цикл Брайтона

Термодинамический цикл

Цикл Брайтона , также известный как цикл Джоуля, представляет собой термодинамический цикл , описывающий работу некоторых тепловых двигателей , в которых в качестве рабочего тела используется воздух или другой газ . Он характеризуется изоэнтропическим сжатием и расширением, а также изобарическим подводом и отводом тепла, хотя в реальных двигателях используются адиабатические, а не изоэнтропические этапы.

Наиболее распространенной областью применения в настоящее время являются воздушно-реактивные двигатели и газотурбинные двигатели.

Цикл двигателя назван в честь Джорджа Брайтона (1830–1892), американского инженера , который разработал двигатель Брайтона в 1872 году, используя поршневой компрессор и поршневой расширитель. ^[1] Двигатель, использующий цикл, был первоначально предложен и запатентован англичанином Джоном Барбером в 1791 году, используя поршневой компрессор и турбинный расширитель. ^[2]

Существует два основных типа циклов Брайтона: закрытый и открытый. В закрытом цикле рабочий газ остается внутри двигателя. Тепло вводится с помощью теплообменника или внешнего сгорания и выбрасывается с помощью теплообменника. При открытом цикле воздух из атмосферы всасывается, проходит три этапа цикла и снова выбрасывается в атмосферу. Открытые циклы допускают внутреннее сгорание . Хотя цикл является открытым, для целей термодинамического анализа традиционно предполагается , что выхлопные газы повторно используются во впуске, что позволяет проводить анализ как замкнутый цикл.

История

В 1872 году Джордж Брайтон подал заявку на патент на свой «Ready Motor», поршневой тепловой двигатель, работающий на газовом цикле. Двигатель был двухтактным и вырабатывал мощность на каждом обороте. Двигатели Брайтона использовали отдельный поршневой компрессор и поршневой расширитель, при этом сжатый воздух нагревался внутренним огнем, когда он поступал в цилиндр расширителя. Первые версии двигателя Брайтона были паровыми двигателями, которые смешивали топливо с воздухом, когда он поступал в компрессор; использовался городской газ или также использовался поверхностный карбюратор для мобильной работы. ^[3] Топливо/воздух содержались в резервуаре/баке, а затем поступали в расширительный цилиндр и сгорали. Когда топливно-воздушная смесь поступала в расширительный цилиндр, она поджигалась пламенем запальной горелки. Для предотвращения попадания огня в резервуар или его возвращения использовался экран. В ранних версиях двигателя этот экран иногда выходил из строя, и происходил взрыв. В 1874 году Брайтон решил проблему взрыва, добавив топливо непосредственно перед расширительным цилиндром. Двигатель теперь использовал более тяжелое топливо, такое как керосин и мазут. Зажигание оставалось пилотным пламенем. ^[4] Брайтон производил и продавал «Ready Motors» для выполнения различных задач, таких как перекачка воды, работа мельницы, запуск генераторов и морское движение. «Ready Motors» производились с 1872 года до 1880-х годов; вероятно, за этот период было произведено несколько сотен таких двигателей. Брайтон лицензировал конструкцию Simone в Великобритании. Использовалось много вариаций компоновки; некоторые были одностороннего действия, а некоторые — двустороннего действия. Некоторые имели нижние шагающие балки; другие имели верхние шагающие 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 плавно и имели разумную эффективность. ^[4]

Двигатели с циклом Брайтона были одними из первых двигателей внутреннего сгорания, используемых в качестве движущей силы. В 1875 году Джон Холланд использовал двигатель Брайтона для питания первой в мире самоходной подводной лодки (лодка Холланда № 1). В 1879 году двигатель Брайтона использовался для питания второй подводной лодки, Fenian Ram . Подводные лодки Джона Филипа Холланда хранятся в музее Патерсона в историческом районе Олд-Грейт-Фолс в Патерсоне, штат Нью-Джерси . ^[5]

Джордж Б. Селден за рулем автомобиля с двигателем Brayton в 1905 году.

В 1878 году Джордж Б. Селден запатентовал первый автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. ^[6] Вдохновленный двигателем внутреннего сгорания, изобретенным Брайтоном, представленным на выставке Centennial Exposition в Филадельфии в 1876 году, Селден запатентовал четырехколесный автомобиль, работающий на меньшей, более легкой, многоцилиндровой версии. Затем он подал ряд поправок к своей заявке, которые растянули юридический процесс, что привело к задержке на 16 лет, прежде чем патент ^[6] был выдан 5 ноября 1895 года. В 1903 году Селден подал в суд на Форда за нарушение патентных прав, и Генри Форд боролся с патентом Селдена до 1911 года. Селден никогда не производил работающий автомобиль, поэтому во время судебного разбирательства по чертежам патента были построены две машины. Форд утверждал, что его автомобили использовали 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. ^[7]

В 1887 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный двигатель с непосредственным впрыском топлива. ^[8] Топливная система использовала насос с переменной производительностью и впрыск жидкого топлива под высоким давлением распылительного типа. Жидкость продавливалась через подпружиненный предохранительный клапан (инжектор), который заставлял топливо разделяться на мелкие капли. Впрыск производился по времени так, чтобы он происходил на пике такта сжатия или около него. Источником воспламенения служил платиновый воспламенитель. Брайтон описывает изобретение так: «Я обнаружил, что тяжелые масла можно механически преобразовать в мелкодисперсное состояние в зоне сгорания цилиндра или в сообщающейся камере сгорания». Другая часть гласит: «Насколько мне известно, я впервые отрегулировал скорость, изменяя управление прямым выпуском жидкого топлива в камеру сгорания или цилиндр в мелкодисперсное состояние, весьма благоприятное для немедленного сгорания». Вероятно, это был первый двигатель, в котором использовалась система обедненного сгорания для регулирования скорости и мощности двигателя. Таким образом, двигатель запускался на каждом такте, а скорость и мощность контролировались исключительно количеством впрыскиваемого топлива.

В 1890 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный двигатель с воздушным дутьем. ^[9] Топливная система доставляла переменное количество испаренного топлива в центр цилиндра под давлением на пике такта сжатия или около него. Источником зажигания был воспламенитель, изготовленный из платиновой проволоки. Насос впрыска переменного количества подавал топливо в инжектор, где оно смешивалось с воздухом по мере поступления в цилиндр. Небольшой компрессор с кривошипным приводом служил источником воздуха. Этот двигатель также использовал систему сжигания обедненной смеси.

Рудольф Дизель изначально предложил цикл с очень высокой степенью сжатия и постоянной температурой, в котором теплота сжатия превышала теплоту сгорания , но после нескольких лет экспериментов он понял, что цикл с постоянной температурой не будет работать в поршневом двигателе. Ранние дизельные двигатели использовали систему воздушного дутья, которая была впервые предложена Брайтоном в 1890 году. Следовательно, эти ранние двигатели использовали цикл с постоянным давлением. ^[10]

• Примеры двигателей Брайтона
• 
  Газовый двигатель Брайтона 1872 г.
• 
  Двигатель Брайтона с шагающими балками 1872 г.
• 
  Двигатель Брайтона 1875 г.
• 
  Двигатель постоянного давления двойного действия Брайтона, разрез, 1877 г.
• 
  Четырехтактный двигатель Брайтона с воздушным потоком, 1889 г.
• 
  Четырехтактный двигатель Брайтона с воздушным потоком, 1890 г.

Ранняя история газовых турбин

• 1791 Первый патент на газовую турбину (Джон Барбер, Великобритания)
• 1904 Неудачный проект газовой турбины Франца Штольце в Берлине (первый осевой компрессор)
• 1906 г. Газовая турбина Арменго-Лемаля во Франции (центробежный компрессор, без полезной мощности)
• 1910 Первая газовая турбина с прерывистым сгоранием ( Holzwarth 150 кВт, сгорание с постоянным объемом)
• 1923 Первый турбокомпрессор, работающий на выхлопных газах, для увеличения мощности дизельных двигателей.
• 1939 Heinkel He 178, первый в мире реактивный самолет с турбореактивным двигателем, совершает первый полет. Первая в мире газовая турбина для выработки электроэнергии от Brown-Boveri , Невшатель, Швейцария

(горелка Velox, аэродинамика Stodola)

Модели

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

Современные двигатели Brayton почти всегда являются турбинными, хотя Brayton производил только поршневые двигатели. В оригинальном двигателе Brayton 19-го века окружающий воздух втягивается в поршневой компрессор, где он сжимается ; в идеале это изоэнтропический процесс . Затем сжатый воздух проходит через смесительную камеру, куда добавляется топливо, изобарический процесс . Затем сжатая смесь воздуха и топлива воспламеняется в расширительном цилиндре, и высвобождается энергия, заставляя нагретый воздух и продукты сгорания расширяться через поршень/цилиндр, еще один идеально изоэнтропический процесс. Часть работы, извлекаемой поршнем/цилиндром, используется для приведения в действие компрессора через коленчатый вал.

Газотурбинные двигатели также являются двигателями Брайтона и состоят из трех компонентов: воздушного компрессора, камеры сгорания и газовой турбины.

Идеальный цикл Брайтона:

1. изоэнтропический процесс – окружающий воздух всасывается в компрессор, где он сжимается.
2. изобарический процесс — сжатый воздух затем проходит через камеру сгорания, где сжигается топливо, нагревая этот воздух — процесс постоянного давления, поскольку камера открыта для входящего и выходящего потока.
3. изоэнтропический процесс – нагретый, сжатый воздух затем отдает свою энергию, расширяясь через турбину (или ряд турбин). Часть работы, извлекаемой турбиной, используется для приведения в действие компрессора.
4. Изобарический процесс – отвод тепла (в атмосферу).

Фактический цикл Брайтона:

1. адиабатический процесс – сжатие
2. изобарный процесс – подвод тепла
3. адиабатический процесс – расширение
4. изобарический процесс – отвод тепла

Поскольку ни сжатие, ни расширение не могут быть по-настоящему изоэнтропическими, потери через компрессор и расширитель представляют собой источники неизбежной рабочей неэффективности . В общем, увеличение степени сжатия является наиболее прямым способом увеличения общей выходной мощности системы Брайтона. ^[12]

Эффективность идеального цикла Брайтона равна , где — отношение теплоемкостей . ^[13] Рисунок 1 показывает, как изменяется эффективность цикла с ростом степени повышения давления. Рисунок 2 показывает, как изменяется удельная выходная мощность с ростом температуры на входе в газовую турбину для двух различных значений степени повышения давления. ${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }}$ ${\displaystyle \gamma }$

• 
  Рисунок 1: Эффективность цикла Брайтона
• 
  Рисунок 2: Удельная выходная мощность цикла Брайтона

Самая высокая температура газа в цикле возникает там, где происходит передача работы турбине высокого давления (вход ротора). Это ниже, чем самая высокая температура газа в двигателе (зона сгорания). Максимальная температура цикла ограничена материалами турбины и требуемым сроком службы турбины. Это также ограничивает коэффициенты давления, которые могут использоваться в цикле. Для фиксированной температуры на входе турбины чистый выход работы за цикл увеличивается с коэффициентом давления (следовательно, тепловой эффективностью ) и чистым выходом работы. При меньшем выходе работы за цикл требуется больший массовый расход (следовательно, большая система) для поддержания той же выходной мощности, что может быть неэкономичным. В наиболее распространенных конструкциях коэффициент давления газовой турбины составляет примерно от 11 до 16. ^[14]

Методы увеличения мощности

Выходную мощность двигателя Брайтона можно повысить за счет:

• Повторный нагрев, при котором рабочая жидкость — в большинстве случаев воздух — расширяется через ряд турбин, затем проходит через вторую камеру сгорания, прежде чем расшириться до давления окружающей среды через последний набор турбин, имеет преимущество в увеличении выходной мощности, возможной для заданной степени сжатия, без превышения каких-либо металлургических ограничений (обычно около 1000 °C). Использование форсажной камеры для двигателей реактивных самолетов также можно назвать «повторным нагревом»; это другой процесс, в котором повторно нагретый воздух расширяется через сопло тяги, а не через турбину. Металлургические ограничения несколько смягчаются, что позволяет достичь гораздо более высоких температур повторного нагрева (около 2000 °C). Повторный нагрев чаще всего используется для повышения удельной мощности и обычно связан с падением эффективности; этот эффект особенно выражен в форсажных камерах из-за экстремальных количеств дополнительного используемого топлива.
• При распылении после первой ступени компрессора вода впрыскивается в компрессор, тем самым увеличивая массовый расход внутри компрессора, значительно увеличивая выходную мощность турбины и снижая температуру на выходе компрессора. ^[15] На второй ступени компрессора вода полностью преобразуется в газообразную форму, обеспечивая некоторое промежуточное охлаждение за счет скрытой теплоты испарения.

Методы повышения эффективности

Эффективность двигателя Брайтона можно повысить за счет:

• Увеличение степени сжатия, как показано на рисунке 1 выше, увеличивает эффективность цикла Брайтона. Это аналогично увеличению эффективности, наблюдаемому в цикле Отто при увеличении степени сжатия . Однако, когда дело доходит до увеличения степени сжатия, возникают практические ограничения. Прежде всего, увеличение степени сжатия увеличивает температуру нагнетания компрессора. Поскольку температура турбины имеет предел, определяемый металлургическими и сроком службы, допустимое повышение температуры (добавленное топливо) в камере сгорания становится меньше. Кроме того, поскольку длина лопаток компрессора постепенно уменьшается на ступенях с более высоким давлением, постоянный рабочий зазор между кончиками лопаток и корпусом двигателя в компрессоре становится большим процентом от высоты лопаток компрессора, увеличивая утечку воздуха через кончики. Это вызывает падение эффективности компрессора и, скорее всего, произойдет в меньших газовых турбинах (так как лопатки изначально меньше по размеру). Наконец, как можно видеть на рисунке 1, эффективность выравнивается по мере увеличения степени сжатия. Следовательно, ожидается небольшой выигрыш от дальнейшего увеличения степени сжатия, если она уже находится на высоком уровне.
• Рекуператор ^[16] – Если цикл Брайтона выполняется при низком коэффициенте давления и высоком повышении температуры в камере сгорания, выхлопной газ (после последней ступени турбины) может быть все еще горячее, чем сжатый впускной 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, тем самым повышая эффективность. Однако эта форма рециркуляции тепла возможна только в том случае, если двигатель работает в режиме низкой эффективности с изначально низкой степенью давления. Передача тепла от выхода (после последней турбины) к входу (перед первой ступенью компрессора) снизит эффективность, так как более горячий впускной воздух означает больший объем, а значит, большую работу для компрессора. Однако для двигателей с жидким криогенным топливом, а именно водородом , может быть целесообразно использовать топливо для охлаждения впускного воздуха перед сжатием для повышения эффективности. Эта концепция широко изучается для двигателя SABRE .
• Двигатель Брайтона также образует половину системы комбинированного цикла , которая объединяется с двигателем Ренкина для дальнейшего повышения общей эффективности. Однако, хотя это повышает общую эффективность, это фактически не увеличивает эффективность самого цикла Брайтона.
• Системы когенерации используют отходящее тепло двигателей Брайтона, как правило, для производства горячей воды или отопления помещений.

Варианты

Замкнутый цикл Брайтона

Замкнутый цикл Брайтона

• Компрессор C и турбина T в сборе
• w высокотемпературный теплообменник
• ʍ низкотемпературный теплообменник
• ~ механическая нагрузка, например, электрогенератор

Замкнутый цикл Брайтона рециркулирует рабочую жидкость ; воздух, вытесненный из турбины, снова вводится в компрессор, этот цикл использует теплообменник для нагрева рабочей жидкости вместо внутренней камеры сгорания. Замкнутый цикл Брайтона используется, например, в газовых турбинах замкнутого цикла и космической энергетике. ^{[ удалить или требуется уточнение ]}

Солнечный цикл Брайтона

В 2002 году гибридный открытый солнечный цикл Брайтона был впервые запущен последовательно и эффективно, и соответствующие статьи были опубликованы в рамках программы ЕС SOLGATE. ^[17] Воздух нагревался от 570 до более чем 1000 К в камере сгорания. Дальнейшая гибридизация была достигнута в ходе проекта ЕС Solhyco, в котором использовался гибридный цикл Брайтона только с солнечной энергией и биодизелем. ^[18] Эта технология была масштабирована до 4,6 МВт в рамках проекта Solugas, расположенного недалеко от Севильи, где она в настоящее время демонстрируется в предкоммерческом масштабе. ^[19]

Обратный цикл Брайтона

Цикл Брайтона, который движется в обратном направлении, использует работу для перемещения тепла. Это делает его формой газового холодильного цикла . Когда воздух является рабочей жидкостью, он известен как цикл Белла Коулмена. ^[20]

Эта технология воздушного охлаждения широко используется в системах кондиционирования воздуха реактивных самолетов, использующих отбираемый из компрессоров двигателей воздух . ^{[ как? ] [ сомнительно – обсудить ]}

Он также используется в индустрии СПГ для переохлаждения СПГ с использованием энергии газовой турбины для привода компрессора. ^{[ сомнительно – обсудите ] [ необходима цитата ]}

Обратный цикл Брайтона

Это открытый цикл Брайтона, который также генерирует работу из тепла, но с другим порядком стадий. Входящий воздух сначала нагревается при атмосферном давлении, а затем проходит через турбину, производя работу. Газ, теперь находящийся под давлением ниже атмосферного, охлаждается в теплообменнике. Компрессор снова повышает давление, чтобы газ мог быть выброшен в атмосферу.

Смотрите также

• Роторный двигатель Britalus
• Тепловой двигатель
• ОВиК
• цикл Ренкина

Ссылки

1. Пирс, Уильям (5 декабря 2016 г.). "Brayton Ready Motor Hydrocarbon Engine". Old Machine Press . Получено 22 марта 2024 г.
2. Согласно истории газовых турбин, архивировано 3 июня 2010 г., на Wayback Machine
3. Фрэнк А. Тейлор (1939), «Каталог механических коллекций Отдела машиностроения», Бюллетень Национального музея США 173 , Типография правительства США, стр. 147
4. US 125166, Брайтон, Джордж Б., «Усовершенствование газовых двигателей», опубликовано 02.04.1872 
5. "Holland Submarines". Paterson Friends of the Great Falls. Архивировано из оригинала 2007-08-12 . Получено 2007-07-29 .
6. US 549160, Селден, Джордж Б., "Дорожный двигатель", опубликовано 1895-11-05 
7. «Странные и замечательные патенты — патент Селдена». www.bpmlegal.com .
8. US 432114, Брайтон, Джордж Б., «Газовый и воздушный двигатель», опубликовано 15 июля 1890 г. 
9. US 432260, Брайтон, Джордж Б., «Углеводородный двигатель», опубликовано 15 июля 1890 г. 
10. "Дизельные двигатели". www.dieselnet.com .
11. NASA/Glenn Research Center (5 мая 2015 г.). «Диаграммы PV и TS». www.grc.nasa.gov .
12. Лестер К. Лихти, Процессы двигателей внутреннего сгорания, 1967, McGraw-Hill, Inc., Библиотека Конгресса 67-10876
13. http://web.mit.edu/16.unified/www/SPRING/propulsion/notes/node27.html Уравнения идеального цикла, заметки лекций MIT
14. Çengel, Yunus A., and Michael A. Boles. "9-8". Термодинамика: инженерный подход. 7-е изд. Нью-Йорк: McGraw-Hill, 2011. 508-09. Печать.
15. "Архивная копия" (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2005-11-02 . Получено 2011-01-24 .{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
16. "Термодинамический цикл Брайтона". Архивировано из оригинала 2010-12-15 . Получено 2012-12-07 .
17. "Исследования" (PDF) . europa.eu .
18. Solhyco.com Архивировано 29.12.2011 на Wayback Machine Получено 09.01.2012
19. Solugas.EU Архивировано 25 декабря 2014 г. на Wayback Machine Получено 09 ноября 2014 г.
20. "Цикл Белла Коулмана: Объяснение". Mech Content . 19 апреля 2021 г. Получено 21 марта 2024 г.

Внешние ссылки

• Статья в журнале Today in Science о двигателе Брайтона
• [1]
• Солнечные газотурбинные системы: конструкция, стоимость и перспективы
• Хеллер, Питер; Пфендер, Маркус; Денк, Торстен; Теллес, Феликс; Вальверде, Антонио; Фернандес, Хесус; Кольцо, Арик (2006). «Испытание и оценка газотурбинной системы, работающей на солнечной энергии». Солнечная энергия . 80 (10): 1225–1230. Бибкод : 2006SoEn...80.1225H. doi :10.1016/j.solener.2005.04.020.