Цикл Брайтона

Термодинамический цикл

Цикл Брайтона , также известный как цикл Джоуля, представляет собой термодинамический цикл , который описывает работу определенных тепловых двигателей , в которых в качестве рабочего тела используется воздух или какой-либо другой газ . Он характеризуется изоэнтропическим сжатием и расширением, а также изобарическим подводом и отводом тепла, хотя практические двигатели имеют адиабатические , а не изоэнтропические ступени.

Наиболее распространенное в настоящее время применение - воздушно-реактивные двигатели и газотурбинные двигатели.

Цикл двигателя назван в честь Джорджа Брайтона (1830–1892), американского инженера , который разработал двигатель Brayton Ready в 1872 году с использованием поршневого компрессора и поршневого детандера. ^[1] Двигатель, использующий цикл, был первоначально предложен и запатентован англичанином Джоном Барбером в 1791 году и использовал поршневой компрессор и турбодетандер. ^[2]

Существует два основных типа циклов Брайтона: закрытый и открытый. В замкнутом цикле рабочий газ остается внутри двигателя. Тепло вводится с помощью теплообменника или внешнего сгорания и выводится с помощью теплообменника. При открытом цикле воздух из атмосферы всасывается, проходит три ступени 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 на впуске, что позволяет проводить анализ как замкнутый цикл.

История

В 1872 году Джордж Брайтон подал заявку на патент на свой «Готовый двигатель» — поршневой тепловой двигатель, работающий в газовом энергоцикле. Двигатель был двухтактным и производил мощность на каждом обороте. В двигателях Брайтона использовался отдельный поршневой компрессор и поршневой расширитель, при этом сжатый воздух нагревался за счет внутреннего огня при входе в цилиндр расширителя. Первыми версиями двигателя Брайтона были паровые двигатели, в которых топливо смешивалось с воздухом при входе в компрессор; использовался городской газ или для мобильной работы также использовался поверхностный карбюратор . ^[3] Топливо/воздух содержалось в резервуаре/баке, а затем попадало в расширительный цилиндр и сгорало. Когда топливно-воздушная смесь поступала в расширительный цилиндр, она воспламенялась от пилотного пламени. Для предотвращения проникновения огня в резервуар или его возвращения в резервуар 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. В двигателе теперь использовалось более тяжелое топливо, такое как керосин и мазут. Зажигание оставалось пилотным. ^[4] Брайтон производил и продавал «Ready Motors» для выполнения различных задач, таких как перекачка воды, работа мельниц, работа генераторов и морские двигатели. «Готовые моторы» производились с 1872 по 1880-е годы; За этот период времени, вероятно, было произведено несколько сотен таких двигателей. Брайтон передал лицензию на дизайн Симоне в Великобритании. Было использовано множество вариантов макета; некоторые были одностороннего действия, некоторые - двойного действия. Некоторые из них имели ходячие балки; у других были потолочные пешеходные 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 разумный КПД. ^[4]

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 (Голландская лодка № 1). В 1879 году двигатель Брайтона был использован для привода второй подводной лодки « Фенийский таран» . 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 Брайтона, 1905 год.

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 над уменьшенной, легкой и многоцилиндровой версией. Затем он подал ряд поправок к своей заявке, которые затянули судебный 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 Форда. Селден боролся за патент Селдена до 1911 года. Селден никогда не производил работающий автомобиль, поэтому в ходе испытаний по патентным чертежам были построены две машины. 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. ^[7]

В 1887 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный масляный двигатель с непосредственным впрыском топлива. ^[8] В топливной системе использовался насос переменного объема и система впрыска жидкого топлива под высоким давлением. Жидкость проталкивалась через подпружиненный предохранительный клапан (форсунку), в результате чего топливо разделялось на мелкие капли. Впрыск был рассчитан на пик 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 внутри рабочей части цилиндра или в сообщающейся камере сгорания». Другая часть гласит: «Я впервые, насколько мне известно, регулировал скорость, изменяя прямой выпуск жидкого топлива в камеру сгорания или цилиндр до мелкодисперсного состояния, весьма благоприятного для немедленного сгорания». Вероятно, это был первый двигатель, в котором использовалась система сжигания обедненной смеси для регулирования частоты вращения и мощности двигателя. Таким образом, двигатель запускался при каждом рабочем такте, а скорость и мощность контролировались исключительно количеством впрыскиваемого топлива.

В 1890 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный воздушно-масляный двигатель. ^[9] Топливная система подавала переменное количество испаренного топлива в центр цилиндра под давлением на пике такта сжатия или около него. Источником воспламенения служил воспламенитель, изготовленный из платиновой проволоки. ТНВД переменного объема подавал топливо в форсунку, где оно смешивалось с воздухом при попадании в цилиндр. Источником воздуха служил небольшой компрессор с кривошипным приводом. В этом двигателе также использовалась система сжигания обедненной смеси.

Рудольф Дизель первоначально предложил цикл с очень высокой степенью сжатия и постоянной температурой, в котором теплота сжатия будет превышать теплоту сгорания , но после нескольких лет экспериментов он понял, что цикл с постоянной температурой не будет работать в поршневом двигателе. В ранних дизельных двигателях использовалась система продувки воздухом, впервые предложенная Брайтоном в 1890 году. Следовательно, в этих ранних двигателях используется цикл постоянного давления. ^[10]

• Примеры двигателей Брайтона
• 
  Газовый двигатель Брайтона 1872 г.
• 
  Двигатель с шагающей балкой Брайтона, 1872 г.
• 
  Двигатель Брайтона 1875 г.
• 
  Двигатель постоянного давления двойного действия Брайтона срезан в 1877 году.
• 
  Четырехтактный воздушно-воздушный двигатель Брайтона, 1889 г.
• 
  Четырехтактный воздушный двигатель Брайтона, 1890 г.

Ранняя история газовых турбин

• 1791 г. Первый патент на газовую турбину (Джон Барбер, Великобритания).
• 1904 г. Неудачный проект газовой турбины Франца Штольце в Берлине (первый осевой компрессор).
• 1906 г. Газовая турбина Арменго-Лемале во Франции (центробежный компрессор, нет полезной мощности)
• 1910 г. Первая газовая турбина с прерывистым сгоранием ( Holzwarth 150 кВт, сгорание постоянного объема).
• 1923 г. Первый турбокомпрессор выхлопных газов для увеличения мощности дизельных двигателей.
• 1939 год. Первый в мире реактивный самолет Heinkel He 178 с турбореактивным двигателем совершает первый полет. Первая в мире газовая турбина для производства электроэнергии , Браун-Бовери , Невшатель, Швейцария.

(горелка velox, аэродинамика Stodola)

Модели

Двигатель типа Брайтон состоит из трёх компонентов: компрессора , смесительной камеры и детандера .

Современные двигатели Брайтона почти всегда относятся к турбинному типу, хотя Брайтон производил только поршневые двигатели. В оригинальном двигателе Брайтона XIX века окружающий воздух всасывается в поршневой компрессор, где сжимается ; в идеале изоэнтропический процесс . Затем сжатый воздух проходит через смесительную камеру, куда добавляется топливо ( изобарный процесс) . Затем смесь воздуха и топлива под давлением воспламеняется в расширительном цилиндре, при этом выделяется энергия, в результате чего нагретый воздух и продукты сгорания расширяются через поршень/цилиндр, еще один идеально изоэнтропический процесс. Часть работы, совершаемой поршнем/цилиндром, используется для приведения в движение 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 создается давление.
2. изобарный процесс - сжатый воздух затем проходит через камеру сгорания, где топливо сгорает, нагревая этот воздух - процесс с постоянным давлением, поскольку камера открыта для входа и выхода.
3. изэнтропический процесс - нагретый воздух под давлением затем отдает свою энергию, расширяясь через турбину (или серию турбин). Часть работы, производимой турбиной, используется для привода компрессора.
4. изобарный процесс – отвод тепла (в атмосферу).

Фактический цикл Брайтона:

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

Поскольку ни сжатие, ни расширение не могут быть по-настоящему изоэнтропическими, потери в компрессоре и расширителе представляют собой источники неизбежного снижения эффективности работы . В общем, увеличение степени сжатия — самый прямой способ увеличить общую выходную мощность системы Brayton. ^[12]

КПД идеального цикла Брайтона равен , где – коэффициент теплоемкости . ^[13] На рисунке 1 показано, как изменяется эффективность цикла с увеличением степени сжатия. На рис. 2 показано, как изменяется удельная мощность с увеличением температуры на входе в газовую турбину для двух разных значений степени сжатия. ${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }}$ ${\displaystyle \gamma }$

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

Самая высокая температура газа в цикле возникает там, где происходит передача работы на турбину высокого давления (вход ротора). Это ниже самой высокой температуры газа в двигателе (зоне сгорания). Максимальная температура цикла ограничена материалами турбины и требуемым сроком службы турбины. Это также ограничивает соотношения давлений, которые можно использовать в цикле. Для фиксированной температуры на входе в турбину чистая производительность за цикл увеличивается с увеличением степени сжатия (следовательно, термического КПД ) и чистой производительности. При меньшей производительности за цикл для поддержания той же выходной мощности требуется больший массовый расход (следовательно, более крупная система), что может быть неэкономично. В наиболее распространенных конструкциях степень сжатия газовой турбины колеблется примерно от 11 до 16. ^[14]

Методы увеличения мощности

Выходную мощность двигателя Брайтона можно улучшить за счет:

• Повторный нагрев, при котором рабочее тело — в большинстве случаев воздух — расширяется через ряд турбин, затем проходит через вторую камеру сгорания, а затем расширяется до давления окружающей среды через последний набор турбин, имеет то преимущество, что увеличивает выходную мощность, возможную для заданная степень сжатия без превышения каких-либо металлургических ограничений (обычно около 1000 ° C). Использование форсажной камеры для реактивных авиационных двигателей также можно назвать «догревом»; это другой процесс, в котором повторно нагретый воздух расширяется через тяговое сопло, а не через турбину. Металлургические ограничения несколько смягчены, что позволяет осуществлять гораздо более высокие температуры повторного нагрева (около 2000 °C). Повторный нагрев чаще всего используется для повышения удельной мощности и обычно связан с падением КПД; этот эффект особенно выражен в камерах дожигания из-за чрезмерного количества используемого дополнительного топлива.
• При избыточном распылении после первой ступени компрессора в компрессор впрыскивается вода, 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 газовую форму, обеспечивая некоторое промежуточное охлаждение за счет скрытой теплоты испарения.

Методы повышения эффективности

КПД двигателя Брайтона можно повысить за счет:

• Увеличение степени давления, как показано на рисунке 1 выше, увеличение степени давления увеличивает эффективность цикла Брайтона. Это аналогично увеличению эффективности, наблюдаемому в цикле Отто при увеличении степени сжатия . Однако практические ограничения возникают, когда дело доходит до увеличения степени сжатия. Прежде всего, увеличение степени сжатия увеличивает температуру нагнетания компрессора. Поскольку температура турбины имеет предел, определяемый металлургическими и жизненными ограничениями, допустимое повышение температуры (добавление топлива) в камере сгорания становится меньшим. Кроме того, поскольку длина лопаток компрессора становится все меньше на ступенях более высокого давления, постоянный рабочий зазор через компрессор между кончиками лопаток и корпусом двигателя становится более значительным в процентах от высоты лопаток компрессора, увеличивая утечку воздуха через кончики. Это приводит к падению эффективности компрессора и, скорее всего, произойдет в газовых турбинах меньшего размера (поскольку лопатки изначально меньше по размеру). Наконец, как видно на рисунке 1, эффективность стабилизируется 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 работает при низкой степени сжатия и высоком повышении температуры в камере сгорания, выхлопной газ (после последней ступени турбины) все еще может быть горячее, чем сжатый входящий газ (после последнего сжатия). ступень, но перед камерой сгорания). В этом случае можно использовать теплообменник для передачи тепловой энергии от выхлопных газов уже сжатому газу до того, как он попадет в камеру сгорания. Передаваемая тепловая энергия эффективно используется повторно, что повышает эффективность. Однако такая форма рециркуляции тепла возможна только в том случае, если двигатель работает в режиме с низким КПД и, в первую очередь, с низкой степенью сжатия. Передача тепла от выхода (после последней турбины) к входу (перед первой ступенью компрессора) снизит эффективность, поскольку более горячий входящий воздух означает больший объем и, следовательно, большую работу для компрессора. Однако для двигателей с жидким криогенным топливом, а именно с водородом , было бы целесообразно использовать это топливо для охлаждения впускного воздуха перед сжатием для повышения эффективности. Эта концепция тщательно изучается для двигателя SABRE .
• Двигатель Брайтона также составляет половину системы комбинированного цикла , которая в сочетании с двигателем Ренкина еще больше повышает общую эффективность. Однако, хотя это и увеличивает общую эффективность, на самом деле это 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, электрический генератор

Замкнутый цикл Брайтона обеспечивает рециркуляцию рабочей жидкости ; воздух, вытесненный из турбины, повторно вводится в компрессор, в этом цикле для нагрева рабочего тела вместо камеры внутреннего сгорания используется теплообменник . Замкнутый цикл Брайтона используется, например, в газовых турбинах замкнутого цикла и в космической энергетике. ^{[ удалить или необходимо уточнение ]}

Солнечный цикл Брайтона

В 2002 году гибридный открытый солнечный цикл Брайтона впервые работал последовательно и эффективно, при этом были опубликованы соответствующие статьи в рамках программы ЕС SOLGATE. ^[17] Воздух в камере сгорания нагревался от 570 до более 1000К. Дальнейшая гибридизация была достигнута в ходе проекта ЕС Solhyco, в котором используется гибридный цикл Брайтона, использующий только солнечную энергию и биодизель. ^[18] Эта технология была увеличена до 4,6 МВт в рамках проекта Solugas, расположенного недалеко от Севильи, где в настоящее время она демонстрируется в докоммерческом масштабе. ^[19]

Обратный цикл Брайтона

Цикл Брайтона, работающий в обратном направлении, использует работу для перемещения тепла. Это делает его формой газового холодильного цикла . Когда воздух является рабочей жидкостью, это известно как цикл Белла Коулмана. ^[20]

Этот метод воздушного охлаждения широко используется в реактивных самолетах для систем кондиционирования воздуха с использованием отбираемого воздуха из компрессоров двигателей. ^{[ как? ] [ сомнительно – обсудить ]}

Он также используется в промышленности СПГ для переохлаждения СПГ с использованием энергии газовой турбины для привода компрессора. ^{[ сомнительно – обсудить ] [ нужна ссылка ]}

Инвертированный цикл Брайтона

Это открытый цикл Брайтона, в котором работа также генерируется за счет тепла, но с другим порядком стадий. Поступающий воздух сначала нагревается при атмосферном давлении, а затем проходит через турбину, совершая работу. Газ, имеющий теперь давление ниже атмосферного, охлаждается в теплообменнике. Компрессор снова повышает давление, чтобы газ мог быть выброшен в атмосферу.

Смотрите также

• Роторный двигатель Britalus
• Тепловой двигатель
• ОВК
• Цикл Ренкина

Рекомендации

1. Пирс, Уильям (5 декабря 2016 г.). «Углеводородный двигатель Brayton Ready». Старый машинный пресс . Проверено 22 марта 2024 г.
2. согласно истории газовых турбин, заархивировано 3 июня 2010 г., в Wayback Machine.
3. Фрэнк А. Тейлор (1939), «Каталог механических коллекций инженерного отдела», Бюллетень 173 Национального музея США , Типография правительства США, стр. 147
4. US 125166, Брайтон, Джордж Б., «Усовершенствование газовых двигателей», опубликовано 2 апреля 1872 г. 
5. "Голландские подводные лодки". Патерсон Друзья Грейт-Фолса. Архивировано из оригинала 12 августа 2007 г. Проверено 29 июля 2007 г.
6. US 549160, Селден, Джордж Б., «Дорожный двигатель», опубликовано 5 ноября 1895 г. 
7. «Странные и чудесные патенты - Патент Селдена» . www.bpmlegal.com .
8. US 432114, Брайтон, Джордж Б., «Газовый и воздушный двигатель», опубликовано 15 июля 1890 г. 
9. США 432260, Брайтон, Джордж Б., «Углеводородный двигатель», опубликовано 15 июля 1890 г. 
10. «Дизельные двигатели». www.dieselnet.com .
11. НАСА/Исследовательский центр Гленна (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, конспекты лекций Массачусетского технологического института
14. Ченгель, Юнус А. и Майкл А. Болес. «9-8». Термодинамика: инженерный подход. 7-е изд. Нью-Йорк: МакГроу-Хилл, 2011. 508-09. Распечатать.
15. «Архивная копия» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 2 ноября 2005 г. Проверено 24 января 2011 г.{{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)
16. «Термодинамический цикл Брайтона». Архивировано из оригинала 15 декабря 2010 г. Проверено 7 декабря 2012 г.
17. «Исследования» (PDF) . europa.eu .
18. Solhyco.com. Архивировано 29 декабря 2011 г. на Wayback Machine. Проверено 9 января 2012 г.
19. Solugas.EU. Архивировано 25 декабря 2014 г. на Wayback Machine. Проверено 9 ноября 2014 г.
20. "Цикл Белла Коулмана: объяснение" . Механический контент . 19 апреля 2021 г. Проверено 21 марта 2024 г.

Внешние ссылки

• Статья Today в Science о Brayton Engine
• [1]
• Солнечные газотурбинные системы: конструкция, стоимость и перспективы
• Испытание и оценка газотурбинной системы на солнечной энергии