Cykl Braytona - Brayton cycle

Termodynamika
Klasyczny silnik cieplny Carnota
Gałęzie Klasyczny Statystyczny Chemiczny Termodynamika kwantowa Równowaga  / Brak równowagi
Prawa Zerowa Najpierw druga Trzeci
Systemy Zamknięty system System izolowany Stan Równanie stanu Gaz doskonały Prawdziwy gaz Stan skupienia Faza (materia) równowaga Regulacja głośności Instrumenty Procesy Izobaryczny Izochoryczny Izotermiczny adiabatyczny Izentropowy Izenhalpic Quasistatyczny Politropowy Darmowa ekspansja Odwracalność Nieodwracalność odwracalność Cykle Silniki cieplne Pompy ciepła Wydajność termiczna
Właściwości systemu Uwaga: Zmienne sprzężone w kursywą Diagramy nieruchomości Intensywne i rozległe właściwości Funkcje procesowe Praca Ciepło Funkcje państwa Temperatura  / Entropia  ( wprowadzenie ) Ciśnienie  / Objętość Potencjał chemiczny  / liczba cząstek Jakość pary Zredukowane właściwości
Właściwości materiału Bazy danych nieruchomości Specyficzna pojemność cieplna  ${\displaystyle c=}$ ${\ Displaystyle T}$ ${\ Displaystyle \ częściowe S}$ ${\ Displaystyle N}$ ${\ Displaystyle \ częściowe T}$ Ściśliwość  ${\ Displaystyle \ beta =-}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ częściowe V}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ częściowe p}$ Rozszerzalność termiczna  ${\ Displaystyle \ alfa =}$ ${\ Displaystyle 1}$ ${\ Displaystyle \ częściowe V}$ ${\ Displaystyle V}$ ${\ Displaystyle \ częściowe T}$
Równania Twierdzenie Carnota Twierdzenie Clausiusa Podstawowa relacja Prawo gazu doskonałego Relacje Maxwella Wzajemne relacje Onsagera równania Bridgmana Tabela równań termodynamicznych
Potencjały Darmowa energia Wolna entropia
Historia Kultura Historia Ogólny Entropia Przepisy dotyczące gazu Maszyny „perpetuum mobile” Filozofia Entropia i czas Entropia i życie Grzechotka Browna Demon Maxwella Paradoks śmierci cieplnej Paradoks Loschmidta Synergetyka Teorie Teoria kaloryczna Vis viva („żywa siła”) Mechaniczny odpowiednik ciepła Siła motywacyjna Kluczowe publikacje „ Eksperymentalne dochodzenie dotyczące… ciepła ” „ O równowadze substancji heterogenicznych ” „ Refleksje na temat motywującej siły ognia ” Terminy Termodynamika Silniki cieplne Sztuka Edukacja Powierzchnia termodynamiczna Maxwella Entropia jako rozpraszanie energii
Naukowcy Bernoulli Boltzmanna Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Dżul Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Inne Nukleacja Samodzielny montaż Samoorganizacja Porządek i nieporządek
Kategoria
v T mi

Cykl Brayton jest termodynamiczny cykl , który opisuje działanie niektórych silników cieplnych , które mają powietrze lub inny gaz jako ich płynu roboczego. Oryginalne silniki Brayton wykorzystywały sprężarkę tłokową i ekspander tłoka, ale nowoczesne silniki turbinowe i odrzutowe do oddychania powietrzem również podążają za cyklem Braytona. Chociaż cykl jest zwykle prowadzony jako układ otwarty (i rzeczywiście musi być prowadzony jako taki, jeśli stosuje się spalanie wewnętrzne ), konwencjonalnie zakłada się dla celów analizy termodynamicznej, że gazy spalinowe są ponownie wykorzystywane w wlocie, umożliwiając analizę jako zamknięty system.

Cykl silnika został nazwany na cześć George'a Braytona (1830-1892), amerykańskiego inżyniera, który opracował go pierwotnie do użytku w silnikach tłokowych, chociaż pierwotnie został zaproponowany i opatentowany przez Anglika Johna Barbera w 1791 roku. Czasami jest również znany jako cykl Joule'a . Odwrócony cykl Joule'a wykorzystuje zewnętrzne źródło ciepła i obejmuje użycie regeneratora. Jeden typ cyklu Braytona jest otwarty do atmosfery i wykorzystuje wewnętrzną komorę spalania ; a inny typ jest zamknięty i wykorzystuje wymiennik ciepła.

Historia

W 1872 roku George Brayton złożył wniosek patentowy na swój silnik „Ready Motor”, tłokowy silnik cieplny pracujący w cyklu gazowym. Silnik był dwusuwowy i wytwarzał moc na każdym obrocie. Silniki Brayton wykorzystywały oddzielną sprężarkę tłokową i ekspander tłoka, ze sprężonym powietrzem ogrzewanym przez wewnętrzny ogień, gdy wchodziło do cylindra ekspandera. Pierwsze wersje silnika Brayton były silnikami parowymi, które mieszały paliwo z powietrzem, gdy wchodziło do sprężarki za pomocą gaźnika z podgrzewaną powierzchnią . Paliwo/powietrze znajdowało się w zasobniku/zbiorniku a następnie było wpuszczane do cylindra rozprężnego i spalane. Gdy mieszanka paliwowo-powietrzna dostała się do cylindra rozprężnego, została zapalona przez płomień pilotujący. Zastosowano ekran, aby zapobiec przedostawaniu się ognia lub jego powrotowi do zbiornika. We wczesnych wersjach silnika ten ekran czasami ulegał awarii i dochodziło do eksplozji. W 1874 roku Brayton rozwiązał problem wybuchu, dodając paliwo tuż przed cylindrem rozprężarki. Silnik używał teraz cięższych paliw, takich jak nafta i olej opałowy. Zapłon pozostał płomieniem pilotującym. Brayton wyprodukował i sprzedał gotowe silniki do wykonywania różnych zadań, takich jak pompowanie wody, praca młyna, uruchamianie generatorów i napęd morski. „Ready Motors” były produkowane od 1872 do lat 80. XIX wieku; prawdopodobnie w tym okresie wyprodukowano kilkaset takich silników. Brayton udzielił licencji na projekt Simone w Wielkiej Brytanii. Zastosowano wiele odmian układu; niektóre były jednostronne, a inne dwustronne. Niektórzy mieli pod chodzącymi belkami; inni mieli nad głową belki do chodzenia. Zbudowano zarówno modele poziome, jak i pionowe. Rozmiary wahały się od mniej niż jednego do ponad 40 koni mechanicznych. Krytycy tamtych czasów twierdzili, że silniki działały płynnie i miały rozsądną wydajność.

Silniki cyklu Brayton były jednymi z pierwszych silników spalinowych stosowanych do napędu. W 1875 roku John Holland użył silnika Brayton do napędzania pierwszej na świecie samobieżnej łodzi podwodnej (łódź Holland nr 1). W 1879 roku silnik Brayton został użyty do napędzania drugiej łodzi podwodnej, Fenian Ram . Okręty podwodne Johna Philipa Hollanda są przechowywane w Muzeum Paterson w historycznej dzielnicy Old Great Falls w Paterson w stanie New Jersey .

George B Selden prowadzący samochód z napędem Brayton w 1905 r.

W 1878 roku George B. Selden opatentował pierwszy samochód spalinowy. Zainspirowany silnikiem spalinowym wynalezionym przez Braytona wystawionym na Wystawie Stulecia w Filadelfii w 1876 roku, Selden opatentował czterokołowy samochód pracujący na mniejszej, lżejszej, wielocylindrowej wersji. Następnie złożył szereg poprawek do swojego wniosku, które wydłużyły proces prawny, powodując 16-letnie opóźnienie przed przyznaniem patentu 5 listopada 1895 r. W 1903 r. Selden pozwał Forda o naruszenie patentu, a Henry Ford walczył z Seldenami. patent do 1911 roku. Selden nigdy nie wyprodukował działającego samochodu, więc podczas próby skonstruowano dwie maszyny zgodnie z rysunkami patentowymi. Ford twierdził, że jego samochody używały czterosuwowego cyklu Alphonse Beau de Rochas lub cyklu Otto, a nie silnika Braytona używanego w samochodach Seldena. Ford wygrał odwołanie oryginalnej sprawy.

W 1887 roku firma Brayton opracowała i opatentowała czterosuwowy silnik olejowy z bezpośrednim wtryskiem (patent USA nr 432 114 z 1890 r., wniosek złożony w 1887 r.). W układzie paliwowym zastosowano pompę o zmiennej ilości oraz wysokociśnieniowy wtrysk paliwa płynnego. Ciecz była wtłaczana przez sprężynowy zawór upustowy (wtryskiwacz), co powodowało rozdzielenie paliwa na małe kropelki. Wstrzykiwanie miało miejsce w momencie szczytowym suwu sprężania lub w jego pobliżu. Źródłem zapłonu był zapłonnik platynowy. Brayton opisuje wynalazek w następujący sposób: „Odkryłem, że oleje ciężkie mogą być mechanicznie przekształcone w stan dokładnie rozdrobniony w części wypalającej cylindra lub w połączonej komorze wypalania”. W innej części czytamy: „Po raz pierwszy, o ile moja wiedza sięga, regulowałem prędkość poprzez zmienne kontrolowanie bezpośredniego odprowadzania ciekłego paliwa do komory spalania lub cylindra do bardzo rozdrobnionego stanu wysoce sprzyjającego natychmiastowemu spalaniu”. Był to prawdopodobnie pierwszy silnik, w którym zastosowano system ubogiego spalania do regulacji prędkości obrotowej i mocy silnika. W ten sposób silnik odpalany przy każdym suwie mocy oraz prędkość i moc były sterowane wyłącznie ilością wtryskiwanego paliwa.

W 1890 roku firma Brayton opracowała i opatentowała czterosuwowy silnik olejowy nadmuchowy (patent amerykański nr 432 260). Układ paliwowy dostarczał zmienną ilość odparowanego paliwa do środka cylindra pod ciśnieniem na szczycie suwu sprężania lub w jego pobliżu. Źródłem zapłonu był zapalnik wykonany z drutu platynowego. Pompa wtryskowa o zmiennej ilości dostarczała paliwo do wtryskiwacza, gdzie było mieszane z powietrzem, gdy wchodziło do cylindra. Źródłem powietrza była mała sprężarka napędzana korbą. Ten silnik również wykorzystywał system Lean Burn.

Rudolf Diesel pierwotnie zaproponował bardzo wysoki stopień sprężania w cyklu stałotemperaturowym, w którym ciepło sprężania przekraczałoby ciepło spalania, ale po kilku latach eksperymentów zdał sobie sprawę, że cykl ze stałą temperaturą nie zadziała w silniku tłokowym. Wczesne silniki Diesla wykorzystują system nadmuchu powietrza, którego pionierem był Brayton w 1890 roku. W konsekwencji te wczesne silniki wykorzystują cykl stałego ciśnienia.

Tak jak turbiny parowe były adaptacją tłokowych silników parowych, tak turbiny gazowe były adaptacją wczesnych silników tłokowych stałociśnieniowych.

• Przykłady silników Brayton
• 

  Silnik gazowy Brayton 1872

• 

  Silnik belki kroczącej Brayton 1872

• 

  Silnik Brayton 1875

• 

  Silnik stałociśnieniowy dwustronnego działania Brayton odcięty 1877

• 

  Czterosuwowy silnik pneumatyczny Brayton 1889

• 

  Czterosuwowy silnik nadmuchowy Brayton 1890

Wczesna historia turbin gazowych

• 1791 Pierwszy patent na turbinę gazową (John Barber, Wielka Brytania)
• 1904 Nieudany projekt turbiny gazowej Franza Stolze w Berlinie (pierwsza sprężarka osiowa)
• 1906 GT firmy Armengaud Lemale we Francji (sprężarka odśrodkowa, brak mocy użytkowej)
• 1910 Pierwszy GT ze spalaniem przerywanym (Holzwarth, 150 kW, spalanie o stałej objętości)
• 1923 Pierwsza turbosprężarka spalinowa zwiększająca moc silników wysokoprężnych
• 1939 Pierwsza na świecie turbina gazowa do wytwarzania energii (Brown Boveri Company), Neuchâtel, Szwajcaria

(palnik velox, aerodynamika Stodola)

Modele

Silnik typu Brayton składa się z trzech elementów: kompresora , komory mieszania i ekspandera .

Nowoczesne silniki Brayton są prawie zawsze typu turbinowego, chociaż Brayton produkował tylko silniki tłokowe. W oryginalnym XIX-wiecznym silniku Brayton powietrze z otoczenia jest wciągane do sprężarki tłokowej, gdzie jest sprężane ; najlepiej proces izentropowy . Sprężone powietrze przepływa następnie przez komorę mieszania, w której w procesie izobarycznym dodawane jest paliwo . Mieszanka powietrza i paliwa pod ciśnieniem jest następnie zapalana w cylindrze rozprężnym, a energia jest uwalniana, powodując rozszerzanie się ogrzanego powietrza i produktów spalania przez tłok/cylinder, kolejny idealnie izentropowy proces. Część pracy pobieranej przez tłok/cylinder jest wykorzystywana do napędzania sprężarki przez układ wału korbowego.

Turbiny gazowe to także silniki Brayton, składające się z trzech elementów: sprężarki gazu, palnika (lub komory spalania ) oraz turbiny rozprężnej .

Idealny cykl Braytona:

1. proces izentropowy – powietrze z otoczenia jest wciągane do sprężarki, gdzie jest pod ciśnieniem.
2. proces izobaryczny – sprężone powietrze przepływa następnie przez komorę spalania, w której spalane jest paliwo, podgrzewając to powietrze – jest to proces o stałym ciśnieniu, ponieważ komora jest otwarta dla przepływu do i na zewnątrz.
3. proces izentropowy – ogrzane, sprężone powietrze oddaje swoją energię, rozprężając się przez turbinę (lub szereg turbin). Część pracy pobieranej przez turbinę jest wykorzystywana do napędzania sprężarki.
4. proces izobaryczny – oddawanie ciepła (w atmosferze).

Rzeczywisty cykl Braytona:

1. proces adiabatyczny – kompresja
2. proces izobaryczny – dodawanie ciepła
3. proces adiabatyczny – ekspansja
4. proces izobaryczny – oddawanie ciepła

Wyidealizowany cykl Braytona, w którym P = ciśnienie, v = objętość, T = temperatura, s = entropia, a q = ciepło dodawane lub odrzucane przez system.

Ponieważ ani sprężanie, ani rozprężanie nie mogą być prawdziwie izentropowe, straty w sprężarce i ekspanderze stanowią źródło nieuniknionych nieefektywności pracy . Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie stopnia kompresji jest najbardziej bezpośrednim sposobem na zwiększenie całkowitej mocy wyjściowej systemu Brayton.

Sprawność idealnego cyklu Braytona wynosi , gdzie jest współczynnikiem pojemności cieplnej . Rysunek 1 pokazuje, jak zmienia się sprawność cyklu wraz ze wzrostem stosunku ciśnień. Rysunek 2 pokazuje, jak zmienia się moc właściwa wraz ze wzrostem temperatury wlotowej turbiny gazowej dla dwóch różnych wartości stosunku ciśnień. ${\ Displaystyle \ eta = 1 - {\ Frac {T_ {1}} {T_ {2}}} = 1 - \ lewo ({\ Frac {P_ {1}} {P_ {2}}} \ po prawej) ^ {(\gamma -1)/\gamma }}$${\ Displaystyle \ gamma}$

• 

  Rysunek 1: Wydajność cyklu Braytona

• 

  Rysunek 2: Moc wyjściowa charakterystyczna dla cyklu Braytona

Najwyższa temperatura w cyklu występuje pod koniec procesu spalania i jest ograniczona maksymalną temperaturą, jaką mogą wytrzymać łopatki turbiny. Ogranicza to również stosunki ciśnień, które można zastosować w cyklu. W przypadku stałej temperatury na wlocie turbiny moc wyjściowa netto na cykl wzrasta wraz ze stosunkiem ciśnienia (a zatem sprawnością cieplną) i mocą wyjściową netto. Przy mniejszej wydajności pracy na cykl potrzebny jest większy przepływ masy (a tym samym większy system), aby utrzymać tę samą moc wyjściową, co może nie być ekonomiczne. W większości typowych konstrukcji stosunek ciśnień turbiny gazowej wynosi od około 11 do 16.

Sposoby na zwiększenie mocy

Moc wyjściową silnika Brayton można poprawić poprzez:

• Podgrzewanie, w którym płyn roboczy — w większości przypadków powietrze — rozpręża się przez szereg turbin, a następnie przechodzi przez drugą komorę spalania przed rozprężeniem do ciśnienia otoczenia przez końcowy zestaw turbin, ma tę zaletę, że zwiększa moc wyjściową możliwą dla podany stopień sprężania bez przekraczania jakichkolwiek ograniczeń metalurgicznych (zwykle około 1000 °C). Zastosowanie dopalacza w silnikach samolotów odrzutowych może być również określane jako „podgrzewanie”; jest to inny proces, w którym ogrzane powietrze jest rozprężane przez dyszę oporową, a nie przez turbinę. Ograniczenia metalurgiczne są nieco złagodzone, umożliwiając znacznie wyższe temperatury ponownego nagrzewania (około 2000 °C). Ponowne podgrzewanie jest najczęściej stosowane w celu poprawy określonej mocy (na przepustowość powietrza) i zwykle wiąże się ze spadkiem wydajności; efekt ten jest szczególnie wyraźny w dopalaczach ze względu na ekstremalne ilości zużywanego dodatkowego paliwa.
• W przypadku overspray, po pierwszym stopniu sprężania, woda jest wtryskiwana do sprężarki, zwiększając w ten sposób przepływ masowy wewnątrz sprężarki, znacznie zwiększając moc wyjściową turbiny i obniżając temperatury wylotowe sprężarki. W drugim stopniu sprężania woda jest całkowicie przekształcana w formę gazową, oferując pewne chłodzenie międzystopniowe dzięki utajonemu ciepłu parowania.

Metody poprawy efektywności

Wydajność silnika Brayton można poprawić poprzez:

• Zwiększanie stosunku ciśnień, jak pokazuje rysunek 1 powyżej, zwiększanie stosunku ciśnień zwiększa wydajność cyklu Braytona. Jest to analogiczne do wzrostu wydajności obserwowanego w cyklu Otto, gdy stopień sprężania jest zwiększony. Jednak istnieją praktyczne ograniczenia, jeśli chodzi o zwiększenie stosunku ciśnień. Przede wszystkim zwiększenie stosunku ciśnień zwiększa temperaturę tłoczenia sprężarki. Może to spowodować, że temperatura gazów opuszczających komorę spalania przekroczy granice metalurgiczne turbiny. Ponadto średnica łopatek sprężarki staje się coraz mniejsza w wyższych stopniach ciśnienia sprężarki. Ponieważ szczelina między łopatkami a obudową silnika zwiększa się jako procent wysokości łopatek sprężarki, gdy łopatki mają mniejszą średnicę, większy procent sprężonego powietrza może przeciekać z powrotem przez łopatki na wyższych poziomach ciśnienia. Powoduje to spadek wydajności sprężarki i najprawdopodobniej występuje w mniejszych turbinach gazowych (ponieważ łopatki są z natury mniejsze od początku). Wreszcie, jak widać na rysunku 1, sprawność spada wraz ze wzrostem stosunku ciśnień. W związku z tym oczekuje się niewielkiego zysku przy dalszym zwiększaniu stosunku ciśnień, jeśli jest on już na wysokim poziomie.
• Rekuperator – Jeśli cykl Braytona jest prowadzony przy niskim stosunku ciśnień i wysokim wzroście temperatury w komorze spalania, spaliny (po ostatnim stopniu turbiny) mogą być nadal gorętsze niż sprężony gaz wlotowy (po ostatnim stopniu sprężania, ale przed komora spalania). W takim przypadku wymiennik ciepła może być wykorzystany do przeniesienia energii cieplnej ze spalin do już sprężonego gazu, zanim trafi on do komory spalania. Przekazywana energia cieplna jest efektywnie wykorzystywana ponownie, zwiększając w ten sposób wydajność. Jednak ta forma odzysku ciepła jest możliwa tylko wtedy, gdy silnik pracuje w trybie niskiej wydajności z niskim stosunkiem ciśnienia w pierwszej kolejności. Przekazywanie ciepła z wylotu (po ostatniej turbinie) do wlotu (przed pierwszym stopniem sprężarki) zmniejszyłoby wydajność, ponieważ cieplejsze powietrze wlotowe oznacza większą objętość, a tym samym więcej pracy dla sprężarki. W przypadku silników z ciekłym paliwem kriogenicznym, a mianowicie wodorem , może być wykonalne zastosowanie paliwa do schłodzenia powietrza wlotowego przed sprężaniem w celu zwiększenia wydajności. Koncepcja ta jest intensywnie badana pod kątem silnika SABRE .
• Silnik Brayton stanowi również połowę systemu cyklu łączonego , który w połączeniu z silnikiem Rankine'a dodatkowo zwiększa ogólną wydajność. Jednak, chociaż zwiększa to ogólną wydajność, w rzeczywistości nie zwiększa wydajności samego cyklu Brayton.
• Systemy kogeneracji wykorzystują ciepło odpadowe z silników Brayton, zwykle do produkcji ciepłej wody lub ogrzewania pomieszczeń.

Warianty

Zamknięty cykl Brayton

Zamknięty obieg Braytona Kompresor

C i turbina T w wysokotemperaturowy wymiennik ciepła ʍ niskotemperaturowy wymiennik ciepła ~ obciążenie mechaniczne, np. generator elektryczny

Zamknięty cykl Braytona recyrkuluje płyn roboczy ; powietrze wydalone z turbiny jest ponownie wprowadzane do sprężarki, cykl ten wykorzystuje wymiennik ciepła do podgrzewania płynu roboczego zamiast wewnętrznej komory spalania. Zamknięty obieg Braytona jest stosowany na przykład w turbinach gazowych o obiegu zamkniętym i energetyce kosmicznej.

Solarny cykl Braytona

W 2002 r., w ramach programu EU SOLGATE, po raz pierwszy zastosowano w sposób konsekwentny i skuteczny hybrydowy otwarty słoneczny cykl Braytona, a odpowiednie artykuły zostały opublikowane. W komorze spalania powietrze było podgrzewane od 570 do ponad 1000K. Dalszą hybrydyzację osiągnięto w ramach unijnego projektu Solhyco, w ramach którego przeprowadzono zhybrydyzowany cykl Braytona z wykorzystaniem wyłącznie energii słonecznej i biodiesla. Technologia ta została skalowana do 4,6 MW w ramach projektu Solugas zlokalizowanego w pobliżu Sewilli, gdzie jest obecnie demonstrowana w skali przedkomercyjnej.

Odwrócony cykl Braytona

Cykl Braytona, który jest uruchamiany w odwrotnym kierunku, przez wejście sieciowe, a powietrzem jest płynem roboczym, jest cyklem chłodzenia gazowego lub cyklem Bella Colemana. Jego celem jest przenoszenie ciepła, a nie wytwarzanie pracy. Ta technika chłodzenia powietrzem jest szeroko stosowana w samolotach odrzutowych w systemach klimatyzacji wykorzystujących powietrze upustowe pobierane ze sprężarek silnika. Jest również stosowany w branży LNG , gdzie największy odwrócony cykl Braytona służy do dochładzania LNG przy użyciu 86 MW mocy ze sprężarki napędzanej turbiną gazową i czynnika chłodniczego w postaci azotu.

Odwrócony cykl Braytona

Zobacz też

• Silnik obrotowy Britalus
• Gerotor
• Silnik cieplny
• HVAC

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Dzisiaj w artykule Science na temat Brayton Engine
• http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=JSEEDO000126000003000872000001&idtype=cvips&gifs=yes
• http://elib.dlr.de/46328/
• Test i ocena systemu turbiny gazowej zasilanej energią słoneczną