De Brayton syklus er en termodynamisk syklus som består av fire prosesser og påføres en komprimerbar termodynamisk væske slik som en gass. Dens første omtale stammer fra slutten av 1700-tallet, selv om det var en stund før den først ble reist av James Joule. Dette er grunnen til at det også er kjent som Joule-syklusen..
Den består av følgende trinn, som praktisk illustreres i trykkvolumdiagrammet i figur 1: adiabatisk kompresjon (ingen varme byttes ut), isobar ekspansjon (skjer ved konstant trykk), adiabatisk ekspansjon (ingen varme byttes ut) og isobar kompresjon (oppstår ved konstant trykk).
Artikkelindeks
Brayton-syklusen er den ideelle termodynamiske syklusen som er best brukt for å forklare den termodynamiske driften av gasturbiner og luft-drivstoffmiks, brukt til generering av elektrisk energi og i flymotorer..
For eksempel er det flere trinn i driften av en turbin i driften av en turbin, som vi vil se nedenfor.
Den består av luftinntaket ved omgivelsestemperatur og trykk gjennom innløpsåpningen til turbinen.
Luft komprimeres ved å rotere kniver mot faste kniver i kompressorseksjonen på turbinen. Denne komprimeringen er så rask at det praktisk talt ikke er noen varmeveksling, så den er modellert av den adiabatiske prosessen AB i Brayton-syklusen. Luften ved kompressorutløpet har økt trykket og temperaturen.
Luften blandes med propangass eller pulverisert drivstoff som blir introdusert gjennom injektorene i forbrenningskammeret. Blandingen gir en kjemisk reaksjon av forbrenningen.
Denne reaksjonen er det som gir varmen som øker temperaturen og den kinetiske energien til gasspartiklene som ekspanderer i forbrenningskammeret ved konstant trykk. I Brayton-syklusen er dette trinnet modellert med BC-prosessen som skjer ved konstant trykk.
I selve delen av turbinen fortsetter luft å ekspandere mot turbinbladene, noe som får den til å rotere og produsere mekanisk arbeid. I dette trinnet senker luften temperaturen, men uten å praktisk talt utveksle varme med miljøet..
I Brayton-syklusen er dette trinnet simulert som en CD-adiabatisk utvidelsesprosess. En del av turbinens arbeid overføres til kompressoren, og den andre brukes til å drive en generator eller propell.
Den utgående luften har et konstant trykk som tilsvarer omgivelsestrykket og overfører varme til den enorme massen av uteluft, så på kort tid tar den samme temperatur som inntaksluften. I Brayton-syklusen er dette trinnet simulert med DA-prosessen med konstant trykk, som lukker den termodynamiske syklusen.
Vi foreslår å beregne effektiviteten til Brayton-syklusen, som vi begynner med fra definisjonen av den.
I en varmemotor defineres effektivitet som maskinens netto arbeid delt på den tilførte varmeenergien.
Det første prinsippet for termodynamikk sier at nettovarmen som er bidratt til en gass i en termodynamisk prosess, er lik endringen i gassens indre energi pluss arbeidet som gjøres av den..
Men i en komplett syklus er variasjonen av den indre energien null, så nettovarmen som tilføres i syklusen er lik netto arbeidet..
Det forrige uttrykket lar oss skrive effektiviteten som en funksjon av absorbert eller innkommende varme Qe (positiv) og overført eller utgående varme Qs (negativ).
I Brayton-syklusen kommer varmen inn i den isobare prosessen f.Kr. og ut i den isobare prosessen DA.
Forutsatt at n mol gass ved konstant trykk forsynes med fornuftig varme Qe i prosess BC, så øker temperaturen fra Tb til Tc i henhold til følgende forhold:
Utgående varme Spørsmål kan beregnes på samme måte av følgende forhold som gjelder for konstanttrykkprosessen DA:
Ved å erstatte disse uttrykkene i uttrykket som gir oss effektiviteten som en funksjon av innkommende varme og utgående varme, noe som gjør de aktuelle forenklingene, oppnås følgende forhold for effektiviteten:
Det er mulig å forenkle forrige resultat hvis vi tar hensyn til det Pa = Pd Hva så Pb = Pc siden prosesser AD og BC er isobariske, det vil si med samme trykk.
Videre, siden prosessene AB og CD er adiabatiske, oppfylles Poissons forhold for begge prosesser:
Hvor gamma representerer den adiabatiske kvotienten, det vil si kvotienten mellom varmekapasiteten ved konstant trykk og varmekapasiteten ved konstant volum.
Ved å bruke disse forholdene og forholdet fra den ideelle gassligningen av tilstanden kan vi få et alternativt uttrykk for Poissons forhold:
Hvordan vet vi det Pa = Pd Hva så Pb = Pc å erstatte og dele medlem med medlem oppnås følgende forhold mellom temperaturer:
Hvis hvert medlem av den forrige ligningen blir trukket av enheten, blir forskjellen løst og vilkårene er ordnet, kan det vises at:
Uttrykket oppnådd for effektiviteten til Brayton-syklusen som en funksjon av temperaturer kan omskrives for å formuleres som en funksjon av kvotienten til trykket ved utløpet og innløpet til kompressoren.
Dette oppnås hvis Poissons forhold mellom punkt A og B er kjent som en funksjon av trykk og temperatur, og oppnår at syklusens effektivitet uttrykkes som følger:
Et typisk trykkforhold er 8. I dette tilfellet har Brayton-syklusen et teoretisk utbytte på 45%..
Brayton-syklusen som modell brukes på gasturbiner som brukes i termoelektriske anlegg for å flytte generatorene som produserer elektrisitet.
Det er også en teoretisk modell som er godt egnet til drift av turbopropmotorer som brukes i fly, men det er ikke aktuelt i det hele tatt i flyturbojets..
Når du vil maksimere arbeidet produsert av turbinen for å flytte generatorene eller propellene til et fly, blir Brayton-syklusen brukt..
I flyturbojets er det derimot ikke interessant å konvertere forbrenningsgassens kinetiske energi til å produsere arbeid, noe som ville være akkurat nok til å lade turboladeren.
Tvert imot er det viktig å oppnå den høyest mulige kinetiske energien til den utdrevne gassen, slik at i henhold til handlings- og reaksjonsprinsippet oppnås flyets momentum..
En gasturbin som brukes i termoelektriske kraftverk har et trykk ved kompressorutløpet på 800 kPa. Den innkommende gass temperaturen er omgivende og er 25 Celsius, og trykket er 100 kPa.
I forbrenningskammeret stiger temperaturen opp til 1027 Celsius for å komme inn i turbinen.
Bestem sykluseffektiviteten, gastemperaturen ved kompressorutløpet og gastemperaturen ved turbinutløpet.
Ettersom vi har trykket fra gassen ved utløpet av kompressoren og vi vet at inntakstrykket er atmosfærisk trykk, er det mulig å oppnå trykkforholdet:
r = Pb / Pa = 800 kPa / 100 KPa = 8
Siden gassen som turbinen opererer med er en blanding av luft og propangass, blir den adiabatiske koeffisienten deretter brukt for en diatomisk idealgass, det vil si en gamma på 1,4.
Effektiviteten vil da bli beregnet slik:
Der vi har brukt forholdet som gir effektiviteten til Brayton-syklusen som en funksjon av trykkforholdet i kompressoren.
For å bestemme temperaturen ved utløpet av kompressoren, eller hva er den samme temperaturen som gassen kommer inn i forbrenningskammeret, bruker vi forholdet mellom effektiviteten og innløps- og utløpstemperaturene til kompressoren.
Hvis vi løser temperaturen Tb fra det uttrykket, får vi:
Som data for øvelsen har vi at temperaturen stiger til 1027 Celsius for å komme inn i turbinen etter forbrenning. En del av gassens termiske energi brukes til å flytte turbinen, så temperaturen ved utløpet må være lavere.
For å beregne temperaturen ved turbinens utløp vil vi bruke et forhold mellom temperatur oppnådd tidligere:
Derfra løser vi for Td for å oppnå temperaturen ved turbinens utløp. Etter å ha utført beregningene er oppnådd temperatur:
Td = 143,05 Celsius.
En gassturbin følger Brayton-syklusen. Trykkforholdet mellom kompressorinnløpet og utløpet er 12.
Anta omgivelsestemperaturen på 300 K. Som tilleggsdata er det kjent at temperaturen på gassen etter forbrenning (før den kommer inn i turbinen) er 1000 K.
Bestem temperaturen ved kompressorens utløp, og temperaturen ved turbinens utløp. Bestem også hvor mange kilo gass som sirkulerer gjennom turbinen i hvert sekund, vel vitende om at effekten er 30 KW.
Anta den spesifikke varmen til gassen som konstant og ta verdien ved romtemperatur: Cp = 1,0035 J / (kg K).
Anta også at kompresjonseffektiviteten i kompressoren og dekompresjonseffektiviteten i turbinen er 100%, noe som er en idealisering fordi det i praksis alltid oppstår tap..
For å bestemme temperaturen ved kompressorutløpet, med kunnskap om innløpstemperaturen, må vi huske at det er en adiabatisk kompresjon, slik at Poissons forhold kan brukes for AB-prosessen.
For en hvilken som helst termodynamisk syklus vil nettoarbeidet alltid være lik nettovarmen som utveksles i syklusen..
Netto arbeid per driftssyklus kan da uttrykkes som en funksjon av massen av gass som sirkulerte i den syklusen og temperaturene.
I dette uttrykket m er gassmassen som sirkulerte gjennom turbinen i en driftssyklus og Cp spesifikk varme.
Hvis vi tar derivatet med hensyn til tiden til det forrige uttrykket, får vi netto gjennomsnittlig kraft som en funksjon av massestrømmen.
Rydding ut m poeng, og erstatter temperaturen, kraften og varmekapasiteten til gassen, får vi en massestrøm på 1578,4 kg / s.
Ingen har kommentert denne artikkelen ennå.