Цикл Брайтона

Термодинамический цикл

Цикл Брайтона - это термодинамический цикл названный в честь Джорджа Брайтона, который описывает работу теплового двигателя постоянного давления. В исходных двигателях Брайтона использовались поршневой компрессор и поршневой детандер, но более современные газотурбинные двигатели и воздушно-реактивные двигатели также следуют циклу Брайтона. Хотя цикл обычно выполняется как открытая система (и, действительно, должен выполняться как таковой, если используется внутреннее сгорание ), для целей термодинамического анализ того, что выхлопные газы повторно используются на впуске, что позволяет проводить анализ как замкнутую систему.

Цикл двигателя назван в честь Джорджа Брайтона (1830–1892), американского инженера, который первоначально разработал его для использования в поршневых двигателях, хотя изначально он был предложен и запатентован англичанином Джоном Барбером в 1791 году. Его также иногда называют циклом Джоуля. Обратный цикл Джоуля использует внешний источник тепла и включает использование регенератора. Один тип цикла Брайтона открыт для атмосферы и использует внутреннюю камеру сгорания ; а другой тип закрыт и использует теплообменник.

• 1 История
• 2 Ранняя история газовой турбины
• 3 Модели
• 4 Методы увеличения мощности
• 5 Методы повышения эффективности
• 6 Варианты
  • 6.1 Замкнутый цикл Брайтона
  • 6.2 Солнечный цикл Брайтона
  • 6.3 Обратный цикл Брайтона
  • 6.4 Инвертированный цикл Брайтона
• 7 См. Также
• 8 Ссылки
• 9 Внешние ссылки

Газовый двигатель Брайтона 1872 Двигатель с шагающей балкой Brayton 1872 Двигатель Brayton 1875 Двигатель постоянного давления двойного действия Brayton отключен 1877 Четырехтактный двигатель Brayton 1889 Четырехтактный двигатель Brayton 1890

В 1872 году Джордж Брайтон подал заявку на патент на свой «Готовый двигатель» - поршневой двигатель постоянного давления. Двигатель был двухтактным и выдавал мощность на каждом обороте. В двигателях Brayton использовались отдельный поршневой компрессор и поршневой детандер, при этом сжатый воздух, нагретый внутренним огнем, входил в цилиндр детандера. Первыми версиями двигателя Брайтона были паровые двигатели, в которых топливо смешивалось с воздухом, когда он поступал в компрессор, с помощью карбюратора с нагретой поверхностью. Топливо / воздух находились в резервуаре / баке, а затем поступали в расширительный цилиндр и сжигались. Когда топливно-воздушная смесь поступала в расширительный цилиндр, она зажигалась пилотным пламенем. Экран использовался для предотвращения попадания огня в резервуар или его возврата. В ранних версиях движка этот экран иногда выходил из строя, и происходил взрыв. В 1874 году Брайтон решил проблему взрыва, добавив топливо непосредственно перед расширительным цилиндром. В двигателе теперь использовались более тяжелые виды топлива, такие как керосин и мазут. Зажигание оставалось пилотным пламенем. Брайтон производил и продавал «Ready Motors» для выполнения множества задач, таких как перекачка воды, работа мельницы, работа генераторов и судовые двигатели. «Готовые моторы» производились с 1872 года до примерно 1880-х годов; Вероятно, за это время было произведено несколько сотен таких двигателей. Брайтон передал лицензию на разработку Симоне в Великобритании. Было использовано множество вариаций макета; некоторые были одностороннего действия, некоторые - двойного действия. У некоторых были прогулочные балки; у других были верхние ходовые балки. Были построены как горизонтальные, так и вертикальные модели. Размеры варьировались от менее одной до более 40 лошадиных сил. Критики того времени утверждали, что двигатели работали без сбоев и имели разумный КПД.

Двигатели с циклом Брайтона были одними из первых двигателей внутреннего сгорания, использовавшихся в качестве движущей силы. В 1875 году Джон Холланд использовал двигатель Брайтона для привода первой в мире самоходной подводной лодки (катер №1 в Голландии). В 1879 году двигатель Брайтона был использован для питания второй подводной лодки, Fenian Ram. Подводные лодки Джона Филипа Холланда хранятся в Музее Патерсона в Историческом районе Олд Грейт-Фоллс в Патерсоне, Нью-Джерси.

Джордж Б. Селден за рулем автомобиля с двигателем Брайтона в 1905 г.

В 1878 г. Джордж Б. Селден запатентовал первый автомобиль внутреннего сгорания. Вдохновленный двигателем внутреннего сгорания, изобретенным Брайтоном, представившимся на Столетней выставке в Филадельфии в 1876 году, Селден запатентовал четырехколесный автомобиль, работающий над более компактной и легкой многоцилиндровой версией. Затем он подал серию поправок к своей заявке, которые растянули юридический процесс, в результате чего 5 ноября 1895 года патент был выдан с задержкой на 16 лет. В 1903 году Селден подал в суд на Ford за нарушение патентных прав и Генри Форда. боролся с патентом Селдена до 1911 года. Селден на самом деле никогда не производил работающий автомобиль, поэтому во время испытания две машины были сконструированы в соответствии с патентными чертежами. Форд утверждал, что в его автомобилях использовался четырехтактный цикл Альфонса Бо де Роша или цикл Отто, а не двигатель с циклом Брайтона, используемый в автомобиле Селдена. Форд выиграл апелляцию по первоначальному делу.

В 1887 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный масляный двигатель с непосредственным впрыском (патент США № 432 114 от 1890 года, заявка подана в 1887 году). В топливной системе использовался насос переменной производительности и впрыск жидкого топлива под высоким давлением. Жидкость продавливалась через подпружиненный предохранительный клапан (инжектор), в результате чего топливо делилось на мелкие капли. Впрыск должен происходить на пике такта сжатия или рядом с ним. Источником воспламенения служил платиновый воспламенитель. Брайтон описывает изобретение следующим образом: «Я обнаружил, что тяжелая нефть может быть механически преобразована в мелкодисперсное состояние в пределах горящей части цилиндра или в сообщающейся камере горения». Другая часть гласит: «Насколько мне известно, я впервые отрегулировал скорость, регулируя прямой выброс жидкого топлива в камеру сгорания или цилиндр в мелкодисперсное состояние, очень благоприятное для немедленного сгорания». Вероятно, это был первый двигатель, в котором использовалась система сжигания обедненной смеси для регулирования частоты вращения и мощности. Таким образом, двигатель запускался на каждом рабочем такте, а скорость и мощность регулировались исключительно количеством впрыскиваемого топлива.

В 1890 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный масляный двигатель с воздушным дутьем (патент США № 432 260). Топливная система подавала переменное количество испаренного топлива в центр цилиндра под давлением на пике такта сжатия или около него. Источником воспламенения служил воспламенитель из платиновой проволоки. ТНВД с регулируемым расходом подавал топливо в форсунку, где оно смешивалось с воздухом при входе в цилиндр. Источником воздуха служил небольшой компрессор с кривошипным приводом. Этот двигатель также использовал систему сжигания обедненной смеси.

Рудольф Дизель первоначально предложил цикл с очень высокой степенью сжатия и постоянной температурой, при котором теплота сжатия превышала бы теплоту сгорания, но после нескольких лет экспериментов он понял, что цикл постоянной температуры не будет работать в поршневой двигатель. Ранние дизельные двигатели используют систему воздушной продувки, которая была впервые предложена Брайтоном в 1890 году. Следовательно, эти ранние двигатели использовали цикл постоянного давления.

Так же, как паровые турбины были адаптацией паровых поршневых двигателей, газовые турбины были адаптация ранних поршневых двигателей постоянного давления.

• 1791 г. Первый патент на газовую турбину (Джон Барбер, Великобритания)
• 1904 г. Неудачный проект газовой турбины Франца Штольце в Берлине (первый осевой компрессор)
• 1906 GT производства Armengaud Lemale во Франции (центробежный компрессор, без полезной мощности)
• 1910 Первый GT с прерывистым сгоранием (Holzwarth, 150 кВт, постоянный объем сгорания)
• 1923 Первый выхлоп -газовый турбокомпрессор для увеличения мощности дизельных двигателей
• 1939 г. Первая в мире газовая турбина для выработки электроэнергии (компания Brown Boveri), Невшатель, Швейцария

(горелка велокс, аэродинамика от Stodola)

Двигатель типа Brayton состоит из трех компонентов: компрессора, смесительной камеры и детандера.

Современные двигатели Brayton почти всегда турбинного типа, хотя Брайтон производил только поршневые двигатели. В оригинальном двигателе Brayton 19-го века окружающий воздух втягивается в поршневой компрессор, где он сжимается ; в идеале изэнтропический процесс. Затем сжатый воздух проходит через смесительную камеру, в которую добавляется топливо - изобарный процесс. Затем сжатый воздух и топливная смесь воспламеняются в расширительном цилиндре, и высвобождается энергия, в результате чего нагретый воздух и продукты сгорания расширяются через поршень / цилиндр, что является еще одним идеально изоэнтропическим процессом. Часть работы, выполняемой поршнем / цилиндром, используется для приведения в действие компрессора через коленчатый вал.

Газовые турбины также являются двигателями Брайтона, состоящими из трех компонентов: газового компрессора, горелки (или камеры сгорания ) и турбодетандера.

Идеальный цикл Брайтона:

1. изоэнтропический процесс - окружающий воздух втягивается в компрессор, где он сжимается.
2. изобарический процесс - сжатый воздух затем проходит через камеру сгорания, где сгорает топливо, нагревая этот воздух - процесс с постоянным давлением, поскольку камера открыта для входа и выхода.
3. изоэнтропический процесс - нагретый сжатый воздух затем отдает свою энергию, расширяясь через турбину (или ряд турбин). Часть работы, извлекаемой турбиной, используется для привода компрессора.
4. изобарный процесс - отвод тепла (в атмосферу).

Фактический цикл Брайтона:

1. адиабатический процесс - сжатие
2. изобарный процесс - добавление тепла
3. адиабатический процесс - расширение
4. изобарный процесс - отвод тепла

Идеализированный цикл Брайтона, где P = давление, V = объем, T = температура, S = энтропия, и Q = тепло, добавляемое или отводимое системой.

Поскольку ни сжатие, ни расширение не могут быть действительно изоэнтропическими, потери через компрессор и детандер представляют собой источники неизбежной рабочей неэффективности. В общем, увеличение степени сжатия является наиболее прямым способом увеличения общей мощности выходной мощности системы Брайтона.

Эффективность идеального цикла Брайтона составляет $\eta \; =\; 1\; -\; T\; 1\; T\; 2\; =\; 1\; -\; (P\; 1\; P\; 2)\; (\gamma \; -\; 1)\; /\; \gamma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; eta\; =\; 1\; -\; \{\backslash \; frac\; \{T\_\; \{1\}\}\; \{T\_\; \{2\}\}\}\; =\; 1-\; \backslash \; left\; (\{\backslash \; frac\; \{P\_\; \{1\}\}\; \{P\_\; \{2\}\}\}\; \backslash \; right)\; ^\; \{(\backslash \; gamma\; -1)\; /\; \backslash \; gamma\}\}$, где $\gamma \; \{\backslash \; displaystyle\; \backslash \; gamma\}$- это коэффициент теплоемкости. На рисунке 1 показано, как изменяется КПД цикла с увеличением степени сжатия. На рис. 2 показано, как изменяется удельная выходная мощность с увеличением температуры на входе в газовую турбину для двух различных значений перепада давления.

• 

  Рисунок 1: КПД цикла Брайтона

• 

  Рисунок 2: Удельная выходная мощность цикла Брайтона

Наивысшая температура в цикле возникает в конце процесса сгорания, и она ограничена максимальной температурой, при которой лопатки турбины выдерживают. Это также ограничивает отношения давления, которые могут использоваться в цикле. При фиксированной температуре на входе в турбину полезный объем работы за цикл увеличивается с увеличением отношения давлений (следовательно, теплового КПД) и чистой выходной мощности. При меньшей производительности за цикл требуется больший массовый расход (следовательно, более крупная система) для поддержания той же выходной мощности, что может быть неэкономичным. В наиболее распространенных конструкциях степень сжатия газовой турбины находится в диапазоне примерно от 11 до 16.

Выходную мощность двигателя Брайтона можно улучшить следующим образом:

• Повторный нагрев, при котором рабочая жидкость - в большинстве случаев воздух - расширяется через ряд турбин, затем проходит через вторую камеру сгорания перед расширением до давления окружающей среды через последний набор турбин, имеет преимущество увеличения выходная мощность, возможная для данной степени сжатия без превышения каких-либо ограничений металлургических (обычно около 1000 ° C). Использование форсажной камеры для двигателей реактивных самолетов также может называться «повторным нагревом»; это другой процесс, в том, что подогревает воздух расширяется через сопло тяги, а не турбину. Металлургические ограничения несколько смягчаются, что позволяет значительно повысить температуру повторного нагрева (около 2000 ° C). Повторный нагрев чаще всего используется для увеличения удельной мощности (на пропускную способность воздуха) и обычно связан с падением эффективности; этот эффект особенно заметен в камерах дожигания из-за чрезмерного использования дополнительного топлива.
• При избыточном распылении после первой ступени компрессора вода впрыскивается в компрессор, таким образом увеличивая массовый расход внутри компрессора, увеличивая значительно снижает выходную мощность турбины и снижает температуру на выходе компрессора. На второй ступени компрессора вода полностью превращается в газообразную форму, обеспечивая некоторое промежуточное охлаждение за счет скрытой теплоты парообразования.

Эффективность двигателя Брайтона можно повысить за счет:

• Увеличение степени сжатия, как показано на Рисунке 1 выше, увеличение степени сжатия увеличивает эффективность цикла Брайтона. Это аналогично увеличению эффективности, наблюдаемому в цикле Отто, когда увеличивается степень сжатия. Однако, когда дело доходит до увеличения степени сжатия, возникают практические ограничения. Прежде всего, увеличение степени сжатия увеличивает температуру нагнетания компрессора. Это может привести к тому, что температура газов, выходящих из камеры сгорания, превысит металлургические пределы турбины. Кроме того, диаметр лопастей компрессора становится все меньше на ступенях более высокого давления компрессора. Поскольку зазор между лопатками и корпусом двигателя увеличивается в размере в процентах от высоты лопаток компрессора по мере уменьшения диаметра лопаток, больший процент сжатого воздуха может просачиваться обратно через лопатки на ступенях с более высоким давлением. Это вызывает падение эффективности компрессора и, скорее всего, произойдет в небольших газовых турбинах (поскольку лопатки изначально меньше по размеру). Наконец, как видно на Рисунке 1, КПД снижается по мере увеличения перепада давления. Следовательно, ожидается небольшой выигрыш от дальнейшего увеличения степени перепада давлений, если она уже находится на высоком уровне.
• Рекуператор - если цикл Брайтона работает при низком перепаде давления и высоком повышении температуры в камере сгорания, выхлопной газ (после последней ступени турбины) все еще может быть горячее, чем сжатый входящий газ (после последней ступени сжатия, но перед камерой сгорания). В этом случае теплообменник может использоваться для передачи тепловой энергии от выхлопных газов к уже сжатому газу, прежде чем он попадет в камеру сгорания. Передаваемая тепловая энергия эффективно повторно используется, что увеличивает эффективность. Однако такая форма рециркуляции тепла возможна только в том случае, если двигатель работает в режиме с низким КПД и, в первую очередь, с низким перепадом давления. Передача тепла от выхода (после последней турбины) к входу (до первой ступени компрессора) снизит эффективность, поскольку более горячий воздух на входе означает больший объем, а значит, больше работы для компрессора. Однако для двигателей с жидким криогенным топливом, а именно водородом, было бы целесообразно использовать топливо для охлаждения всасываемого воздуха перед сжатием для повышения эффективности. Эта концепция широко изучена для двигателя SABRE.
• Двигатель Брайтона также составляет половину системы комбинированного цикла, которая сочетается с двигателем Ранкина для дальнейшего повышения общей эффективности. Однако, хотя это увеличивает общую эффективность, на самом деле это не увеличивает эффективность самого цикла Брайтона.
• Системы когенерации используют отходящее тепло от двигателей Брайтона, как правило, для производства горячей воды или отопления помещений.

Замкнутый цикл Брайтона

Замкнутый цикл Брайтона.. Cкомпрессор и Т узел турбины. wвысокотемпературный теплообменник. ʍнизко- температура теплообменника. ~механическая нагрузка, например электрический генератор

Замкнутый цикл Брайтона обеспечивает рециркуляцию рабочей жидкости ; воздух, выпущенный из турбины, снова вводится в компрессор, в этом цикле используется теплообменник для нагрева рабочей жидкости вместо камеры внутреннего сгорания. Замкнутый цикл Брайтона используется, например, в газовой турбине замкнутого цикла и космической энергетике.

Солнечный цикл Брайтона

В 2002 году гибридный открытый солнечный цикл Брайтона был впервые использован последовательно и эффективно с соответствующими статьями, опубликованными в рамках программы EU SOLGATE. Воздух в камеру сгорания нагревали от 570 до более чем 1000К. Дальнейшая гибридизация была достигнута в ходе проекта ЕС Solhyco, в котором использовался гибридный цикл Брайтона только с использованием солнечной энергии и биодизеля. Эта технология была увеличена до 4,6 МВт в рамках проекта Solugas, расположенного недалеко от Севильи, где она в настоящее время демонстрируется в предкоммерческом масштабе.

Обратный цикл Брайтона

Цикл Брайтона, который приводится в движение в обратном направлении через чистая потребляемая мощность, а когда воздух является рабочей жидкостью, - это цикл охлаждения газа или цикл Белла-Коулмана. Его цель - отводить тепло, а не производить работу. Этот метод воздушного охлаждения широко используется в реактивных самолетах для систем кондиционирования воздуха с использованием отбираемого воздуха, отбираемого из компрессоров двигателей. Он также используется в отрасли СПГ, где самый большой обратный цикл Брайтона предназначен для переохлаждения СПГ с использованием 86 МВт мощности от компрессора с приводом от газовой турбины и азотного хладагента.

Инвертированный цикл Брайтона

На Викискладе есть материалы, связанные с циклом Брайтона.

• роторным двигателем Бриталус
• Геротор
• Тепловой двигатель
• HVAC

1. ^Согласно История газовых турбин Архивировано 3 июня 2010 г. на Wayback Machine
2. ^Фрэнк А. Тейлор (1939), «Каталог механических коллекций» Of The Division of Engineering », Бюллетень Национального музея США 173, Типография правительства США, стр. 147
3. ^«УЛУЧШЕНИЕ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (Патент № 125166)». Патентный поиск Google. Проверено 29 июля 2007 г.
4. ^«УЛУЧШЕНИЕ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (Патент № 125166)». Патентный поиск Google. Проверено 29 июля 2007 г.
5. ^"Holland Submarines". Патерсон Друзья Грейт-Фолс. Архивировано из оригинала 12 августа 2007 года. Проверено 29 июля 2007 г.
6. ^«Оригинальный патент Селдена» (PDF). bpmlegal.com.
7. ^US 549160 патент.pdf Архивировано 2016-10-14 на Wayback Machine
8. ^"Weird Wonderful Patents - Selden Патент ». www.bpmlegal.com.
9. ^«Дизельные двигатели». www.dieselnet.com.
10. ^НАСА / Исследовательский центр Гленна (5 мая 2015 г.). «Диаграммы PV и TS». www.grc.nasa.gov.
11. ^Лестер К. Личти, Процессы двигателя внутреннего сгорания, 1967, McGraw-Hill, Inc., Библиотека Конгресса 67-10876
12. ^http://web.mit.edu/16. unified / www / SPRING / propulsion / notes / node27.html Уравнения идеального цикла, конспекты лекций Массачусетского технологического института
13. ^Шенгель, Юнус А. и Майкл А. Болес. «9-8». Термодинамика: инженерный подход. 7-е изд. Нью-Йорк: Макгроу-Хилл, 2011. 508-09. Распечатать.
14. ^«Архивная копия» (PDF). Архивировано из оригинального (PDF) от 2 ноября 2005 г. Проверено 24 января 2011 г. CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (ссылка )
15. ^«Термодинамический цикл Брайтона».
16. ^«Исследование» (PDF). Europa.eu.
17. ^Solhyco.com Архивировано 29 декабря 2011 г. на Wayback Machine Дата обращения 9 января 2012 г.
18. ^Solugas.EU Архивировано 25 декабря 2014 г. на Wayback Machine Получено 9 ноября 2014 г.
19. ^«Вход в систему» ​​. Www.ogj.com.

• Статья на сайте Today in Science Brayton Engine
• http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normalid=JSEEDO000126000003000872000001idtype=cvipsgifs=yes
• http://elib.dlr.de/46328/
• Тест и оценка газотурбинной системы на солнечной энергии