Table Of ContentThermodynamics of Heat Engines
SCIENCES
Energy
Field Directors – Alain Dollet and Pascal Brault
Physics of Energy and Energy Efficiency
Subject Head – Michel Feidt
Thermodynamics
of Heat Engines
Coordinated by
Bernard Desmet
First published 2022 in Great Britain and the United States by ISTE Ltd and John Wiley & Sons, Inc.
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© ISTE Ltd 2022
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Library of Congress Control Number: 2022941652
British Library Cataloguing-in-Publication Data
A CIP record for this book is available from the British Library
ISBN 978-1-78945-075-0
ERC code:
PE2 Fundamental Constituents of Matter
PE2_13 Thermodynamics
Contents
Foreword . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xi
MichelFEIDT
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
BernardDESMET
Chapter1.EnergyConversion: ThermodynamicBasics . . . . . . . 1
GeorgesDESCOMBESandBernardDESMET
1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.Principlesofthermodynamics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.1.Notionofathermodynamicsystem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.2.Firstlaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2.3.Secondlaw:mechanismofmechanicalenergydegradation
inaheatengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.3.Thermodynamicsofgases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.1.Equationsofstate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3.2.Calorimetriccoefficients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3.Idealgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.3.4.VanderWaalsgas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.4.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.5.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
vi ThermodynamicsofHeatEngines
Chapter2.InternalCombustionEngines . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
BernardDESMET
2.1.Generalities–Operatingprinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
2.1.2.Spark-ignitionengines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.3.Compressionignitionengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.1.4.Expressionofusefulwork . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.Theoreticalaircycles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.1.Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.2.2.BeaudeRochascycle(Ottocycle) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.2.3.Miller–Atkinsoncycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.2.4.Dieselcycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
2.2.5.Thelimitedpressurecycle(mixedcycle) . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.2.6.Comparisonoftheoreticalaircycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.Influencesofthethermophysicalpropertiesoftheworkingfluid
onthetheoreticalcycles. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.1.Thermophysicalpropertiesoftheworkingfluid. . . . . . . . . . . . 43
2.3.2.Reversibleadiabatictransformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.3.3.Mixedcycleforidealandsemi-idealgases . . . . . . . . . . . . . . 47
2.4.Zero-dimensionalthermodynamicmodels . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.1.Hypotheses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
2.4.2.Single-zonemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
2.4.3.Flowthroughthevalves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.4.4.Heattransferwiththecylinderwalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4.5.Combustionheatgenerationmodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.4.6.Two-zonemodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
2.5.Superchargingofinternalcombustionengines . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.1.Basicprinciplesofsupercharging. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.5.2.Superchargingbyadrivencompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.5.3.Turbocharging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.6.Conclusionsandperspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.7.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Chapter3.AeronauticalandSpacePropulsion . . . . . . . . . . . . . . 69
YannickMULLERandFrançoisCOTTIER
3.1.Historyanddevelopmentofaeronauticalmeansofpropulsion . . . . . 69
3.2.Presentationoftheaircraftsystemanditspropulsiveunit . . . . . . . . 72
3.2.1.Classificationandpresentationoftheusualarchitectures
ofaeronauticalenginesandtheirspecificuses . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.2.Studyoftheforcesappliedontheaircraftsystemduring
steadyflight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Contents vii
3.2.3.Definitionofthepropulsionforcesandspecificquantities
ofthepropulsionsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
3.3.Operatingcycleanalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.1.Hypothesesandlimitsofvalidity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.3.2.Presentationofenginestations(SAEARP755STANDARD) . . . 88
3.3.3.Studyofthermodynamictransformationsandtheir
representationsinT–sdiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.3.4.Studyofthethermodynamiccyclesforagasturbine . . . . . . . . . 93
3.3.5.Studyofthethermodynamiccycleofagasturbine,
branchbybranch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
3.3.6.ImprovementstotheJoule–Braytoncycle . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.3.7.Thermodynamicimprovementsforagasturbineusingenergy
regeneration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
3.3.8.Thermodynamicimprovementsforagasturbineusingstaged
compressionandexpansion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.4.Theactualengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
3.4.1.Developmentcycleoftheturbomachine(turbojet) . . . . . . . . . . 104
3.4.2.Technicaldisciplinesindevelopment. . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.4.3.Somespecificproblemsofeachmodule . . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.4.4.Secondaryairsystemdesignmethods . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.4.5.T4andthesecondaryairsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
3.5.Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.6.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Chapter4.CombustionandConversionofEnergy . . . . . . . . . . . 133
BernardDESMET
4.1.Generalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4.1.2.Premixedflame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1.3.Diffusionflame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.1.4.Stabilizationofaflame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
4.1.5.Flammabilityofair–fuelmixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
4.1.6.Combustionininternalcombustionengines . . . . . . . . . . . . . . 139
4.2.Theoreticalcombustionreactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.1.Constituentsofthecombustiblemixture . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4.2.2.Combustionstoichiometry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
4.2.3.Theoreticalcombustionofaleanmixture . . . . . . . . . . . . . . . 143
4.2.4.Theoreticalcombustionofarichmixture . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.Energystudyofcombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.1.Combustionatconstantvolume. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
4.3.2.Combustionatconstantpressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
4.3.3.Relationsbetweenheatingvalues. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
viii ThermodynamicsofHeatEngines
4.3.4.Adiabaticflameandexplosiontemperatures . . . . . . . . . . . . . 150
4.4.Chemicalkineticsofcombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.4.1.Chainreactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.4.2.Compositionofareactivemixture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.4.3.Reactionrates. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
4.4.4.Establishingachemicalequilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
4.4.5.Equilibriumcompositionofthecombustionproducts . . . . . . . . 160
4.4.6.Detailedchemicalkinetics–formationofpollutants. . . . . . . . . . 164
4.5.Exergyanalysisofcombustion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.5.1.Exergyofagasmixture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
4.5.2.Exergyproductionfromacombustionreaction . . . . . . . . . . . . 169
4.5.3.Exergyofafuel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.6.Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
4.7.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
Chapter5.EngineswithanExternalHeatSupply . . . . . . . . . . . . 179
GeorgesDESCOMBESandBernardDESMET
5.1.Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.2.TheStirlingengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.1.Theoreticalcycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
5.2.2.CharacteristicsoftheStirlingengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
5.3.TheEricssonengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.3.1.Operatingprinciples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
5.3.2.Theoreticalcycles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.3.3.ImprovementsoftheEricssonengine . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.4.Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
5.4.1.AdvantagesanddisadvantagesofStirlingandEricssonengines . . 194
5.4.2.Perspectivesofevolutionofexternalcombustionmachines
inthenewdecarbonizedenergylandscape . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
5.5.References. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
Chapter6.EnergyRecovery–WasteHeatRecovery . . . . . . . . . . 197
MohamedMEBARKIA
6.1.Wasteenergyrecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.1.1.Energybalanceofaninternalcombustionengine . . . . . . . . . . . 197
6.1.2.Degradationofmechanizableenergyintouncompensatedheat . . . 200
6.1.3.Exergybalanceininternalcombustionengines . . . . . . . . . . . . 203
6.1.4.Conceptofenergyrecovery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.2.Cogenerationinindustrialfacilities. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.2.1.Cogeneratinggasturbines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.2.2.Cogeneratingdieselengine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
