Цикл Брайтона термодинамический цикл, названный в честь Джорджа Брайтона, который описывает работу теплового двигателя постоянного давления. В оригинальных двигателях Брайтона использовались поршневой компрессор и поршневой детандер, но более современные газотурбинные двигатели и воздушно-реактивные двигатели также следуют циклу Брайтона.
Кредит изображения: Википедия
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие окружающий воздух втягивается в компрессор.
- Процесс 2-3: Добавление тепла при постоянном давлении, тепло добавляется к сжатому воздуху, когда он проходит через камеру сгорания.
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение; Нагретый сжатый воздух проходит через турбину.
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении, тепло отводится в окружающий воздух
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие окружающий воздух втягивается в компрессор.
- Процесс 2-3: Добавление тепла при постоянном давлении, тепло добавляется к сжатому воздуху, когда он проходит через камеру сгорания.
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение; Нагретый сжатый воздух проходит через турбину.
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении, тепло отводится в окружающий воздух
Кредит изображения: Википедия
Тепловой КПД идеального цикла Брайтона определяется выражением
Где ϒ = индекс адиабаты = 1.4 для воздуха
Тепловой КПД цикла Брайтона | Вывод цикла Брайтона | Замкнутый цикл Брайтона | Анализ цикла Брайтона
Кредит изображения: Википедия
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие
- Процесс 2-3: добавление тепла при постоянном давлении
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении
Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие.
- Где,
- r — степень сжатия = V1/V2
- rp является степенью давления = P2/P1
- re = Степень расширения = V4/V3
- Процесс 2-3: Подвод тепла при постоянном давлении рассчитывается как,
- Qin = м Сp[Т3-T2].
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение рассчитывается как
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении будет
- QR = м Сp[Т4-T1]
- Сделанная работа = Qin — QR.
- Эффективность цикла Брайтона представлена как.
Поскольку,
Цикл Брайтона против цикла Отто
| Цикл Брайтона | Цикл Отто |
| В цикле Брайтона происходит добавление тепла и отвод тепла при постоянном давлении. | В цикле Отто происходит добавление тепла и отвод тепла при постоянном объеме. |
| большой объем газа низкого давления может обрабатываться с помощью цикла Брайтона | из-за ограничений в поршневом пространстве двигателя цикл Отто не справляется с обработкой большого объема газа низкого давления. |
| На протяжении всего процесса установившегося потока в цикле Брайтона наблюдается очень высокая температура. | Только во время такта Power двигатель нагревается до высокой температуры. |
| Идеально подходит для газовых и воздушных турбин | Лучше всего подходит для двигателей внутреннего сгорания и искрового зажигания. |
Холодильный цикл Брайтона | Обратный цикл Брайтона | Цикл Джоуля Брайтона | Обратный цикл Брайтона
Он также известен как цикл Белла-Коулмана. Он находит свое применение в приложениях для самолетов. Это также инверсия обратного цикла Карно.
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие
- Процесс 2-3: Отвод тепла при постоянном давлении
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение
- Процесс 4-1: добавление тепла при постоянном давлении
Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изоэнтропическое сжатие
Где,
- r — степень сжатия = V1/V2
- rp является степенью давления = P2/P1
- re = Степень расширения = V4/V3
- Процесс 2-3: Отвод тепла при постоянном давлении будет
- QR = м Сp [T1 — Т4]
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изоэнтропическое расширение
- Процесс 4-1: Добавление тепла при постоянном давлении
- Qin = м Сp [T2 — Т3].
- Мы знаем это,
- Затраченная работа = Qin — QR.
- КС цикла обозначается как.
Цикл Брайтона с регенерацией с использованием воздуха
В этом процессе тепло выхлопных газов используется для предварительного нагрева сжатого воздуха. Таким образом, воздух поступает в камеру сгорания с более высокой температурой. В камеру сгорания не добавляется дополнительное тепло, не производится избыточная работа турбины и не выполняется избыточная работа компрессора. Повышается эффективность цикла.
Изображение кредита: нптел
- Энергетический баланс в регенераторе
- Тепло, теряемое горячими дымовыми газами = тепло, получаемое сжатым воздухом
- Cp [T5 — Т6] = Cp [T3 — Т2]
- [T5 — Т6] = [T3 — Т2] ………. (1)
- Эффективность регенератора
- В идеальном случае e = 1
- T3 = T5
- С (1)
- T6 = T2
- Эффективность цикла Брайтона представлена как.
- Для идеального регенератора
- T3 = T5
- T6 = T2
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие.
- Процесс 4-5: Добавление тепла при постоянном давлении
- Для экв. (А)
Фактический цикл Брайтона
Изображение кредита: нптел
- Процесс 1-2a: неизэнтропическое сжатие
- Процесс 2a-3: Отвод тепла при постоянном давлении
- Процесс 3-4а: неизэнтропическое расширение
- Процесс 4a-1: добавление тепла при постоянном давлении
- Отклонение, связанное с учетом эффективности турбины и компрессора, можно оценить как
- Отношение идеальной работы к реальной работе турбины
- Отношение фактической работы к идеальной для компрессора
Процесс цикла Брайтона
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие
- Процесс 2-3: добавление тепла при постоянном давлении
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие.
- Где,
- r — степень сжатия = V1/V2
- rp является степенью давления = P2/P1
- re = Степень расширения = V4/V3
- Процесс 2-3: Подвод тепла при постоянном давлении рассчитывается как,
- Qin = м Сp[Т3-T2].
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение рассчитывается как
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении будет
- QR = м Сp[Т4-T1]
- Сделанная работа = Qin — QR.
Газовая турбина с циклом Брайтона
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие
- Процесс 2-3: добавление тепла при постоянном давлении
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении
Кредит изображения: Википедия
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие.
- Где,
- r — степень сжатия = V1/V2
- rp является степенью давления = P2/P1
- re = Степень расширения = V4/V3
- Процесс 2-3: Подвод тепла при постоянном давлении рассчитывается как,
- Qin = м Сp[Т3-T2].
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение рассчитывается как
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении будет
- QR = м Сp[Т4-T1]
- Сделанная работа = Qin — QR.
- Эффективность цикла Брайтона представлена как.
- Поскольку,
Применение цикла Брайтона
В реактивном двигателе применяется цикл Брайтона. Они прочные, легкие и могут обеспечивать высокую выходную мощность. Это зависит от высокой температуры и давления на выходе турбины, чтобы обеспечить силу тяги. Они также используются в вертолетах и военной технике.
Как повысить эффективность цикла Брайтона
- Увеличьте температуру на входе в турбину.: Согласно закону идеального газа, повышение температуры напрямую связано с повышением степени сжатия. Согласно уравнению идеальной эффективности Брайтона, он напрямую связан с коэффициентом давления. Таким образом повышается эффективность.
- Повышение эффективности турбины и компрессора: увеличение КПД турбины и компрессора приведет к меньшим механическим потерям, что повысит общий КПД.
- Модификации простого цикла Брайтона: Использование регенерации, промежуточного охлаждения, повторного нагрева или всего вместе взятого улучшит общую эффективность.
Открытый цикл Брайтона
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие или изэнтропическое сжатие окружающий воздух втягивается в компрессор.
- Процесс 2-3: Добавление тепла при постоянном давлении, тепло добавляется к сжатому воздуху, когда он проходит через камеру сгорания.
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение или изэнтропическое расширение; Нагретый сжатый воздух проходит через турбину.
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении, тепло отводится в окружающий воздух
Кредит изображения: Википедия
- Процесс 1-2: Обратимое адиабатическое сжатие.
- Где,
- r — степень сжатия = V1/V2
- rp является степенью давления = P2/P1
- re = Степень расширения = V4/V3
- Процесс 2-3: Подвод тепла при постоянном давлении рассчитывается как,
- Qin = м Сp[Т3-T2].
- Процесс 3-4: Обратимое адиабатическое расширение рассчитывается как
- Процесс 4-1: Отвод тепла при постоянном давлении будет
- QR = м Сp[Т4-T1]
- Сделанная работа = Qin — QR.
- Эффективность цикла Брайтона представлена как.
- Поскольку,
Проблемы цикла Брайтона и их решения | Цикл Брайтона с примером регенерации
Q.1) Найти мощность турбины, работающей по циклу Брайтона при минимальной температуре 300 К и максимальной температуре 1600 К. Степень сжатия 14: 1. Минимальное рабочее давление 100 кПа. Выходная мощность цикла 10 МВт. Оценить долю выходной мощности турбины, необходимой для привода компрессора, и тепловой КПД цикла?
- Решение: T1= 300 К, Т3= 1600 К, P2/P1= 14,
Q.2) Рассмотрим простой цикл Брайтона, имеющий степень сжатия 8 и максимальную температуру цикла 1400 К. Температура компрессора на входе составляет 300 К. КПД компрессора 80%. Считайте воздух идеальным газом, не обращая внимания на изменения кинетической и потенциальной энергии. Оцените мощность, требуемую компрессором, в кВт / кг.
T1= 300 К, Тл3 = 1400 К, η (изэнтропический) = 0.8, cp = 1.004 кДж / кг.к, = 1.4, P2 /P1 = 8
Q.3) Рассчитайте отношение теплового КПД простого цикла к КПД регенеративного цикла для простого цикла Брайтона и цикла газовой турбины с идеальной регенерацией. Степень давления постоянна и равна 6 для обоих циклов. В регенеративном цикле отношение минимальной температуры цикла к максимальной температуре цикла составляет 0.3. Предположим, что = 1.4.
Для простого цикла Брайтона
- Для идеальной регенерации
- Коэффициент эффективности циклов
- Знать о политропном процессе (нажмите сюда)и число Прандтля (Кликните сюда)
Последнее сообщение о машиностроении
О Хакимуддине Бавангаонвале
Я Хакимуддин Бавангаонвала, инженер-механик, имеющий опыт проектирования и разработки в области механики. Я получил степень магистра технических наук в области проектирования и 2.5 года исследовательского опыта.
К настоящему времени опубликованы две исследовательские работы по твердой токарной обработке и конечноэлементному анализу приспособлений для термообработки. Сфера моих интересов — проектирование машин, прочность материалов, теплопередача, теплотехника и т. Д.
Владею программным обеспечением CATIA и ANSYS для САПР и CAE. Помимо исследований.Подключитесь в LinkedIn — https://www.linkedin.com/in/hakimuddin-bawangaonwala
Цикл газотурбинных двигателей – цикл Брайтона
Данный цикл называется также циклом с подводом теплоты при постоянном давлении (рис. 6.2а и 6.2б).
От исходного состояния 1 рабочее тело сжимается в адиабатном процессе 1-2. Далее в изобарном процессе 2-3 к нему подводится извне теплота . Затем происходит адиабатное расширение рабочего тела в процессе 3-4 до давления р4, равного исходному давлению р1. Отвод теплоты происходит в замыкающем цикл изобарном процессе 4-1, в результате чего рабочее тело возвращается в исходное состояние 1.
 |
| Рис. 6.2. Цикл Брайтона |
- Для исследования цикла Брайтона необходимо задать:
- — род рабочего тела (k,R) и его параметры в исходной точке цикла 1;
- — степень повышения давления в адиабатном процессе сжатия и степень подогрева рабочего тела в цикле
- Определим температуру рабочего тела в характерных точках 2, 3 и 4 данного цикла. При этом для упрощения записей введём обозначение e = Тогда
- Определим подведённую и отведённую в цикле теплоту. Для изобарного процесса 2-3
- Для изобарного процесса 4-1 =
- Тогда термический КПД цикла Брайтона равен
- или
Отсюда видно, что значение термического КПД цикла Брайтона зависит от рода рабочего тела (k) и степени повышения давления в цикле p (рис. 6.3).
| Рис. 6.3 | Рис. 6.4 |
Увеличение p является одним из основных средств повышения и, следовательно, экономичности тепловых машин, работающих по циклу Брайтона.
Практически все современные воздушно-реактивные и газотурбинные двигатели работают по циклу Брайтона. У авиационных двигателей значение p в наземных условиях достигает 25…30, а в полёте и того более.
Найдём выражение для работы цикла
.
Как видно, работа цикла зависит от рода рабочего тела (k, R), его начальной температуры , степени повышения давления и степени подогрева рабочего тела в цикле. С ростом , и работа цикла растёт.
Работа цикла обращается в нуль при двух значениях , соответствующих e = 1 и e = (рис. 6.4). Следовательно, между этими крайними значениями p имеется некоторое оптимальное значение , при которой работа цикла максимальна. Для определения продифференцируем формулу (6.6) по e и приравняем производную нулю: = 0.
Отсюда получим = или =
Как видно, для данного рабочего тела величина в идеальном цикле Брайтона зависит только от степени подогрева . С увеличением увеличивается и значение l и .
Следует отметить, что при термический КПД цикла не достигает максимального значения. В области значений > он продолжает увеличиваться с ростом p, но величина работы цикла при этом будет уменьшаться и достигнет нулевого значения при =
При работа цикла при увеличении Δ линейно возрастает.
Рассмотренный цикл Брайтона реализуется в ряде типов существующих двигателей. В авиации это турбореактивные (рис. 6.5) и турбовинтовые двигатели (рис. 6.
6), а также вертолётные газотурбинные двигатели (рис. 6.7).
Цикл Брайтона применяется, кроме того, в турбостартёрах и в газотурбинных установках (ГТУ), используемых как вспомогательные силовые установки на тяжёлых самолётах различного назначения.
| Рис. 6.5. Схема ТРДД | Рис. 6.6. Схема ТВД | Рис. 6.7. Схема ТВаД |
Применительно к ТРД (рис. 6.5) идеальный цикл Брайтона протекает следующим образом. Рабочее тело (воздух) поступает в двигатель из атмосферы через входное устройство. Адиабатный процесс сжатия воздуха 1-2 (рис. 6.2) происходит во входном устройстве и в компрессоре.
С ростом скорости полёта повышение давления во входном устройстве становится всё более значительным, и параметры воздуха на входе в компрессор значительно отличаются от атмосферных параметров (точка в на рис. 6.2).
В камере сгорания при постоянном давлении происходит сгорание топлива (процесс 2-3) и к воздуху подводится теплота . Продукты сгорания (газ) с параметрами p , T поступают в газовую турбину, которая служит для привода компрессора.
Адиабатное расширение газа (процесс 3-4) происходит в турбине и сопле. Состояние газа за турбиной изображено на рис. 6.2 точкой Т. При расширении в турбине часть энергии газа преобразуется в работу на валу турбины, которая передаётся компрессору.
При расширении в сопле происходит разгон потока и он в виде газовой струи с большой скоростью вытекает в атмосферу. Изобарный процесс 4-1 соответствует охлаждению в окружающей атмосфере горячих продуктов сгорания, вытекающих из двигателя, с отводом теплоты
Вертолётные ГТД (рис. 6.6) и ТВД (рис. 6.7) используются на летательных аппаратах, предназначенных для полета с дозвуковой скоростью. Поэтому повышение давления во входных устройствах этих двигателей практически не происходит, и сжатие воздуха осуществляется только в компрессоре.
У этих двигателей только часть работы турбины затрачивается на привод компрессора. Значительная часть её передаётся через редуктор на воздушный винт.
Поэтому у ТВД и вертолётных ГТД процесс расширения продуктов сгорания происходит в турбине практически до атмосферного давления и через выходное устройство они отводятся в атмосферу.
Braytonmotor – Wikipedia
Двигатель Брайтона 1875 г.
Цикл Брайтона двигатель , известный на английском языке в качестве Ready двигателя Брайтона в является двигателем внутреннего сгорания , в соответствии с одним из цикла Брайтона рабочего приближенного метода. Двигатель Брайтона назван в честь Джорджа Брайтона и изобретен им . Двигатели Брайтона спроектированы как поршневые двигатели с возвратно-поступательным движением и требуют по крайней мере двух цилиндров, поскольку по крайней мере один цилиндр всегда служит цилиндром сгорания, а по крайней мере один цилиндр — цилиндром расширения.
история
Брайтон подал заявку на патент на двигатель Брайтона в 1872 году. Первоначально двигатель Брайтона был газовым двигателем; его эффективность лучше, чем у двигателя Hugon , но хуже, чем у классического двигателя Отто .
В 1874 году Брайтон получил патент на систему впрыска топлива для сжигания жидкого топлива, такого как сырая нефть и нефть. С 1876 года Брайтон продавал двигатель на коммерческой основе; В 1878 году он выставил его на выставке в Париже.
Однако двигатель Брайтона никогда не играл важной роли в конструкции двигателя из-за его низкой эффективности.
Только воздушный впрыск топлива, которое использовалось, смог найти определенное распределение в конструкции дизельного двигателя, поскольку дизель, в отсутствие собственного решения для системы впрыска, использовал впрыск воздуха, аналогичный впрыску воздуха Брайтона, но со значительным более высокое давление.
- US125166, газовый двигатель с цилиндром одностороннего действия
- US151468, двигатель с цилиндром одностороннего действия для жидкого топлива
функциональность
В двигателе Brayton имеется тандемный цилиндр расширения и цилиндр сжатия, а также отдельный бак для смеси. Цилиндр расширения имеет рабочий объем примерно вдвое больше, чем цилиндр сжатия (увеличенное отверстие). Поршни одностороннего действия обоих цилиндров соединены штоком поршня и действуют на кривошип.
Двигатель Brayton имеет искровое зажигание и управление клапанами, каждый цилиндр имеет один впускной и один выпускной клапаны; За исключением выпускного клапана цилиндра сжатия, который управляется избыточным давлением, все клапаны представляют собой тарельчатые клапаны с коническим седлом и управляются с помощью кулачков и коромысел.
Такт выпуска цилиндра расширения является одновременно тактом впуска в цилиндре сжатия, а рабочий ход в цилиндре расширения является тактом сжатия в цилиндре сжатия. Во время рабочего цикла заряд, состоящий из топлива и воздуха, всасывается в цилиндр сжатия, сжимается и хранится в отдельном смесительном котле.
Давление в этом сосуде примерно на 60–80 фунтов силы · дюйм −2 выше атмосферного давления (5–6,5 ат ). В верхней мертвой точке расширительного поршня смесь подается из смесительного котла в расширительный цилиндр через управляемый клапан, воспламеняется и расширяется, в то время как поршень перемещается в нижнюю мертвую точку.
Затем поршень, снова поднимаясь, выталкивает выхлопные газы в выхлоп.
Система зажигания двигателя Брайтона представляет собой постоянно горящее пламя. Для этого рядом с впускным клапаном устанавливается байпас, в который вставляются мелкоперфорированные латунные пластины с металлическим ситом.
Этот байпас позволяет топливу непрерывно поступать в камеру сгорания, не проходя через впускной клапан. Для запуска двигателя вытягивают заглушку и поджигают горючее на металлическом сите. То, что через байпас всегда течет топливо, означает, что пламя в камере сгорания не гаснет.
Когда впускной клапан открывается, большое количество смеси топлива и воздуха попадает в расширительный цилиндр, который воспламеняется пламенем.
Металлические пластины в байпасе предназначены для предотвращения попадания пламени обратно в котел-смеситель и неконтролируемого воспламенения смеси, что может привести к выходу из строя двигателя.
Чтобы избежать проблемы взрыва смесительного котла, Брайтон перевел двигатель на работу на бензине. Для этого он подключил к байпасу нефтяной насос, который перекачивает необходимое количество нефти на металлическое сито.
В смесительном котле теперь сжимается только воздух, который из-за изменения фаз газораспределения в основном проталкивается через металлическое сито и, таким образом, захватывает и тонко распыляет керосин, так что он может гореть в расширительном цилиндре.
Сильное образование сажи в пространстве цилиндра, из-за которого требовалась регулярная чистка, оказалось недостатком.
Технические данные (по данным профессора Терстона, 1873 г.)
Двигатель Brayton на заводе Clerk
| 8 дюйм | 203,2 мм |
| 180 фут мин -1 | 91,5 см с −1 |
| 33 фунт-силы · дюйм −2 | 0,2275 МПа |
| 5 л.с. | 3730 Вт. |
| 8,62 л.с. | 6430 Вт. |
| 3986 л.с. | 2970 Вт |
| 69,3 фута 3 л.с. −1 ч −1 | 2,64 м 3 кВт −1 ч −1 |
Сми на wikimedia commons
Commons : движок Brayton — коллекция изображений, видео и аудио файлов.
литература
- Dugald Clerk: Газовый, бензиновый и нефтяной двигатель , том 1, новое и исправленное издание, Longmans, Green & Co, Лондон, 1910, стр. 20-29.
- Колин Р. Фергюсон, Аллан Т. Киркпатрик: Двигатели внутреннего сгорания: прикладные термические науки , 3-е издание, John Wiley & Sons, 2015, ISBN 978-1-118-53331-4 , стр. 4
- Засс, Фридрих: История немецкого строительства двигателя внутреннего сгорания с 1860 по 1918 год , Springer, Berlin / Heidelberg 1962, ISBN 978-3-662-11843-6 , стр. 413-415
- Хельмут Дроша, в MAN Nutzfahrzeuge AG (Hrsg.): Достижения и путь: Из истории строительства коммерческих автомобилей MAN, Шпрингер, Берлин / Гейдельберг, 1991, ISBN 978-3-642-93490-2 . С. 417.
- ↑ Площадь поршня указана в источнике, она составляет 50,26 кв. Дюйм. Следующий расчет дает диаметр отверстия: 2 × ((50,26 / π) ^ 0,5)
Цикл Брайтона: процесс, эффективность, применения, упражнения
Цикл Брайтона: процесс, эффективность, применения, упражнения — Наука
Содержание:
В Цикл Брайтона представляет собой термодинамический цикл, состоящий из четырех процессов, и применяется к сжимаемой термодинамической жидкости, такой как газ. Первое упоминание о нем датируется концом 18 века, хотя прошло некоторое время до того, как его впервые поднял Джеймс Джоуль. Вот почему он также известен как цикл Джоуля.
Он состоит из следующих стадий, которые удобно проиллюстрированы на диаграмме давление-объем на рисунке 1: адиабатическое сжатие (без теплообмена), изобарическое расширение (происходит при постоянном давлении), адиабатическое расширение (без теплообмена) и изобарическое сжатие. (происходит при постоянном давлении).
Процесс и описание
Цикл Брайтона — это идеальный термодинамический цикл, который лучше всего применять для объяснения термодинамической работы газовых турбин и топливовоздушной смеси, используемой для производства электроэнергии и в авиационных двигателях.
Например, в работе турбины есть несколько ступеней рабочего газового потока, которые мы увидим ниже.
Прием
Он состоит из входа воздуха с температурой и давлением окружающей среды через входное отверстие турбины.
Сжатие
Воздух сжимается за счет вращения лопастей относительно неподвижных лопаток в компрессорной части турбины. Это сжатие настолько быстрое, что практически отсутствует теплообмен, поэтому оно моделируется адиабатическим процессом AB цикла Брайтона. Воздух, выходящий из компрессора, повысил давление и температуру.
Горение
Воздух смешивается с пропаном или пылевидным топливом, которое вводится через форсунки камеры сгорания. Смесь вызывает химическую реакцию горения.
Эта реакция дает тепло, которое увеличивает температуру и кинетическую энергию частиц газа, которые расширяются в камере сгорания при постоянном давлении. В цикле Брайтона этот этап моделируется процессом BC, который происходит при постоянном давлении.
Расширение
В секции самой турбины воздух продолжает расширяться относительно лопаток турбины, заставляя ее вращаться и производить механическую работу. На этом этапе температура воздуха понижается, но практически без обмена теплом с окружающей средой.
В цикле Брайтона этот этап моделируется как процесс адиабатического расширения CD. Часть работы турбины передается компрессору, а другая используется для привода генератора или воздушного винта.
Побег
Выходящий воздух находится под постоянным давлением, равным давлению окружающей среды, и передает тепло огромной массе внешнего воздуха, поэтому за короткое время он приобретает ту же температуру, что и входящий воздух. В цикле Брайтона этот этап моделируется процессом DA с постоянным давлением, замыкая термодинамический цикл.
Мы предлагаем рассчитать эффективность цикла Брайтона, для чего начнем с его определения.
В тепловом двигателе эффективность определяется как чистая работа, выполненная машиной, деленная на поданную тепловую энергию.
Первый принцип термодинамики гласит, что чистое тепло, выделяемое газу в термодинамическом процессе, равно изменению внутренней энергии газа плюс работа, совершаемая им.
Но в полном цикле изменение внутренней энергии равно нулю, поэтому полезное тепло, вложенное в цикл, равно чистой проделанной работе.
Входящее тепло, исходящее тепло и эффективность
Предыдущее выражение позволяет нам записать эффективность как функцию поглощенного или поступающего тепла Qe (положительное) и переданного или исходящего тепла Qs (отрицательное).
Тепло и давление в цикле Брайтона
В цикле Брайтона тепло входит в изобарический процесс BC и выходит в изобарическом процессе DA.
Если предположить, что n моль газа при постоянном давлении получают физическое тепло Qe в процессе BC, то его температура увеличивается с Tb до Tc в соответствии со следующим соотношением:
Исходящее тепло Qs можно аналогичным образом рассчитать по следующей зависимости, которая применяется к процессу постоянного давления DA:
Подставляя эти выражения в выражение, которое дает нам КПД как функцию от входящего и выходящего тепла, делая соответствующие упрощения, получается следующее соотношение для КПД:
Упрощенный результат
Упростить предыдущий результат можно, если учесть, что Pa = Pd и это Pb = Pc поскольку процессы AD и BC изобарические, то есть при одинаковом давлении.
Кроме того, поскольку процессы AB и CD являются адиабатическими, коэффициент Пуассона выполняется для обоих процессов:
- куда гамма представляет собой адиабатический коэффициент, то есть отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.
- Используя эти соотношения и соотношение из уравнения состояния идеального газа, мы можем получить альтернативное выражение для коэффициента Пуассона:
- Откуда мы это знаем Pa = Pd и это Pb = Pc заменяя и разделяя элемент на элемент, получается следующее соотношение между температурами:
- Если каждый член предыдущего уравнения вычтен на единицу, разница решена и члены упорядочены, можно показать, что:
Производительность как функция степени давления
Выражение, полученное для КПД цикла Брайтона в зависимости от температур, можно переписать и сформулировать как функцию отношения давлений на выходе и входе компрессора.
Это достигается, если коэффициент Пуассона между точками A и B известен как функция давления и температуры, при этом эффективность цикла выражается следующим образом:
Типичная степень сжатия составляет 8. В этом случае цикл Брайтона дает теоретический выход 45%.
Приложения
- Цикл Брайтона в качестве модели применяется к газовым турбинам, которые используются в термоэлектрических установках для приведения в действие генераторов, вырабатывающих электричество.
- Это также теоретическая модель, которая хорошо подходит для работы турбовинтовых двигателей, используемых в самолетах, но совершенно неприменима в самолетных турбореактивных двигателях.
- Когда важно максимизировать работу, производимую турбиной для перемещения генераторов или пропеллеров самолета, применяется цикл Брайтона.
- С другой стороны, в турбореактивных двигателях самолетов нет никакого интереса в преобразовании кинетической энергии дымовых газов для создания работы, которая была бы как раз необходимой для перезарядки турбокомпрессора.
- Напротив, интересно получить максимально возможную кинетическую энергию выбрасываемого газа, чтобы в соответствии с принципом действия и реакции был получен импульс летательного аппарата.
Решенные упражнения
-Упражнение 1
Газовая турбина, используемая на ТЭЦ, имеет давление на выходе из компрессора 800 кПа. Температура поступающего газа соответствует температуре окружающей среды и составляет 25 градусов Цельсия, а давление составляет 100 кПа.
В камере сгорания температура повышается до 1027 по Цельсию, чтобы попасть в турбину.
Определите КПД цикла, температуру газа на выходе из компрессора и температуру газа на выходе из турбины.
Решение
- Поскольку у нас есть давление газа на выходе из компрессора, и мы знаем, что давление на входе равно атмосферному, то можно получить соотношение давлений:
- r = Pb / Па = 800 кПа / 100 кПа = 8
- Поскольку газ, с которым работает турбина, представляет собой смесь воздуха и пропана, тогда применяется адиабатический коэффициент для двухатомного идеального газа, то есть гамма 1,4.
- Тогда эффективность будет рассчитываться следующим образом:
- Где мы применили соотношение, которое дает КПД цикла Брайтона как функцию от степени давления в компрессоре.
Расчет температуры
Чтобы определить температуру на выходе из компрессора или то, что совпадает с температурой, с которой газ поступает в камеру сгорания, мы применяем соотношение эффективности с температурами на входе и выходе компрессора.
Если мы решим для температуры Tb из этого выражения, мы получим:
В качестве данных для упражнения мы имеем, что после сгорания температура повышается до 1027 по Цельсию, чтобы войти в турбину. Часть тепловой энергии газа используется для привода турбины, поэтому температура на его выходе должна быть ниже.
- Для расчета температуры на выходе из турбины мы будем использовать полученную ранее зависимость между температурами:
- Отсюда мы решаем для Td, чтобы получить температуру на выходе из турбины. После проведения расчетов полученная температура составляет:
- Td = 143,05 по Цельсию.
-Упражнение 2.
Газовая турбина следует циклу Брайтона. Перепад давлений на входе и выходе компрессора составляет 12.
Предположим, что температура окружающей среды составляет 300 К. В качестве дополнительных данных известно, что температура газа после сгорания (до входа в турбину) составляет 1000 К.
Определите температуру на выходе из компрессора и температуру на выходе из турбины. Также определите, сколько килограммов газа циркулирует через турбину в секунду, зная, что ее мощность составляет 30 кВт.
Примите удельную теплоемкость газа постоянной и возьмите ее значение при комнатной температуре: Cp = 1,0035 Дж / (кг · К).
Также предположим, что эффективность сжатия в компрессоре и эффективность декомпрессии в турбине составляет 100%, что является идеализацией, поскольку на практике потери всегда происходят.
Решение
- Чтобы определить температуру на выходе из компрессора, зная температуру на входе, мы должны помнить, что это адиабатическое сжатие, поэтому коэффициент Пуассона можно применить для процесса AB.
- Для любого термодинамического цикла чистая работа всегда будет равна чистому теплообмену в цикле.
- Затем чистая работа за рабочий цикл может быть выражена как функция массы газа, циркулирующего в этом цикле, и температуры.
- В этом выражении м — масса газа, который циркулировал через турбину за один рабочий цикл, и Cp удельная теплоемкость.
- Если мы возьмем производную по времени из предыдущего выражения, мы получим чистую среднюю мощность как функцию массового расхода.
- Клиринг точка m, и подставив температуры, мощность и теплоемкость газа, мы получим массовый расход 1578,4 кг / с.
Ссылки
- Альфаро Дж. Термодинамические циклы. Получено с: fis.puc.cl.
- Фернандес Дж. Ф. Цикл Брайтона. Газовая турбина. U.T.N. (Мендоса). Получено с: edutecne.utn.edu.ar.
- Севильский университет. Физический факультет. Цикл Брайтона. Получено с: laplace.us.es.
- Национальный экспериментальный университет Тачира. Транспортные явления. Газовые энергетические циклы. Получено с: unet.edu.ve.
- Википедия. Цикл Брайтона. Получено с: wikiwand.com
- Википедия. Газовая турбина. Получено с: wikiwand.com.
Загрузка...
