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Chapitre III : Moteurs thermiques
Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z) Page 54
Chapitre III : Moteurs thermiques.
III.1 : Introduction.
Un moteur thermique à combustion interne est un organe transformateur
d’énergie. Il transforme l’énergie thermique produite par la combustion
(carburant + comburant) en énergie motrice mécanique.
Un moteur est dit à combustion interne si la combustion se fait à l’intérieur
du moteur. On parle de moteur à combustion externe si l'énergie est transportée
par un fluide caloporteur à l'extérieur de celle-ci. Cas d’une turbine à vapeur par
exemple.
III.2 : Différents types de moteurs thermiques à combustion interne.
Il existe deux grands types de moteurs à combustion interne :
Les moteurs fournissant un couple sur un arbre.
- Moteurs thermiques à combustion interne à pistons alternatifs
* Moteurs à allumage commandé ( moteurs à essence)
* Moteurs Diesel
- Moteurs thermiques à combustion interne à Pistons Rotatifs
- Turbines à gaz.
Les moteurs à réaction.
- Turboréacteurs
- Statoréacteurs
- Pulsoréacteurs
- Moteur-fusée
III.2.1 : Moteurs thermiques à pistons alternatifs.
Moteurs thermiques utilisant l’énergie thermique produite par une combustion
d’un gaz carburé (carburant – comburant) pour obtenir de l’énergie mécanique
par transformation du mouvement de translation du piston en mouvement de
rotation d’arbre (vilebrequin).
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Définition du cycle à 4 temps
On appelle cycle l’ensemble des phases qui se succèdent dans le moteur. Dans
notre cas, le cycle comprend quatre phases ou temps :
Temps admission : aspiration d’air ou de mélange air-essence.
Temps compression : de l’air ou du mélange.
Temps combustion-détente : inflammation rapide du mélange provoquant
une brusque montée en pression des gaz puis leur détente.
Temps échappement : évacuation des gaz brûlés.
On constate que seul le troisième temps fournit de l’énergie, c’est le temps
moteur, les trois autres temps sont résistants.
Principaux cycles du moteur à combustion interne
Les trois (03) principaux cycles du moteur à combustion interne peuvent être
résumés de la manière suivante :
Cycle de BEAU DE ROCHAS (cycle à apport de chaleur à volume constant)
utilisé dans les moteurs à allumage commandés (Fig-A).
Cycle diesel pur (cycle à apport de chaleur à pression constante) concerne
les moteurs à allumage par compression (Fig-B).
Cycle de SABATHE ou cycle mixte appelé aussi cycle de SEILIGER. C’est
une combinaison des cycles de BEAU DE ROCHAS et DIESEL pur (Fig-C).
L’étude de ces cycles peut être effectuée à l’aide du diagramme (P,V) et c’est
ce type de diagramme que nous utiliserons.
v0 = v : Volume mort ou volume des gaz emprisonnés dans la chambre de
combustion.
P P P Q’1>0
3 3 3’
2
Q1>0 Q1>0
4 Q1>0 2 4
2 Q2<0 Q’2<0
Q2<0
Q2<0
0 1 0 1 0 Admission Admission Admission
V V V
a) Cycle de BEAU DE ROCHAS b) Cycle Diesel pur c) Cycle de SABATHE ou SEILIGER
Ech
appem
ent
Compression adiabatique
Détente Adiabatique
Compression adiabatique
Combustion Isobare Détente
Adiabatique E
chap
peem
ent
C
om
b i
soch
ore
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V1 = V0 + v (V0 : cylindrée unitaire = 𝜋.𝐷2
4. 𝑐 ).
Avec : (c) est la course du piston.
III.2.1.1 - Moteurs thermiques à explosion ou à allumage commandé
(Moteurs à essence ).
Le moteur à explosion est un moteur à combustion interne, principalement
utilisé pour la propulsion des véhicules de transport (avion à hélice, automobile,
moto, camion, bateau), pour une multitude d'outils mobiles (tronçonneuse,
tondeuse à gazon) ainsi que pour des installations fixes (groupe électrogène,
pompe).
Il s'agit de tous les moteurs utilisant comme carburant de l'essence, de l'alcool,
voire un gaz (GPL) ou autre, et dont la combustion doit être déclenchée par une
source d'énergie externe (bougie).
Ces moteurs transforment l'énergie potentielle chimique stockée dans un
carburant en travail (énergie mécanique) grâce à des combustions très rapides,
d'où le terme « d’explosion ». Ils sont constitués d'un ou plusieurs cylindres
confinant les combustions. Dans chaque cylindre, un piston coulisse en un
mouvement rectiligne alternatif. Ce mouvement est transformé en rotation par
l'intermédiaire d'une bielle reliant le piston au vilebrequin, un assemblage de
manivelles sur un axe.
Le cycle de fonctionnement se décompose analytiquement en quatre temps ou
phases.
A B : Admission des gaz carburés (air + carburant) (ma + mc).
B C : Compression adiabatique du mélange. Fermeture de la soupape
d' admission, puis remontée du piston qui comprime le mélange jusqu'à
30 bars et 400 à 500 °C dans la chambre de combustion ;
v
vV
V
V
P
PVPVPCteVP
2
1
1
22211.
On pose v
vV : rapport volumétrique de compression
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1
1
2
1
1
21
22
1
11
1
V
V
T
TVTVTCteTV
1
1
2
1
2
T
T
P
P
Soit
C D : Combustion à volume constant (explosion).
Apport de chaleur par combustion de mC en présence de l’oxygène de ma.
Q1 = (ma + mc).Cv (T3 – T2) = mc.Pci
Avec : ma : Masse d’air.
mc : Masse du carburant.
Pci : Pouvoir calorifique du carburant.
D E : Détente adiabatique des gaz. (temps moteur)
Les gaz chauds à une pression de 40 à 60 bars repoussent le piston, vers
le point mort bas (PMB) initiant le mouvement :
1
4
3
1
21
1
2
1
1
3
4
4
3
T
T
T
T
V
V
V
V
T
T
E B : Echappement des gaz brûlés,
Remontée du piston vers le point mort haut (PMH) en chassant les gaz brûlés
détendus dans le collecteur d'échappement avec dégageant de chaleur Q2,
Avec : Q2 = (ma + mc) Cv (T1– T4).
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Fig : 2 Fonctionnement d’un moteur 4 temps
Fig :1 Description du moteur à 4 temps
Admission Compression Détente Echappement
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Rendement théorique du cycle de Beau de Rochas.
2
1
232
231
232
2131
23
1
2
31
2
314
4
3
1
2
23
14
23
41
1
2
1
21
11
11..
1
.
1
.1
11
T
T
TTT
TTT
TTT
TTTT
TT
TT
TT
T
TTT
T
T
T
TOr
TT
TT
TTCvmcma
TTCvmcma
Q
Q
Q
Q
W
Q
We
th
th
th
12
1 111
T
Tth
Q1
Q2
Fig n° 3
Cycle de BEAU DE ROCHAS.
Course C
Volume mort
Q1 =(ma + mc).Cv (TD – TC)
= mc.Pci
Q2 = (ma + mc) Cv (TB– TE).
1
111
C
Bth
T
T
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III.2.1.2 - Moteurs thermiques DIESEL ou à combustion par compression.
Dans les moteurs à allumage par compression, le carburant est du gazole.
On l’injecte sous pression dans la chambre de combustion contenant de l’air,
préalablement comprimé et chaud, au contact duquel il s’enflamme spontanément.
Ces moteurs sont a appelés moteur Diesel
a_ Cycle diesel pur (combustion à pression constante)
0 1 : Admission de l’air.
1 2 : Compression adiabatique de l’air
1
1
2
1
1
2
2
1
1
2
V
V
T
T
V
V
P
P
2 3 : Combustion isobare, apport de chaleur
Q1 = (ma + mc) Cp (T3-T2) = mc. Pci
3 4 Détente adiabatique des gaz.
1
1
3
4
4
3
3
4
4
3
V
V
T
T
V
V
P
P
4 1 : Echappement des gaz brûlés. La chaleur dégagée est :
Q2 = (ma + mc) Cv (T1-T4)
P
2 3
Q1>0
4
Q2<0
0 1
V
V0 (PMH) V1 (PMB)
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Rendement théorique du cycle diesel :
23
41
1
2
1
21 11TTCpmcma
TTCvmcma
Q
Q
Q
QQth
L’équation d’état des gaz parfait P.V = m.r.T mr
VPT
. d’où :
1
2
1
3
2
1
2
4
23
14
2
1
4132
2233
1144
11
11
,.1
1
V
V
V
V
P
P
P
P
VV
PP
P
V
IsochoreVVisobarePPavecVPVP
VPVP
th
th
Or, on sait que :
11
1
1
11
1
1
11
11
11
11
1
1
1
1
1
2
4
3
1
3
2
1
3
4
2
4
th
V
V
V
V
V
V
P
P
P
P
P
P
1
11
1
th
2
3
1
3
2
1
1
3
4
2
1
.
3
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
V
Finalement on obtient : 1
1.
1.
11
1
th
Le rendement de ce moteur dépend du rapport volumétrique de compression
et du rapport qui caractérise la durée de l’injection ou de la combustion.
23
1411
TT
TTth
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b : Cycle de Sabathé ou mixte.
11
2121
QQQQth
; Q2, Q’2 <0
11
1
21
1
21 11
Q
Q
th
Rendement du cycle de Sabathé.
ηth1 : rendement théorique du cycle de Beau de Rochas
ηth2 : rendement théorique du cycle diesel pur.
III.2.1.4 : Définitions de quelques caractéristiques thermodynamiques.
a) Pression moyenne indiquée et pression moyenne effective.
i. Pression moyenne indiquée :
La pression moyenne indiquée Pmi d’un cycle est une pression supposée
constante pendant la course de détente qui donnerait la même aire, donc le même
travail que le cycle envisagé.
Pour un moteur de cylindré unitaire V0, le travail indiqué Wi correspond à
l’aire du cycle réel est donnée par la relation : Wi = Pmi.V0
Pour 4 cylindres et n cycles par seconde, on peut déterminer la puissance
indiquée comme suit :
1 cycle → 2tours
n cycles → N tr/mn
⟹ n = 𝑁
2 cycles par minute =
𝑁
2 ×60=
𝑁
120 cycles par seconde
P
3 3’
Q’1
Q1
2 ηth2
4
ηth1 Q’2
Q2 4’
0 1
V0 V1 V
11
2111
QQ ththth
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D’où, la puissance indiquée pour un moteur à 4 temps est obtenue en
multipliant le travail indiqué Wi par le nombre de cylindres et le nombre de cycles
par seconde.
Pi = 4 Wi 𝑁
120 = 4.Pmi. V0
𝑁
120 = Pmi . V
𝑁
120
Pi en Watts avec : V en m3 et Pmi en N/m2 et N en tr/mn
ii. Pression moyenne effective :
Même définition que pour la pression moyenne indiquée sauf que le travail
indiqué est remplacé par le travail disponible sur l’arbre We avec : We = Pme.V0
La puissance effective (réelle) est donc :
120..4
120
..
NW
NVPmePe e
en Watt avec : V en m3 et Pmi en N/m2
We = C.π ⇒ Pe = 4 π C 𝑁
120 = C
2𝜋𝑁
60 = C
𝜋𝑁
30 = C. ω
La puissance de frottement Pf est donc la différence entre la puissance indiquée et
la puissance effective.
b) Rendements
Soient : Q1 : Quantité de chaleur que fait apparaître la combustion.
Wth : Le travail correspond à l’air du cycle théorique.
Wi : Le travail correspond à l’air du cycle réel.
We : Le travail effectif sur l’arbre du moteur.
On peut définir : * Le rendement théorique : 1Q
Wthth
* Le rendement Indiqué :1Q
Wii
* Le rendement interne : th
i
W
Wint
* Le rendement Mécanique :Pi
Pe
P
P
W
W
mi
me
i
em
* Le rendement global : mie
gQ
W
1
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c) Consommation spécifique du combustible.
La consommation spécifique du combustible est le rapport entre la consommation
horaire (g/h) et la puissance réelle en (Cv ou kw).
𝑐𝑠𝑝 =𝐶ℎ
𝑃𝑒 en g/Cv.h ou g/kwh.
Ch = 3600 �̇�𝑐 et ηg = 𝑃𝑒
�̇�1=
𝑃𝑒
�̇�𝑐𝑃𝑐𝑖 ⇒ Pe =𝜂𝑔�̇�𝑐𝑃𝑐𝑖
D’ou : 𝑐𝑠𝑝 =3600.�̇�𝑐
𝜂𝑔�̇�𝑐𝑃𝑐𝑖 =
3600
𝜂𝑔.𝑃𝑐𝑖 en g/kw.h
III.2.2 :Turbines à gaz
III.2.2.1 :Introduction
Les moteurs alternatifs présentent des inconvénients (vibrations, pertes
d’énergie dans l’embiellage, pertes de chaleur à chaque aller et retour du piston,
etc). Pour éviter cela, on utilisera l’écoulement d’un gaz dans une turbine pour
produire le travail mécanique.
Une turbine à gaz (ou à combustion) est une machine thermique qui fonctionne
schématiquement comme l’indique le dessin ci-dessous.
carburant
nt
air
pcal Pth
Pertes source froide
m.Cp(Ts-T0)
Pertes internes
machine
Ptr Pm
Pertes par frottement
th i m
tr
g
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L’air pris à l’atmosphère ambiante subit d’abord une compression
sensiblement adiabatique dans un turbo compresseur. On injecte par pulvérisation
le combustible (fuel, kérosène) et le mélange air combustible ainsi obtenue est
brûlé dans une chambre de combustion sous pression sensiblement constante. Les
gaz brûlés sont ensuite détendus dans les aubes fixes d’une turbine et leur énergie
cinétique est communiquée aux aubes mobiles solidaires de l’arbre moteur où est
monté le compresseur. Une partie du travail obtenu pendant la détente est ainsi
utilisée pour entraîner le compresseur. L’arbre commun est relié à une boite de
réduction relié à l’arbre de sortie. Si l’on a une turbine équipant un avion, l’arbre
de sortie fait tourner l’hélice et on a un turbo propulseur.
Si la détente est fractionnée, on détend le gaz dans une turbine simplement
pour faire tourner le compresseur et ensuite, la fin de la détente se fait dans une
tuyère où le gaz prend de l’énergie cinétique et il sort du moteur à grande vitesse,
on a alors un moteur à réaction ou turboréacteur.
III.2.2.2 : Cycle simple théorique (ou cycle de joule)
Le cycle le plus utilisé est le cycle à combustion à pression constante (cycle
de joule).
Figure n° 4 : schéma
d’une turbine à gaz.
Chapitre III : Moteurs thermiques
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P T
Q1>0
2 3 Q1>0 3
W<0
2
4
1
1 4
V S
Diagramme de ClAPYRON (P, V) Diagramme Entropique (T, S)
Q2<0
Q2<0
1 2 : Compression isentropique.
2 3 : Combustion isobare.
3 4 : Détente isentropique.
4 1 : refroidissement isobare.
Rendement thermique théorique de la turbine.
dépenséechaleur de Quantité:
compriméair d' 1kgfournir pour r compresseu lepar absorbé Travail:
aird' kgpar turbinelapar produit moteur Travail:
util ravail:
avec
231
1
W
W
TWWW
Q
W
C
T
CT
th
1er principe système ouvert W + Q = H (m = 1kg)
Transformation isentropique Q = 0 d’où :
23
1423
23
12432323
1243
12
43
HH
HHHH
HH
HHHHHHQ
HHHHWHHW
HHW
th
C
T
23
141HH
HHth
Dans le cas d’un gaz parfait, on a H = Cp.T d’où 23
141TT
TTth
or,
Chapitre III : Moteurs thermiques
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11
1
2
14
23
4
3
1
23241
1
4
3
4
34
1
43
1
3
1
1
2
1
22
1
21
1
1
43
21
P
P
TT
TT
T
T
T
TPPetPPOr
P
P
T
TPTPTueisentropiq
P
P
T
TPTPTueisentropiq
1
11
th
Avec :1
2
P
P
III.2.2.3 : Cycle réel de la turbine à combustion
Le cycle réel diffère du cycle théorique par suite de l’irréversibilité des
transformations réelles. La compression et la détente ne sont pas isentropiques et
l’existence des forces de frottement internes se manifeste par un accroissement
d’entropie.
La combustion elle même est accompagnée
d’une légère perte de charge et la pression du point
(3) est légèrement inférieure à celle du point (2).
2’ et 4’ (cycle réel).
Accroissement d’entropie
Rendement réel. Crtru
r WWWuavecQ
W
3'2
Dans le cas du cycle réel, les pertes qui peuvent affectées l’installation sont
les suivantes.
Pertes pendant la compression caractérisées par 12
12
HH
HHC
rendement adiabatique de compression.
Pertes pendant la détente caractérisées par 43
43
HH
HHT
rendement
adiabatique de la turbine.
Autres pertes (pertes de charge, pertes mécaniques, pertes par
imbrûlés (pertes par rayonnement) peu influentes.
T
3
Q1
2 2’ 4’
4
1
S
ds>0 ds>0
Chapitre III : Moteurs thermiques
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Le travail utile du cycle réel ayant pour expression :
théoriquecycledu .12
43
HHW
HHWavec
WWW
C
T
C
CTTu
1243
1HHHH
WWWWW
C
T
C
CTTCrTru
Pour un gaz parfait H = Cp.T on peut écrire :
1
2
1
1
1313
4
1
1
2
1
21
3
431243
avec 11
11
11
P
PCpTCpTW
T
Tet
T
T
OrT
TCpT
T
TCpTTT
CpTTCpW
C
Tu
C
T
C
Tu
La quantité de chaleur dépensée dans ce cycle est :
CCCC
C
C
TTT
T
TT
TTT
TTTT
TTTT
TT
TTOr
T
TCpTTTCpQ
11
1
11
1
1
1'21
2
1
1
211
121'2
121'2
1'2
12
3
'23'233'2
Remplaçons dans Q2’3 :
CT
TCpTQ
111
1
3
133'2
D’où le rendement :
C
CT
r
T
TT
TT
111
11
1
1
3
13
1
1
1
13
Le rendement du cycle réel de
la turbine à combustion.
Chapitre III : Moteurs thermiques
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III.3 : Turbines à vapeur.
Ce sont des machines destinées à produire de l’énergie mécanique en partant
de l’énergie thermique. L’énergie mécanique obtenue est, soit utilisée directement
(propulsion – pompage), soit transformée en énergie électrique (centrale
thermique).
III.3.1 : Cycle de RANKINE.
C’est le cycle théorique le plus simple permettant à une machine de produire
du travail mécanique en utilisant la vapeur d’eau comme fluide.
Schéma :
Diagrammes :
Vapeur saturée sèche
D Alternateur
Turbine
W<0
E
Condenseur
Vapeur
Eau
Pompe
Eau B A
Co
mb
iso
cho
reis
och
ore
Ec
hau
ffe
me
nt Dét
ent
e Ad
iab
ati
que
~
Chaudière
Vapeur
C
Eau
Q1 >0
Gaz brûlés
P
Q1>0
B C D
W<0
Q2<0
A E
Diagramme de ClapyRon V
T
Q1>0 P=Cte
C D
B W<0
A Q2<0 E
Diagramme entropique S
H
P1=T1 P2=T2
Q1>0 D
C W <0
B
E
A Q2<0
S
Diagramme de MOLLIER
Chapitre III : Moteurs thermiques
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AB : Augmentation de pression de PA à PB. DE : Détente adiabatique.
BC : Chauffage isobare. EA : Condensation
CD : Vaporisation (isotherme – isobare).
.
III.3.2 : Cycle de HIRN ( avec surchauffe).
Dans le cas du cycle de RANKINE, on peut apercevoir qu’en fin de détente, le
point de fonctionnement (E) se trouve à l’intérieur de la courbe de saturation. Ceci
montre qu’en fin de détente, il y a début de liquéfaction et formation de gouttes
d’eau liquide. Ceci peut endommager gravement la roue de la turbine. Il y aura
donc intérêt à éliminer cette formation d’eau liquide en cours de détente. Pour
cela, on peut augmenter la température de la vapeur en la surchauffant.
Un tel cycle où la vapeur est surchauffée s’appelle : cycle de HIRN ou cycle
avec surchauffe. L’augmentation du rendement est faible, mais on diminue la
formation de gouttes d’eau liquide en fin de détente.
Diagrammes :
Cycle avec resurchauffe.
P
V
T
S
H
S
A
B C C’ D
E F A
B C
C’ D
E F A
B
C
D
’
E F
Q1>0 Q1>0
Q2<0 Q2<0
Q1>0
Q2<0
W<0
W
Diagramme de CLAPEYRON (P,V) Diagramme Entropique (T,S) Diagramme Enthalpique (H,S)
C’
Chapitre III : Moteurs thermiques
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III.3.3 : Rendements.
a : Rendement théorique.
absorbéechaleur de Quantité
pompe lapar absorbé travail turbinelapar fourni Travail
absorbéechaleur de Quantité
fourni util Travail th
1er Principe (W + Q1 + Q2) cycle =0 We = -W = Q1 + Q2
BD
absorbéeW
AB
turbineW
ED
BD
AEBD
BD
AEth
AEEA
BD
th
HH
HHHH
HH
HHHH
HH
HH
HHHHHQ
CtePHHHQ
Q
Q
Q
Q
We
1
CteP
1
2
1
1
2
1
21
1
Si on néglige les pertes dans la pompe (AB), on obtient :(HB≈HA)
AD
EDth
HH
HH
b : Rendement par rapport à l’isentropique
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ED
FDis
HH
HH
c : Rendement thermique du cycle réel.
this
BD
ABFDr
HH
HHHH
)(
d : Rendement mécanique
mécaniques sfrottement des cause à
indiqué au travailinférieur est il turbine,la de
arbrel'sur disponible effectif Travail:
avec
FDi
i
FDi
m
HHW
W
We
HH
We
W
We
e : Rendement général d’une installation
rmthism
BD HH
We
f : Consommation de vapeur.
, :
: avec
860
kcalenH
en kg/kw.hCv
HHCv
BD
kj.en :H
kg/kw.hen :Cv avec
3600
BD HHCv
NB : - Le cycle de HIRN ou cycle avec surchauffe de la vapeur à la sortie de la
chaudière, permet d’avoir un titre de vapeur après détente dans la turbine qui
avoisine les 80%.
- On peut augmenter le titre de vapeur en resurchauffant la vapeur entre
turbines ( x#90%) ainsi que par soutirage de la vapeur à la sortie de la turbine
(x#100%).
- Les figures (n°5,6 et 7 ) représentent, les cycles avec surchauffe ( HIRN),
avec resurchauffe et avec soutirage de la vapeur.
Chapitre III : Moteurs thermiques
Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z) Page 73
Cycle de la vapeur d’eau.
Figure n°5 : Cycle de HIRN , Cycle avec surchauffe ( x#0.8 ou 80%)
Figure n°6 : Cycle avec resurchauffe ( x#0.9 ou 90%)
Chapitre III : Moteurs thermiques
Thermo propulsion I (par Dr HENNI MANSOUR Z) Page 74
Figure n° 7 : Cycle avec soutirage ( x#100%)
Diagrammes Entropique et Enthalpique de la vapeur d’eau
Chapitre III : Moteurs thermiques
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Figure 8 : Diagramme T,s de l'eau
Figure 9 : Diagramme h,s de l'eau.