Цикл Брейтона | Как работает цикл Брейтона? | Механическое усиление

Газовые турбины и тепловые двигатели используются во всем мире в различных отраслях промышленности. Газовая турбина — это самый эффективный тип турбины. Газовая турбина и некоторые тепловые двигатели работают по циклу Брейтона. В предыдущей статье мы обсудили работу и типы газовых турбин. Поэтому в этой статье мы обсудим различные аспекты цикла Брейтона.

Что такое цикл Брейтона?

Цикл Брейтона — это термодинамический цикл, который объясняет работу теплового двигателя с постоянным давлением.

Цикл Брейтона описывает, как тепловой двигатель извлекает энергию из протекающего топлива и воздуха для производства полезной работы, которая в дальнейшем используется для привода транспортного средства, обеспечивая ему тягу. Этот цикл также называют циклом Джоуля. Обратный цикл Джоуля имеет внешний источник тепла в сочетании с регенератором.

Инженер Джордж Брейтон (1830-1892) первоначально разработал цикл Брейтона для использования его в поршневом двигателе. Он известен как цикл Брейтона из-за фамилии его изобретателя.

Оригинальный двигатель Брейтона имеет поршневой компрессор и поршневой расширитель. В новейших реактивных и газотурбинных двигателях цикл Брейтона также модифицирован.

1. Расширительная турбина
2. Камера сгорания
3. Газовый компрессор

В общих чертах цикл Брейтона описывает принцип работы теплового двигателя постоянного давления.

Этот цикл является одним из наиболее распространенных тепловых циклов, используемых в самолетах или газотурбинных электростанциях. Цикл Брейтона не является изотермическим процессом, как цикл Карно. Причина в том, что изотермический процесс протекает очень медленно.

Согласно принципу Карно, обратимые двигатели (двигатели Карно), работающие между одним и тем же горячим и холодным резервуаром, имеют самый высокий КПД. Поэтому КПД газовых турбин, работающих по циклу Брейтона, ниже, чем КПД теплового двигателя Карно.

1. Два изэнтропических процесса (обратимо адиабатические)
2. Два изэнтропических процесса.

Работа цикла Брейтона

Ниже приводится объяснение работы цикла Брейтона с помощью PV-диаграммы. Идеальный цикл Брейтона завершает рабочий цикл за следующие четыре стадии:

• Изэнтропическое сжатие : Сначала газ засасывается из атмосферы в камеру сгорания двигателя. По мере всасывания рабочего газа (например, гелия) компрессор сжимает его таким образом, чтобы не происходило изменения тепла. В результате процесса сжатия температура и давление газа становятся очень высокими, но уменьшается его объем. Этот процесс также известен как обратимый адиабатический процесс, поскольку в нем не происходит теплообмена.

• Изобарическое сложение тепла (линии 2 — 3): По завершении процесса изоэнтропического сжатия сжатый газ передается в камеру сгорания, где с помощью внешнего источника рабочему газу передается тепло. За счет тепловой добавки сжатый газ воспламеняется, и этот процесс воспламенения еще больше добавляет тепла к газу. Во время всего этого процесса энтальпия рабочего газа увеличивается, но его давление остается постоянным. Чистая теплота, переданная газу, равна:

• Изэнтропическое расширение (линия 3 — 4): На этом этапе нагретый сжатый газ поступает в зону турбины, где он расширяется. По мере расширения газа его давление и температура уменьшаются, но энтропия остается прежней. В этом процессе газ работает на турбину и вращает лопатки турбины. Эти лопасти вращают коленчатый вал, который далее приводит в движение колеса автомобиля.
• Изобарическое отведение тепла (линия 4 — 1) : В процессе изобарического отведения тепла неиспользованное тепло газа отводится через теплообменник, вследствие чего температура газа снижается, но давление остается неизменным. Чистое отводимое тепло составляет:

Q _re = H ₄ — H ₁

Тепловая эффективность цикла Брейтона

Чистая работа на выходе (W), деленная на подведенное тепло при высокой температуре (Q_H) известно как термический КПД теплового двигателя.

Для расчета КПД цикла Брейтона сначала нужно найти, сколько работы совершается в общей внутренней энергии.

Внутренняя энергия = U= -w+q1+q2 =0

Согласно 1-му закону термодинамики, во время термодинамического цикла не выделяется и не уничтожается тепло. Поэтому в цикле Брейтона:

Подставьте U = 0 в вышеприведенное уравнение, и получится окончательное уравнение:

В приведенном выше уравнении:

q1 = Тепло, полученное в процессе сгорания топлива

q2 = Высвобожденное тепло после расширения

q1 можно найти, рассматривая газ как идеальный газ с постоянной удельной теплоемкостью (cp):

В приведенном выше уравнении:

TF = конечная температура камеры сгорания

TI = начальная температура камеры сгорания.

Согласно PV-диаграмме, мы можем заменить TF на T4 и TI на T3, и окончательное уравнение для q1 будет иметь вид

Получив q1 и q2, мы можем легко найти термический КПД цикла Брейтона, который приведен ниже:

Как повысить эффективность цикла Брейтона?

Эффективность цикла Брейтона может быть улучшена следующими способами:

1. Увеличение коэффициента давления
2. Регенерация
3. Многоступенчатое сжатие с интеркулером
4. Повысить температуру всасывания турбины
5. Повышение эффективности турбины и компрессора

1) Увеличение коэффициента давления: —

Эффективность цикла Брейтона может быть улучшена путем увеличения коэффициента давления. В случае цикла Отто можно заметить, что эффективность может быть улучшена за счет увеличения степени сжатия. Однако увеличение степени сжатия имеет практические ограничения.

Во-первых, при увеличении степени сжатия повышается температура выхлопных газов компрессора. Это может привести к тому, что температура газа, выходящего из камеры сгорания, превысит металлургические пределы турбины.

Диаметр лопаток компрессора также постепенно уменьшается на стадии высокого давления. Вследствие этого увеличивается величина зазора между лопатками двигателя и турбины. Этот процесс снижает эффективность компрессора, увеличивает коэффициент давления и повышает эффективность цикла.

2) Регенерация: -.

Если коэффициент давления цикла Брейтона низкий, а камера сгорания имеет высокую температуру, то выхлопные газы (после последней фазы турбины) могут быть горячее, чем сжатый впускной газ (в конце фазы сжатия, но перед горелкой).

В таких условиях теплообменник (процесс регенерации) может использоваться для передачи тепловой энергии от выхлопных газов к уже сжатому газу перед его поступлением в горелку. Переданная тепловая энергия эффективно используется повторно, что повышает эффективность. Однако этот тип процесса регенерации тепла достижим только тогда, когда двигатель изначально работает в неэффективном режиме с низким коэффициентом давления.

3) Система когенерации: —

Система когенерации позволяет утилизировать отработанное тепло двигателя Брейтона и обычно используется для отопления помещений или нагрева воды.

4) Повышение температуры на входе в турбину: — При повышении температуры давление в турбине увеличивается.

При увеличении температуры давление рабочей среды также увеличивается (в соответствии с законом идеального газа).

При увеличении давления КПД также увеличивается в соответствии с уравнением идеального КПД Брейтона. Ограничения по верхней температуре связаны с характеристиками материала лопаток турбины.

5) Повышение эффективности компрессора и турбины: -.

Повышение эффективности турбины и компрессора также повышает эффективность цикла. Повышение эффективности турбины и компрессора может быть достигнуто за счет улучшения аэродинамического моделирования.

6) Многоступенчатое сжатие с интеркулером: -.

Для сжатия необходимо небольшое количество работы, чтобы поддерживать почти постоянную температуру. Этого можно достичь с помощью многоступенчатого сжатия и промежуточного охладителя между блоками.

Типы циклов Брейтона

Цикл Брейтона имеет следующие три типа:

1. Закрытый цикл Брейтона
2. Открытый цикл Брейтона
3. Обратимый цикл Брейтона

1) Открытый цикл Брейтона

Цикл Брейтона, в котором отработанный газ непосредственно выбрасывается в окружающую среду, называется открытым циклом Брейтона.

Открытый цикл Брейтона

На электростанциях в газовых турбинах внутреннего сгорания используется открытый цикл Брейтона. Этот цикл работает следующим образом:

• Процесс сжатия (линии А — В): Компрессор всасывает свежий воздух из атмосферы и сжимает его до высокого давления и температуры (состояние B). После сжатия компрессор передает сжатый воздух в камеру сгорания для процесса сгорания.
• Процесс сгорания (от B до C): Топливная форсунка впрыскивает топливо и смешивает его со сжатым воздухом в конце процесса сжатия. Эта топливовоздушная смесь поступает в камеру сгорания, и к сжатой смеси подводится тепло через внешний источник тепла. В результате подвода тепла температура смеси становится очень высокой, и она воспламеняется.

• Фаза турбины (C — D): Вследствие воспламенения топливовоздушной смеси давление топливовоздушной смеси становится очень высоким, и эта сила давления толкает лопатки турбины, в результате чего начинает вырабатываться энергия. Поэтому этот этап также известен как «этап мощности».
• Процесс выхлопа: На этом этапе бесполезные газы покидают турбину, и турбина выбрасывает их в атмосферу.

2) Закрытый цикл Брейтона

Цикл Брейтона, в котором выхлопные газы не выбрасываются в атмосферу после прохождения через турбину и повторного введения в компрессор, известен как замкнутый цикл Брейтона.

В этом цикле для отвода неиспользованного тепла используется теплообменник. Он используется в высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах и газовых турбинах замкнутого цикла.

Замкнутый цикл Брейтона

1. Сжатие: Газ (например, гелий) вводится в компрессор, который сжимает его в соответствии с требованиями и направляет в горелку (или камеру сгорания). Во время этого процесса энтальпия системы остается неизменной, в то время как давление и температура увеличиваются.
2. Сгорание: на этом этапе источник тепла подводит тепло к сжатому газу и повышает его температуру, в результате чего газ начинает воспламеняться.
3. Энергетический процесс: Вследствие процесса воспламенения давление и температура сжатого газа становятся очень высокими. Сила высокого давления воспламененного сжатого газа толкает лопатки турбины, вращая коленчатый вал и вырабатывая энергию для движения автомобиля. На этом этапе газ расширяется, и его давление снижается,
4. Выхлопная секция: После выхода через турбину газ поступает в теплообменник, который фильтрует нагретый газ и выбрасывает неиспользованное тепло в атмосферу. Однако газ снова поступает в компрессор, и весь процесс повторяется снова (как показано на приведенной ниже схеме).

3) Обратный цикл Брейтона

Обратный цикл Брейтона работает по обратному пути. Он также известен как холодильный цикл Брейтона. Основная цель этого цикла — передача тепла от холодного резервуара к горячему резервуару вместо производства работы.

Обратный цикл Брейтона

Согласно 2-му закону термодинамики, тепло не может свободно перетекать из холодного тела в горячее без внешнего воздействия на тело. Это означает, что если на тело или систему действует внешняя сила, то тепло может перетекать от холодного тела к горячей системе. Тепловые насосы и холодильники работают по одному и тому же принципу. Эти системы получают энергию от электродвигателя, которому для функционирования необходима работа от окружающей среды.

Одним из возможных циклов является обратный цикл Брейтона, который работает так же, как и обычный цикл Брейтона, но в обратном направлении за счет чистой входной работы. Поэтому его также называют циклом Бел Колемана или газовым холодильным циклом.

Этот цикл обычно используется в реактивных самолетах для кондиционирования воздуха, использующего воздух из компрессора двигателя. Этот цикл также широко используется в промышленности СПГ, где более крупный обратный цикл Брейтона переохлаждает СПГ, истощая 86 МВт из азотного хладагента и компрессора, работающего на газовой турбине.