Brayton cyklus
Brayton-cyklussen , også kendt som Joule -cyklussen eller Froude-cyklussen , er en termodynamisk cyklus , der i sin enkleste form består af et adiabatisk kompressionstrin, et isobarisk opvarmningstrin og en adiabatisk ekspansion af en komprimerbar termodynamisk væske . Det er en af de mest anvendte termodynamiske cyklusser, da det er grundlaget for gasturbinemotoren . , således at produktet af kredsløbet kan spænde fra mekanisk arbejde, der bruges til produktion af elektricitet i naturgasbrændere eller anden anvendelse –tilfælde af henholdsvis elproduktionsindustrien og nogle land- eller marinemotorer – til produktion af et stød i en jetmotor .
Historisk udvikling
I Brayton-cyklussen, som i de fleste termodynamiske cyklusser, er det nødvendigt at skelne selve den termodynamiske cyklus fra dens teknologiske anvendelse. Som i nogle andre termiske motorer har motorer baseret på Brayton-cyklussen præsenteret forskellige formelle løsninger, som i bund og grund kan reduceres til Brayton-stempelmotorer, der fungerer på samme måde som moderne diesel- og benzinmotorer, og som i dag næppe findes, undtagen på museer, og de kontinuerlige Brayton-motorer, hvori, i modsætning til stempelmotorer, tilførslen af den termodynamiske væske er kontinuerlig, og som er grundlaget for gasturbinen.
Brayton-cyklussen vises for første gang i forbindelse med patentet på en gasmotor af den engelske opfinder John Barber i 1791. Formelt kunne Barbers motor klassificeres som diskontinuerlig flow, selvom dens rudimentære kompressionssystem ikke er i stand til at nå ikke engang 2 atmosfærer af tryk, og de meget høje varmetab forbundet med varmesystemet, samt de komplikationer, der er forbundet med at bruge luft i stedet for vanddamp, fik motoren til at fejle elendigt mod den meget mere effektive dampmaskine fra James Watt . Som med andre motorer på den tid, såsom Stirling-motoren , faldt Barbers idé i glemmebogen.
I 1840'erne foreslog den britiske fysiker James Prescott Joule Brayton-cyklussen teoretisk og formelt for første gang. Hans arbejde var begrænset til det teoretiske og termodynamiske felt, idet han erkendte, at opnåelse af høje mekaniske kræfter i cyklussen ville kræve enten meget høje brændstofomkostninger eller ekstremt store og modstandsdygtige gaskompressionssystemer, eftersom Joule foreslog implementeringen af Brayton-cyklussen som et diskontinuerligt flow. cyklus, hvor gassen skulle komprimeres ved hjælp af en cylinder og et stempel.
Da cyklussens egenskaber blev skitseret, fandt det første relevante forsøg på at omsætte den i praksis i 1872, da George Brayton patenterede sin Ready Motor . I hans patent, baseret på en diskontinuerlig flow stempelmotor, ville kompressionen blive udført i en cylinder, hvorefter den komprimerede luft, som ville være gået ind i et varmekammer, ville blive opvarmet af en ekstern varmekilde for til sidst at udvide sig. i ekspansionscylinderen, der producerer arbejde. Motoren havde store problemer, da den ikke perfekt kunne garantere trykkets konstanthed i trykluftopvarmningstrinnet. Ligeledes, og som Joule havde forudset, skulle Braytons motorer, for at udvikle en rimelig kraft, være ekstremt store, så selvom de ville komme på markedet, blev de aldrig udbredt bredt.
I dag er Brayton-cyklussen forbundet med gasturbinemotoren, selvom Brayton aldrig har designet andet end en stempelmotor. Selvom den termodynamiske væske gennemgår de samme processer som dem, den blev udsat for i sin stempelmotorversion, har gasturbinen den differentielle egenskab, at den er en motor med konstant flow. Dette indebærer, at væsken, sædvanligvis luft, kontinuerligt tilføres og kontinuerligt udstødes fra motoren, i modsætning til stempelmotorer, hvor ind- og udstødningen er intermitterende.
Udviklingen af gasturbinen sker grundlæggende i begyndelsen af det 20. århundrede, og er en konsekvens af løsningen af det væsentligste tekniske problem forbundet med Brayton-cyklussen, nemlig kompressionsstadiet. Kompressionen af en komprimerbar væske er ikke let: Stempelmotorer løser problemet ved at indeslutte gassen i et lukket kammer -cylinderen- og reducere dens volumen ved hjælp af et stempel, hvilket frembringer en stigning i trykket ; dette fører dog til i det væsentlige tunge og store motorer til høj effekt, da der kræves en høj mekanisk inerti for at kunne garantere deres kontinuerlige drift. Gasturbinen bruger tværtimod en kompressor , der består af et eller flere trin af roterende vinger, der skubber luften, overfører kinetisk energi til den, som først accelererer den og derefter ved hjælp af faste vinger bremser den for at omdanne luften. overskydende energi i tryk. Da en sådan proces involverer at overføre en væske fra en lavtrykszone til en højtrykszone, en proces som ikke var begunstiget af termodynamikken, var kompression på denne måde meget problematisk og ineffektiv i det 19. århundrede. Med teknologiens fremskridt, udviklingen af nye materialer og den stadigt forbedrede forståelse af væskemekanik begyndte de første virkelig effektive kompressorer at blive produceret i begyndelsen af det 20. århundrede, og konstruktionen af de første turbiner lod ikke vente på sig. Af gas.
I disse enheder blev kompressionen efterfulgt af intern forbrænding i et rudimentært forbrændingskammer, hvor der blev tilsat brændstof til trykluften for at forbrænde den, og udvidelsen blev udført i en turbine , der producerede mekanisk arbejde , hvoraf en del blev brugt i drive kompressoren, og resten til at drive en elektrisk generator eller en anden enhed, der krævede mekanisk arbejde.
Anvendelsen af gasturbinen baseret på Brayton-cyklussen til luftfremdrift skyldes den engelske ingeniør Frank Whittle , som i 1927 patenterede ideen og foreslog den til det engelske luftvåben. En række eksperter ledet af Alan Arnold Griffith havde i de foregående år studeret gasturbinens tekniske muligheder som et middel til luftfremdrift, selvom deres idé var baseret på at bruge det mekaniske arbejde opnået til at drive en propel. Whittle foreslog på den anden side at have en Brayton-cyklus, så der ikke produceres noget netto mekanisk arbejde, så turbinen genererer lige nok strøm til at drive kompressoren. Fremdriften ville ifølge ham opstå på grund af den høje hastighed af gasserne ved turbineudløbet, hvilket ville danne en fremdriftsstråle, der ville generere en trykkraft på motoren.
Whittles idé blev rejst omkring samme tid af tyskeren Hans von Ohain . Under Anden Verdenskrig ville der være et hektisk kapløb mellem begge sider om udviklingen af de første jetmotorer . Herefter ville gasturbinen baseret på Brayton-cyklussen komme til at dominere som et flyfremdriftssystem, mens det fortsat ville blive anvendt inden for generationsindustrien. Ligeledes har den anvendelse som en marinemotor, i pumpesystemer, store maskiner, blandt andet, der i øjeblikket udgør en af de mest sofistikerede maskiner, der findes.
Ved at bruge luft som en termodynamisk væske kan Brayton-cyklussen fungere ved høje temperaturer , hvilket gør den ideel til at drage fordel af højtemperatur-termiske kilder og opnå høj termodynamisk ydeevne .
På den grundlæggende cyklus er der varianter, der komplicerer den for at forbedre nogle af dens funktioner, såsom kraft eller ydeevne . Eksempler på disse varianter er Brayton-cyklus med regenerator, Brayton-cyklus med flere trin (komprimering eller ekspansion) eller kombinationen af en Brayton-cyklus med en Rankine-cyklus for at give anledning til den såkaldte kombinerede cyklus .
Se også
Referencer
