kJ$

Pression effective moyenne pour double cycle

$\\\\MEP=\\frac{W}{(V_1-V_2 )}\\\\\\\\ MEP=\\frac{W}{V_1-\\frac{V_1}{17.5}}=\\frac{533.21}{0.07-\\frac{0.07}{17.5}}\\\\\\\\ MEP=8078.94 kPa=8.0789 MPa$

QFP

Q.1) Où le double cycle est-il utilisé?

Ans: - Le double cycle est largement utilisé pour les petits moteurs de propulsion et les machines portables lourdes comme les perceuses par des entreprises comme Cummins, etc. La principale raison de l'utilisation du double cycle dans les équipements mobiles est qu'il fournit un rapport puissance / masse élevé par rapport à Otto et cycle diesel.

Ils ont une large gamme d'applications dans les avions et les navires. Les moteurs à double cycle sont également appelés moteurs marins.

Q.2) Quelle est l'efficacité du double cycle?

L'efficacité du double cycle est donnée par

$\\eta_{dual}=1-\\frac{1}{r_k^{\\gamma -1}}[\\frac{r_pr_c^\\gamma -1}{(r_p-1)+r_p\\gamma (r_c-1)}]$

Où, r_p = Rapport de pression = P₃/P₂

r_k = taux de compression = V₁/V₂

r_c = rapport de coupure = V₄ /V₃

r_e = taux d'expansion = V₅/V₄

Quand r_c = 1, le cycle devient cycle d'Otto

r_p= 1, le cycle devient cycle diesel.

Q.3) Quelle est l'importance du double cycle dans le fonctionnement du moteur diesel?

Le coût de fonctionnement de ce moteur est inférieur à celui d'un moteur diesel conventionnel sans compromettre la puissance de livraison, le couple élevé et la réponse transitoire.

Q.4) Pourquoi le cycle double est-il appelé cycle mixte?

Voir aussi La tension est-elle la même en parallèle : 3 explications importantes

Le coût de fonctionnement de ce moteur est inférieur à celui d'un moteur diesel conventionnel sans compromettre la puissance de livraison, le couple élevé et la réponse transitoire.

Q.5) Qu'est-ce que le rapport de coupure en double cycle?

Le rapport de coupure pour le cycle double est donné par

r_c = rapport de coupure = V₄ /V₃

Où, V₄ = volume après apport partiel de chaleur à pression constante

V₃ = volume après ajout de chaleur partielle à volume constant

Q.6) Qu'est-ce que le diagramme PV et TS à double cycle ?

Pour voir la réponse Cliquez ici

Q.7) Exemple résolu à double cycle.

Un moteur CI a un taux de compression de 10. La chaleur libérée à volume constant est 2/3 de la chaleur totale tandis que le reste est libéré à pression constante. La pression et la température initiales sont de 1 bar et 27^oC. La pression maximale du cycle est de 40 bars. Trouvez la température à la fin de la compression et de l'expansion. [PV^1.35 = C, ϒ = 1.4]

Solution : r_k = 10,P₁ = 1 bar = 100 kPa, T₁= 27 C = 300 K, P₃ = P₄ = 40 bars, PV^1.35 = C, ϒ = 1.4

$\\\\T_2=T_1 r_k^{n-1}=300*10^{0.35}=671 K\\\\\\\\ P_2=P_1 r_k^n=100*10^{1.35}=2238.7 kPa\\\\\\\\ \\frac{P_2}{P_3}=\\frac{T_2}{T_3}\\\\\\\\ \\frac{2238.7}{671}=\\frac{400}{T_3}\\\\\\\\ T_3=1199\\;K$

Apport de chaleur à volume constant

$\\\\Q_v=C_v [T_3-T_2 ]=0.718*[1199-671]=379kJ/kg\\\\\\\\ (2/3)*Q=Q_v\\\\\\\\ Q =(3/2)*379=568.5 kJ/kg\\\\\\\\ C_p [T_4-T_3 ]=Q/3\\\\\\\\ 1.005*[T_4-1199]=568.5/3 \\\\\\\\ T_4=1387.55 Ko$

$\\\\r_c=(V_4/V_3) =(T_4/T_3) =(1387.55/1199)=1.157\\\\\\\\ r_e=\\frac{r_k}{r_c} =\\frac{10}{1.157}=8.64\\\\\\\\ T_5=\\frac{T_4}{r_e^{n-1}} =\\frac{1387.55}{8.64^{0.35}} =652.33 K$

Un double cycle d'air standard avant l'air de compression est à 100 kPa et 300K. Pendant la compression, le volume passe de 0.07 m³ à 0.004m³. Pour l'ajout de chaleur à pression constante, la température varie de 1160 C à 1600C. Trouvez le taux de compression; pression effective moyenne et rapport de coupure pour le cycle.

P₁ = 100 kPa, T₁= 27 C = 300 K

Ratio de compression

$r_k=[V_1/V_2] =[0.07/0.004]=17.5$

T₃ = 1160C = 1433K, T₄ = 1600C = 1873K

Pour le processus de compression isentropique

$\\\\P_1 V_1^\\gamma=P_2 V_2^\\gamma\\\\\\\\ P_2=P_1 r_k^{\\gamma}=100*17.5^{1.4}=5498.6 kPa\\\\\\\\ \\frac{T_2}{T_1}=r_k^{\\gamma -1}\\\\\\\\ T_2=300*17.5^{1.4-1}=942.6 K$

Ratio de coupure

$\\\\r_c=[T_4/T_3 ]=[1873/1433]=1.307\\\\\\\\ Also \\;\\\\\\\\ r_c=[V_4/V_3] =1.307\\\\\\\\ V_4=1.307*0.004=5.228*10^{-3} m^3$

Pour processus d'expansion isentropique

$\\\\T_5/T_4 =[V_4/V_5] ^{\\gamma-1}\\\\\\\\ (T_5/1873)=[\\frac{(5.228*10^{-3})}{0.07}]^{1.4-1}\\\\\\\\ T_5=663.48 K$

Chaleur totale fournie

$\\\\Q_s=C_v [T_3-T_2 ]+C_p [T_4-T_3 ]\\\\\\\\ Q_s=0.717*(1433-942.6)+1.005*(1873-1433)\\\\\\ \\ Q_s=793.81 kJ$

Chaleur rejetée

$\\\\Q_r=C_v (T_5-T_1)\\\\\\\\ Q_r=0.717*(663.45-300)=260.6 kJ$

Le travail effectué est donné par

$W = Q_s-Q_r = 793.81-260.6 = 533.21 kJ$

Pression effective moyenne pour double cycle

$\\\\MEP=\\frac{W}{(V_1-V_2 )}\\\\\\\\ MEP=\\frac{W}{V_1-\\frac{V_1}{17.5}}=\\frac{533.21}{0.07-\\frac{0.07}{17.5}}\\\\\\\\ MEP=8078.94 kPa=8.0789 MPa$

Pour connaître le procédé polytropique (cliquez ici )et numéro Prandtl (Cliquez ici)

Hakimuddin Bawangaonwala

Je m'appelle Hakimuddin Bawangaonwala, ingénieur en conception mécanique avec une expertise en conception et développement mécaniques. J'ai terminé un M. Tech en ingénierie de conception et j'ai 2.5 ans d'expérience en recherche. Jusqu'à présent publiés, deux articles de recherche sur le tournage dur et l'analyse par éléments finis des appareils de traitement thermique. Mon domaine d'intérêt est la conception de machines, la résistance des matériaux, le transfert de chaleur, l'ingénierie thermique, etc. Maîtrise des logiciels CATIA et ANSYS pour la CAO et l'IAO. En dehors de la recherche.

Contenu : Double cycle

Qu'est-ce que le double cycle?

Double cycle de combustion | Cycle mixte | Cycle de Sabathe

Diagramme PV à double cycle | Diagramme TS à double cycle

Efficacité à double cycle | Efficacité thermique à double cycle

Diagramme PV et TS à double cycle

Air standard double cycle | Dérivation de l'efficacité à double cycle

Le double cycle comprend les opérations suivantes:

Pression effective moyenne du double cycle

Otto Diesel à double cycle Diagramme

Comparaison entre Otto, diesel et double cycle

Cycle de moteur bicarburant | Double cycle mixte

Moteur à double cycle

Application à double cycle

Avantage du double cycle

Problèmes et solutions à double cycle

Ratio de compression

Pour le processus de compression isentropique

Ratio de coupure

Pour processus d'expansion isentropique

Chaleur totale fournie

Chaleur rejetée

Le travail effectué est donné par

Pression effective moyenne pour double cycle

QFP

Q.1) Où le double cycle est-il utilisé?

Q.2) Quelle est l'efficacité du double cycle?

Q.3) Quelle est l'importance du double cycle dans le fonctionnement du moteur diesel?

Q.4) Pourquoi le cycle double est-il appelé cycle mixte?

Q.5) Qu'est-ce que le rapport de coupure en double cycle?

Q.6) Qu'est-ce que le diagramme PV et TS à double cycle ?

Q.7) Exemple résolu à double cycle.

Apport de chaleur à volume constant

Ratio de compression

Pour le processus de compression isentropique

Ratio de coupure

Pour processus d'expansion isentropique

Chaleur totale fournie

Chaleur rejetée

Le travail effectué est donné par

Pression effective moyenne pour double cycle

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Bonjour cher lecteur,