Цикл Брайтона - Brayton cycle

Термодинамика
Тепловой двигатель Карно 2.svg

В Цикл Брайтона это термодинамический цикл названный в честь Джордж Брайтон который описывает работу постоянного давления Тепловой двигатель. В оригинальных двигателях Brayton использовались поршневой компрессор и поршневой детандер, но более современные газовая турбина двигатели и воздушно-реактивные двигатели также следуйте циклу Брайтона. Хотя цикл обычно выполняется как открытая система (и действительно должен запускаться как таковой, если внутреннее сгорание используется), обычно предполагается, что для целей термодинамический анализ того, что выхлопные газы повторно используются на впуске, что позволяет проводить анализ как замкнутую систему.

Цикл двигателя назван в честь Джордж Брайтон (1830–1892), американец инженер который первоначально разработал его для использования в поршневых двигателях, хотя первоначально он был предложен и запатентован англичанином. Джон Барбер в 1791 г.[1] 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 внутренний камера сгорания; а другой тип закрыт и использует теплообменник.

История

Газовый двигатель Брайтона 1872 г.
Двигатель с шагающей балкой Brayton 1872 г.
Двигатель Брайтона 1875 г.
Двигатель постоянного давления двойного действия Brayton разрезан 1877 г.
Четырехтактный авиадувной двигатель Brayton 1889 г.
Четырехтактный авиадувной двигатель Brayton 1890 г.

В 1872 году Джордж Брайтон подал заявку на патент на свой «Ready Motor» - 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, которые смешивали топливо с воздухом, когда он поступал в компрессор, с помощью карбюратор с подогреваемой поверхностью.[2] 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.[3] 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 обладали разумной эффективностью.[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 (лодка № 1 в Голландии). В 1879 году двигатель Брайтона использовался для питания второй подводной лодки, Фенийский баран. Джон Филип Холланд подводные лодки сохранились в Патерсон музей в Исторический район Олд Грейт-Фолс из Патерсон, Нью-Джерси.[5]

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

В 1878 г. Джордж Б. Селден запатентовал первый автомобиль внутреннего сгорания.[6] Вдохновленный двигатель внутреннего сгорания изобретенный Брайтоном на выставке Столетняя экспозиция 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, что привело к задержке выдачи патента на 16 лет.[7] был предоставлен 5 ноября 1895 года. В 1903 году Селден подал в суд на Ford за нарушение патентных прав и Генри Форд боролась 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 его автомобили используют четырехтактный двигатель. Альфонс Бо де Роша цикл или Цикл Отто а не двигатель цикла Брайтона, используемый в автомобиле Selden. Форд выиграл апелляцию по первоначальному делу.[8]

В 1887 году Брайтон разработал и запатентовал четырехтактный масляный двигатель с прямым 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 тонкодисперсное 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 доставляла 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 поршневом двигателе. В ранних дизельных двигателях используется система воздушного потока, впервые разработанная Брайтоном в 1890 году. Следовательно, в этих ранних двигателях используется цикл постоянного давления.[9]

Подобно тому, как паровые турбины были приспособлением паровых поршневых двигателей, газовые турбины были приспособлением ранних поршневых двигателей постоянного давления.

Ранняя история газовых турбин

  • 1791 г. - первый патент на газовую турбину (Джон Барбер, Великобритания).
  • 1904 Неудачный проект газовой турбины Франца Штольце в Берлине (первый осевой компрессор)
  • 1906 GT от Armengaud Lemale во Франции (центробежный компрессор, без полезной мощности)
  • 1910 г. - первый ГТ с прерывистым горением (Holzwarth, 150 кВт, постоянный объем горения)
  • 1923 г. - первый турбонагнетатель для выхлопных газов для увеличения мощности дизельных двигателей.
  • 1939 г. - первая в мире газовая турбина для выработки электроэнергии (компания Brown Boveri), Невшатель, Швейцария.

(горелка велокс, аэродинамика по Стодоле)

Модели

Тип Брайтона двигатель состоит из трех компонентов: компрессор, смесительная камера и расширитель.

Современные двигатели Brayton почти всегда имеют турбинный тип, хотя Brayton производит только поршневые двигатели. В оригинальном двигателе Brayton 19-го века окружающий воздух втягивается в поршневой компрессор, где он сжатый; в идеале изэнтропический процесс. Затем сжатый воздух проходит через смесительную камеру, куда 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 горение камера), и турбодетандер.

Идеальный цикл Брайтона:

  1. изэнтропический процесс - окружающий воздух всасывается в компрессор, где он сжимается.
  2. изобарный процесс - затем сжатый воздух проходит через камеру сгорания, где сжигается топливо, нагревая этот воздух - процесс с постоянным давлением, так как 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 - компрессия
  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 отбрасываемое системой.[10]

Поскольку ни сжатие, ни расширение не могут быть по-настоящему изоэнтропическими, потери через компрессор и детандер представляют собой источники неизбежной работы. неэффективность. В общем, увеличение коэффициент сжатия это самый прямой способ увеличить общий мощность выход системы Брайтона.[11]

Эффективность идеального цикла Брайтона равна , куда это коэффициент теплоемкости.[12] 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 степени 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, которую могут выдержать лопатки турбины. Это также ограничивает отношения давления, которые могут использоваться в цикле. При фиксированной температуре на входе в турбину полезный выход работы за цикл увеличивается с увеличением отношения давлений (следовательно, термического КПД) и полезного выхода работы. 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 составляет примерно от 11 до 16.[13]

Способы увеличения мощности

Выходную мощность двигателя Brayton можно улучшить за счет:

  • Разогрейте, при этом 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 выходной мощности, возможной для данной степени сжатия, без превышения какой-либо металлургический ограничения (обычно около 1000 ° C). Использование форсаж для двигателей реактивных самолетов также может упоминаться как «повторный нагрев»; 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 расхода дополнительного топлива.
  • При избыточном распылении после первой ступени компрессора вода впрыскивается в компрессор, таким образом увеличивая массовый расход внутри компрессора, значительно увеличивая выходную мощность турбины и снижая температуру на выходе компрессора.[14] На второй ступени компрессора вода полностью превращается в газовую форму, обеспечивая некоторое промежуточное охлаждение за счет скрытой теплоты испарения.

Способы повышения эффективности

Эффективность двигателя Brayton 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 Цикл Отто когда коэффициент сжатия увеличена. 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 давления, если она уже находится на высоком уровне.
  • Рекуператор[15] - Если цикл Брайтона работает при низком перепаде давления и большом повышении температуры в камере сгорания, выхлопные газы (после последней ступени турбины) могут быть горячее, чем сжатый входящий газ (после последней ступени сжатия, но до камера сгорания). В этом случае можно использовать теплообменник 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 (перед первой ступенью компрессора) снизит эффективность, поскольку более горячий воздух на входе означает больший объем, а значит, больше работы для компрессора. Для двигателей на жидком криогенном топливе, а именно водород Тем не менее, было бы целесообразно использовать топливо для охлаждения входящего воздуха перед сжатием, чтобы повысить эффективность. Эта концепция широко изучается для САБРА двигатель.
  • Двигатель Brayton также составляет половину комбинированный цикл система, которая сочетается с Двигатель Ренкина для дальнейшего повышения общей эффективности. Однако, хотя это увеличивает общую эффективность, на самом деле это не увеличивает эффективность самого цикла Брайтона.
  • Когенерация Системы используют отходящее тепло двигателей Brayton, как правило, для производства горячей воды или отопления помещений.

Варианты

Замкнутый цикл Брайтона

Замкнутый цикл Брайтона

C компрессор и Т турбина в сборе
ш высокая температура теплообменник
ʍ низкотемпературный теплообменник
~ механическая нагрузка, например электрический генератор

Замкнутый цикл Брайтона рециркулирует рабочая жидкость; воздух, выпущенный из турбины, повторно вводится в компрессор, в этом цикле используется теплообменник для нагрева рабочего тела вместо камеры внутреннего сгорания. Замкнутый цикл Брайтона используется, например, в газовая турбина замкнутого цикла и космическая энергетика.

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.[16]Воздух в камеру сгорания нагревали от 570 до более чем 1000К. Дальнейшая гибридизация была достигнута в ходе проекта EU Solhyco, в котором использовался гибридный цикл Брайтона только с солнечной энергией и биодизелем.[17]Эта технология была увеличена до 4,6 МВт в рамках проекта Solugas, расположенного недалеко от Севильи, где в настоящее время она демонстрируется в предкоммерческом масштабе.[18]

Обратный цикл Брайтона

Цикл Брайтона, который приводится в движение в обратном направлении, через входную сеть, и когда воздух является рабочей жидкостью, является 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, использующих стравить воздух отводится от компрессоров двигателя. Он также используется в СПГ промышленность, 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.[19]

Обратный цикл Брайтона

Основная статья: Обратный цикл Брайтона

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ в соответствии с История газовой турбины В архиве 3 июня 2010 г. Wayback Machine
  2. ^ Фрэнк А. Тейлор (1939), "Каталог механических коллекций инженерного отдела", Бюллетень Национального музея США 173, Типография правительства США, стр. 147
  3. ^ «УЛУЧШЕНИЕ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (Патент № 125166)». Патентный поиск Google. Получено 2007-07-29.
  4. ^ «УЛУЧШЕНИЕ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ (Патент № 125166)». Патентный поиск Google. Получено 2007-07-29.
  5. ^ "Голландские подводные лодки". Патерсон Друзья Грейт-Фолс. Архивировано из оригинал на 2007-08-12. Получено 2007-07-29.
  6. ^ «Оригинальный патент Селдена» (PDF). bpmlegal.com.
  7. ^ США 549160  патент.pdf В архиве 2016-10-14 на Wayback Machine
  8. ^ «Странные и замечательные патенты - патент Селдена». 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 С. 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 MIT
  13. ^ Ченгель, 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 оригинал (PDF) на 2005-11-02. Получено 2011-01-24.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  15. ^ «Термодинамический цикл Брайтона».
  16. ^ "Исследование" (PDF). europa.eu.
  17. ^ Solhyco.com В архиве 2011-12-29 на Wayback Machine Проверено 9 января 2012 г.
  18. ^ Solugas.EU В архиве 2014-12-25 на Wayback Machine Проверено 9 ноября 2014 г.
  19. ^ "Авторизоваться". www.ogj.com.

внешняя ссылка