Brajtonov ciklus

Termodinamički ciklusi
Članak pripada oblasti «Termodinamika».
Atkinsonov ciklus
Brajtonov ciklus
Girnaov ciklus
Dizelov ciklus
Kalinov ciklus
Karnoov ciklus
Lenuarov ciklus
Millerov ciklus
Otto ciklus
Rankinov ciklus
Stirlingenov ciklus
Trinklerenov ciklus
Hamfrijev ciklus
Eriksonov ciklus
Sadržaj termodinamike
Zakoni termodinamike
Jednačina stanja
Termodinamičke veličine
Termodinamički potencijali
Termodinamički ciklusi
Fazne promene

Brajtonov ciklus je termodinamički princip, koji opisuje proces u gasnoj turbini, turbomlaznom motoru, nabojno mlaznom motoru, motoru sa unutrašnjim sagorevanjem i u gasnim turbinama sa spoljnim sagorevanjem.

Ciklus je dobio ime po američkom inženjeru Džordžu Brajtonu, koji je patentirao klipni motor sa unutrašnjim sagorevanjem, zasnovanom na ovom njegovom ciklusu.

Ponekad se ovaj ciklus naziva „Džulov ciklus“, nakon što je engleski fizičar Džejms Džul, definisao mehanički ekvivalent toplote.

Istorija

Džordž Brajton je 1872. godine podneo zahtev za patent za svoj izum principa rada motora sa unutrašnjim sagorevanjem. Motor koristi poseban klipni kompresor i ekspander. Komprimovani vazduh se zagreva sa unutrašnjim sagorevanjem, pošto je klip ušao u krajnji gornji položaj cilindra. Brajton patent je dokazan i industrijalizovan i komercijalizovan za različite namene, kao što je pokretanje pumpi za vodu, mlinova, čak i brodova.

Kritičari su omalovažavali značaj motora jer je efikasnost bila svega oko 17%.

Danas je termin Brajtonov ciklus povezan sa gasnim turbinama i ako je on gradio samo klipne motore, sa unutrašnjim sagorevanjem. Analogija je potpuna, tako da se Brajtonov ciklus koristi u oba slučaja, za oba motora sa unutrašnjim sagorevanjem, za mlazne motore i za turbine sa sponjnim sagorevanjem.

Brajton ciklus se obično posmatra kao otvoreni sistem, to je konvencionalno, pretpostavlja se za potrebe termodinamičke analize da se ponovo koriste izduvni gasovi u ulaz, što omogućava analizu kao zatvorenog sistema.

Još jedan zanimljiv deo istorije Brajtonovog ciklusa je njegova upotreba u Selden patentu (engl. George B. Selden. Kreativni advokat Selden, tvrdio je da je patent sa unutrašnjim sagorevanjem za pogon automobila. Patentna dokumentacija je pokazala da je korišćen Brajtonov ciklus motora. Umesto plaćanja honorara Henri Ford je pravno obarao Seldenov patent. Ford tvrdi da njegov automobil koristi 4-taktni Oto ciklus, a ne Brajtonov, prikazan u patentu Seldena. Ford je konačno dobio spor.

Model

Grafička ilustracija Brajtonovog ciklusa je prikazana sa dešavanjima u između obeležene četiri granične tačke (1-2, 2-3, 3-4 i 4-1) i predstavljaju poznate termodinamičke procese:

• 1 - 2 izentropa, kompresija (dq=0; dp>0, dv<0),
• 2 - 3 izobara, dovođenje toplote (dp=0, dq>0, dv>0),
• 3 - 4 izentropa, ekspanzija (dp<0, dq=0, dv>0),
• 4 - 1 izobara, odvođenje toplote (dp=0, dq<0, dv<0).

Zatvoren prostor između naznačenih krivih predstavlja rad J

Oznake: p - pritisak V - zapremina T - temperatura s - entropija q - toplota

Šema principa Brajtonovog ciklusa.

Brajtonov model motora se sastoji iz tri komponente:

• kompresora gasa,
• komore za mešanje i
• ekspandera.

U 19-tom veku je definisan ciklus originalnog Brajtonovog motora, gde isti uzima okolni vazduh u klipni kompresor, sabija ga u cilindru, u idealnom slučaju je to izentropski proces (kriva 1-2, P-V и T-S dijagramima). Komprimovani vazduh zatim prolazi kroz komoru za mešanje, gde mu se dodaje gorivo. To je izobarski proces (kriva 2-3, P-V и T-S dijagramima). Zatim se zagreva (posle kompresije). Zagrejana smeša i pod pritiskom se zapali u cilindru, gde se širi i energija se oslobađa, kroz širenje produkata sagorevanja i pomeranje klipa u cilindru. Idealno gledano to je izentropski proces (kriva 3-4, P-V и T-S dijagramima). Dobijeni rad klipa, krećući se kroz cilindar, prenosi se na radilicu, a njegov deo se koristi za obnavljanje kompresije.

Brajtonov ciklus je prenet i na modeliranje termodinamičkog procesa gasne turbine, gde su isto u pitanju tri komponente:

• kompresor gasa,
• komora za sagorevanje i
• turbina sa ekspanzijom.

Idealan Brajtonov ciklus, turbinskog motora:

• Izentropski proces - vazduh je zagrejan u kompresoru, gde se sabija na veći pritisak (kriva 1-2, P-V и T-S gornjih dijagramima).
• Izobarski proces - komprimovani vazduh zatim prolazi kroz komore za sagorevanje, gde zajedno sa gorivom učestvuje u procesu sagorevanja, sa oslobađanjem toplotne energije pri konstantnom pritisku, pošto je slobodan da se širi prema spoljnjem otvorenom prostoru (kriva 2-3, P-V и T-S gornjih dijagramima).
• Izentropski proces - zagrejan gas pod pritiskom oslobađa energiju, širi se kroz turbinu. Dobijena energija na turbini se pretvara u rad, pogona kompresora (kriva 3-4, P-V и T-S gornjih dijagramima).
• Izobarski proces - oslobađanje toplote gasa u slobodnu atmosferu (kriva 4-1, P-V и T-S gornjih dijagramima).

Na sledećem dijagramu je to i konkretizovano, sa povezivanjem termodinamičkih procesa sa funkcijama sistema turbinskog motora.

Idealan Brajtonov ciklus, za turbinski motor.

Funkcija turbo motora se odvija sa redoslednom ulogom njegovih sistema. Počinjemo sa slobodnim strujnim tokom na usisniku, obeleženo na dijagramima sa „0“. U letu sa krstarećom brzinom, ulazni vazduh se usporava do ulaza u kompresor, početak toga sistema je obeležen sa „2“. U kompresoru statički pritisak vazduha raste i strujno polje je sabijeno. U idealnom slučaju, kompresija je izentropska, a temperatura je takođe povećana, kao što je prikazano na dijagramima, do izlaza iz sistema kompresora, tačka 3. Pošto se kompresija smatra kao idealan proces, to je izentropa, na dijagramu T-s prikazano sa vertikalnom linijom. U stvarnosti, kompresija nije izentropska i proces se ne predstavlja sa pravom linijom, zbog porasta entropije strujnog polja. Proces sagorevanja u komori se odvija na konstantnom pritisku od početka „3“ do kraja „4“. Rast temperature zavisi od vrste i kvaliteta goriva i odnosa mešavine sa vazduhom. Topli sagoreli prolaze kroz pogonsku turbinu, čiji rad se odvija od „4“ od „5“. Turbina i kompresor se nalaze na istom vratilu, rad na turbini je tačno jednak potrošenom sa kompresorom u sbijanju novog vazduha. Idealno gledano, pad temperature je isti, kao što je bio i porast“. Kroz mlaznicu se zatim odvija protok po izentropi. Ekspanzija prema pritisku u slobodnoj atmosferi, od početka „5“ do kraja „8“. Napolju sezaršava ciklus toka, sve do uslova u slobodnoj atmosferi, a to je brzina nula i statički pritisak koji faktički jeste u toj sredini.

Pojednostavljeno, Brajtonov ciklus se svodi na:

• Adijabatski proces - kompresija.
• Izobarski proces - dovođenje toplote.
• Adijabatski proces - ekspanzija.
• Izobarski proces - odvođenje toplote.

Stvarni radni ciklus motora odstupa od idealnog, u toku kompresije i ekspanzije gasa postoje određeni gubici, a isto tako pri dovođenju i odvođenju toplote, to su izvori neizbežne energetske neefikasnosti. Nadoknađivanje efikasnosti motora u izlaznoj snazi, u principu se najdirektnije postiže sa povećanjem kompresije. Zbog stvarnih gubitaka, tokom radnog ciklusa motora, stvarni dijagrami bi odstupali od teorijskih, nacrtanih na gornjoj slici.

Efikasnost

U principu, toplotna efikasnost se definiše kao odnos dobijene koristi i uloženog:

$\eta ={\frac {J}{q_{2-3}}}\quad \longmapsto \quad \eta ={\frac {q_{2-3}-|q_{4-1}|}{q_{2-3}}}\quad \longmapsto \quad \eta =1-{\frac {|q_{4-1}|}{q_{2-3}}}$

Dovođenje toplote se može zameniti sa razlikom entalpije:

$\ q_{2-3}=h_{3}-h_{2};\quad \ q_{4-1}=h_{4}-h_{1}$

Za idealan gas, specifična je entalpija h funkcija je temperature i nezavisna je od pritiska, po poznatoj relaciji:

$\ \Delta h=c_{p}\Delta T\quad \longmapsto \quad c_{p}$ - je koeficijenat prenosa toplote, pri konstantnom pritisku

Sledi:

$\eta =1-{\frac {T_{4}-T_{1}}{T_{3}-T_{2}}}\quad \longmapsto \quad \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}\quad \longmapsto \quad \eta =1-{\bigg (}{\frac {p_{1}}{p_{2}}}{\bigg )}^{\frac {\kappa -1}{\kappa }}$

Toplotna efikasnost, za idealan Brajtonov ciklus je:

Tipična zavisnost efikasnosti od stepena kompresije.

$\eta =1-{\frac {1}{\pi ^{\frac {k-1}{k}}}}$

gde je $\,\pi =p_{2}/p_{1}$ — stepen kompresije u procesu izentropskog procesa (1—2);

$\,k$ — koeficijent adijabate (za vazduh iznosi 1,4)

Poslednji odnos proizilazi iz upotrebe jednačine za inzetropisku promenu temperature u toku kompresije.

$\ {\frac {T_{1}}{T_{2}}}={\bigg (}{\frac {p_{1}}{p_{2}}}{\bigg )}^{\frac {\kappa -1}{\kappa }}\quad \longmapsto \quad \ {\frac {T_{1}}{T_{2}}}={\frac {T_{4}}{T_{3}}}$

Metode za povećanje snage

Snaga Brajtonovog motora može se poboljšati na sledeći način:

Dogrevanje, gde radni fluid u većini slučajeva, vazduh se širi kroz prvi stepen turbine, a zatim prolazi kroz drugu komoru za sagorevanje, pre nego što sa povećanim pritiskom prođe kroz završni stepen turbine. To je prednost za povećanje snage, gde je moguće postići rezultat, za dati odnos kompresije bez prekoračenja ograničenja otpornosti primenjenih materijala. Obično je temperatura oko 1000° C) i ako sadašnji materijali izdržavaju i oko 2 000° C). Upotreba dopunskog sagorevanja za vazduhoplovne mlazni motore može se zvati dogrevanje, ali to je drugojačiji proces, kod koga ugrejani gas se širi kroz mlaznicu a ne kroz drugi stepen turbine.

Metode za poboljšanje efikasnosti

Efikasnost Brajtonovog motora se može poboljšati na sledeći način:

• Povećanje radnog pritiska, sa povećanjem stepena kompresije. Međutim, postoje praktična ograničenja kada je u pitanju povećanje odnosa pritiska. Pre svega, to povećava temperaturu kompresora i gasa koji on isporučuje. To može da dovede do povećane temperature gasova koji prelaze granice izdržljivosti kompresora, a i komore sagorevanja. Takođe, dužina lopatica se progresivno smanjuje, u stepenu sa većim pritiskom. Sa time se smanjuje i efikasnost lopatica, zbog većeg procenta komprimovanog vazduha koji se vraća (curi) nazad, između vrhova lopatica i zida kućišta motora. Potpuna je analogija sa aerodinamikom avionskog krila, manja vitkost veći je indukovani otpor, odnosno veće je prelivanje oko kraja (terminezona) i veći je gubitak.
• Interno hlađenje, pri čemu se radni fluid, prolazeći kroz prvi deo kompresora, hladi se, a zatim ohlađen ulazi u drugi stepen kompresora, pre ulaska u komoru za sagorevanje. To zahteva povećanje potrošnje goriva za sagorevanje, ovo omogućava smanjenje specifične zapremine fluida koji ulazi u drugi stepen kompresora, sa pratećim smanjenjem ukupne količine rada potrebnog za kompresiju. Postiže se povećanje maksimalno mogućeg odnosa pritiska zbog smanjene temperature gasa koji isporučuje kompresor i povećava se ukupna efikasnost.

Vidi još

• Vazduhoplovni motor
• Turbomlazni motor
• Karnoov ciklus

Spoljašnje veze

• Today in Science article on Brayton Engine
• Gasna turbina koristi solarnu energiju
• Perspektivna turbina Arhivirano na sajtu Wayback Machine (18. jul 2011)
• Razvoj solarne turbine