سیکل برایتون

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamjpl

نام: roham hesami

محل اقامت: Tehran -Qeytariyeh, Ketabi Street, 8 meters from Saba

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 324

سپاس: 163

جنسیت:

تماس:

سیکل برایتون

پست توسط rohamjpl »

چرخه Brayton یک چرخه ترمودینامیکی است که نحوه عملکرد توربین های گازی را توصیف می کند. ایده موجود در چرخه Brayton استخراج انرژی از جریان هوا و سوخت برای تولید کار قابل استفاده است که می تواند با استفاده از رانش آنها برای تأمین انرژی بسیاری از وسایل نقلیه مورد استفاده قرار گیرد. اساسی ترین مراحل در استخراج انرژی ، فشرده سازی هوای جاری ، احتراق و سپس انبساط آن هوا برای ایجاد کار و همچنین تأمین فشار همزمان است. مفید بودن چرخه Brayton به دلیل اینکه ستون فقرات در رانندگی بسیاری از وسایل نقلیه مانند جت ها ، هلی کوپترها و حتی زیردریایی ها محسوب می شود ، فوق العاده است.
سیکل برایتون است چرخه ترمودینامیکی مورد استفاده در برخی موتورهای حرارتی . قابل ذکر است که برای موتورهای توربین گازی و برخی موتورهای جت استفاده می شود. این چرخه شامل فشرده سازی هوای محیط ، مخلوط کردن هوا با سوخت و سپس احتراق مخلوط است که منبسط می شود و کار می کند. سپس در بسیاری از موتورهای چرمی برایتون می توان هوای گرم را بازیافت کرد و هوای تازه را از طریق آن گرم کرد. این کارایی را افزایش می دهد ، زیرا برای گرم کردن هوای تازه به سوخت کمتری نیاز است. از نظر فیزیک، این دوره از آدیاباتیک فشرده سازی و گسترش زوج با هم فشار گرمایش و سرمایش، و اجازه می دهد تا برای افزایش بهره وری بیش از برخی از چرخه های دیگر است.
اولین توربین گازی که چرخه Brayton را اجرا کرد (البته با اطلاع نیست ، زیرا قبل از تاسیس چرخه Brayton ایجاد شده بود) توربین گازی جان باربر بود که در سال 179 ثبت اختراع شد. ایده ماشین فشرده سازی هوای جو در یک محفظه و سوخت بود در یک اتاق دیگر و هر دو اتاق به یک ظرف احتراق متصل می شوند. هنگامی که هوا با سوخت مخلوط شده و واکنش نشان داد ، انرژی حاصل از احتراق برای چرخاندن توربین برای انجام کار مفید استفاده می شود. با این حال ، از آنجا که در اواخر قرن هجدهم پیشرفتهای فنی وجود نداشت ، توربین گاز انرژی کافی برای فشار دادن گازها و انجام کارهای مفید در همان زمان را نداشت ، بنابراین از آن استفاده نشد.
جورج برایتون مهندسی بود که اولین موتور احتراق مداوم با احتراق را طراحی کرد که یک موتور دو زمانه بود و با نام "Brayton's Ready Motors" فروخته شد. این طرح از فرآیندهای ترمودینامیکی استفاده می کند که اکنون "چرخه برایتون" در نظر گرفته می شود ، اما همچنین چرخه ژول نیز ساخته شده است. این توربین گازی در سال 1872 ثبت اختراع شد. این طراحی یک موتور متصل به مخزن هوای جو تحت فشار و گاز بود که فقط در صورت روشن شدن سوپاپ روشن می شود. این می تواند گاز تحت فشار را به یک ظرف احتراق آزاد کند ، که پیستون ها را برای ایجاد کار مکانیکی و فشرده سازی مجدد گاز در مخزن تبدیل می کند.

TS Curve.jpgتصویر
(1) هوای محیطی در جو که در حال حاضر آشفته نیست.
(1 -> 2) هوای محیط با کمپرسور توربین گاز تماس پیدا می کند و فشار و دما بطور چشمگیری افزایش می یابد. افزایش فشار ناشی از کار هوا توسط کمپرسور است که هوا را به داخل میکسر / محفظه احتراق بسته بندی می کند و افزایش فشار باعث افزایش دما در مولکول های گاز می شود زیرا حجم مخزن ثابت می ماند (PV = nRT ) از آنجا که این یک فرایند ایده آل است ، اعتقاد بر این است که آنتروپی ثابت می ماند ، بنابراین این یک روند ایزنتروپیک است (در حقیقت ، آنتروپی به دلیل جریان و حرکت مولکول های گاز افزایش می یابد).
(3 -> 5) هوای جوی در محفظه احتراق فشرده شده است و در آن سوخت گاز با هوا مخلوط می شود. هنگامی که این مخلوط مشتعل شد ، شاهد افزایش شدید دما و آنتروپی هستیم (نه فشار ، زیرا منحنی ها مقدار خاصی از فشار را نشان می دهند ، بنابراین این یک فرآیند ایزوباریک است ) به دلیل واکنش احتراق سوخت و هوا . انرژی حاصل از پیوندهای شیمیایی موجود در سوخت به دلیل اشتعال شکسته می شود و یک واکنش بسیار گرمازا رخ می دهد که باعث افزایش آنتروپی به دلیل شکستن زنجیره های هیدروکربن به آب و هوا (مولکول های بیشتر) و افزایش دما به دلیل افزایش انرژی محیط از واکنش گرمازا.
(5 -> 8) در نقطه 5 ، سوخت و هوا تحت فشار محفظه احتراق را به محفظه انبساط ترک می کند ، جایی که به دلیل حجم بیشتر و قرار گرفتن در معرض محیط شاهد افت سریع فشار هستیم. انرژی حاصل از محفظه احتراق به دو منظور مورد استفاده قرار می گیرد: چرخاندن توربینی که به کمپرسور متصل است (که چرخه Brayton را به طور مداوم روشن نگه می دارد) و به عنوان رانش. این دو هدف نشان دهنده نقطه 6 است و در حالت ایده آل یک فرایند ایزنتروپیک است. افت سریع فشار نشان می دهد که چگونه انرژی موجود در هوا در احتراق به صورت مکانیکی برای چرخاندن توربی که فرایند کمپرسور را اجرا می کند استفاده می شود زیرا انرژی لازم برای فشرده سازی انرژی اتمسفر کمتر از انرژی تولید شده توسط احتراق است. سوخت انرژی باقیمانده از چرخش توربین به عنوان رانش برای انجام کار استفاده می شود (مانند پرواز با جت). هوای دفع شده سپس به هوای محیطی تبدیل می شود که دارای سطح انرژی بالاتری نسبت به هوای نقطه 1 است ، اما در نهایت انرژی خود را به اطراف از دست می دهد (
IBC = چرخه برایتون معکوس
در روند توربین گاز میکرو معکوس ، جریان اجزای منفرد در توالی متفاوتی از چرخه MGT معمولی (چرخه Brayton) رخ می دهد. شکل 2 را ببینید. در یک IBC-MGT ، هوای فرآیند مستقیماً وارد رکابیتور (2) می شود ، گرم می شود و به محفظه احتراق منتقل می شود ، جایی که با سوخت مخلوط می شود و می سوزد (3). پس از خروج از محفظه احتراق ، گاز خروجی از طریق توربین هدایت می شود و در آنجا زیر فشار محیط منبسط می شود (4). متعاقباً ، ابتدا گاز خروجی قبل از اینکه در فشار اتمسفر در کمپرسور فشرده شود ، در رکابیتور (2) و سپس در مبدل حرارتی آب پایین دست (5) خنک می شود. در این چرخه معکوس - مانند یک چرخه معمولی ، توربین دوباره انرژی بیشتری از آنچه برای فرایند فشرده سازی مورد نیاز است ، تولید می کند ، بنابراین می توان یک ژنراتور (6) را کار کرد.در نتیجه فشرده سازی ، گاز خروجی گرم می شود و بنابراین می تواند در مبدل حرارتی آب دوم (7) دوباره خنک شود تا از انرژی آزاد شده تا حد امکان بهره برداری شود.
تصویر
تصویر
1برای یافتن کارایی چرخه Brayton ، باید بدانیم که هر فرآیند چقدر به کل انرژی داخلی کمک می کند. ما برای انجام این کار نمودار PV بالا را تجزیه و تحلیل خواهیم کرد.$ U = q_1 + q_2 - w = 0$
s برابر با صفر است زیرا قانون اول ترمودینامیک بیان می کند که انرژی از بین نمی رود یا ایجاد نمی شود و زیرا در چرخه برایتون عملکرد نهایی گاز اولیه است ، U = 0.
این یعنی$w = q_1 + q_2 $که در آن q1 گرمای دریافت شده توسط احتراق است (بنابراین منفی است) و q2 گرمای آزاد شده پس از انبساط است.
اگر شما گاز را به عنوان یک گاز کامل با گرماهای خاص ثابت در نظر بگیرید ، می توانیم مقدار گرمایی حاصل از احتراق را ببینیم$q_1 = c_p(T_I - T_F) $, و $q_2 = c_p(T_F - T_I) $
جایی که TF دمای نهایی احتراق یا قسمت "گرمای از دست رفته در اتمسفر" است و دومی اولیه است. (بنابراین در منحنی PV ، فرایند احتراق$ q_1 = c_p(T_4 - T_3)$ خواهد داشت
بنابراین اکنون مقدار گرمای از دست رفته و به دست آمده را از نظر دما بیان کردیم ، می توانیم معادله را دوباره پیدا کنیم تا eta (بازده حرارتی) را پیدا کنیم
$\eta = \dfrac{\textrm{Net work}}{\textrm{Heat in}} = \dfrac{c_p[(T_c -T_c) - (T_d - T_a)]}{c_p(T_[T_c = T_b]} = 1 - \frac{(T_d-T_a)}{(T_c-T_b)} = 1 - \frac{T_a(T_d/T_a-1)}{T_b(T_c/T_b-1)}. $
من یک چرخه برایتون دارم و می خواهم بازده و نسبت کار برگشت را محاسبه کنم. در کتاب درسی من آمده است که گرمای اضافه شده در فرآیند 3-4 در فشار ثابت اتفاق می افتد (ایزوباریک) و بنابراین می توانیم . همچنین گفته شده است که این نتیجه از طریق اولین قانون ترمودینامیک با استفاده از معادله جریان پایدار محاسبه می شود: سپس آنها توجه دارند که می توانیم فرض کنیم و . حال س theال این است که من هیچ سرنخی ندارم که چگونه آنها نتیجه این معادله را پیدا می کنند. فکر می کنم بتوانیم بنویسیم:سیک ددE د=
$\dot{m}(h_3+\frac{C_3^2}{2} + Z_3g)+\dot{Q}+\dot{W}=\dot{m}(h_4+\frac{C_4^2}{2} + Z_4g) $و $\dot{Q}+\dot{W}=\dot{m}(h_4-h_3) $ همچنین $ q+w=h_4-h_3$ پس مینوان نوشت $w=-\int_{V_3}^{V_4}p dv = -p\int_{V_3}^{V_4}dv=-p[V_4-V_3] $ و $ q=h_4+pV_4-[h_3+pV_3]$
0آیا می دانید W در نسخه سیستم باز قانون اول ترمودینامیک همه کارها را شامل نمی شود ، بلکه فقط شافت را کار می کند؟ این کار انجام شده برای فشار دادن مایع به داخل و خارج از حجم کنترل نیست. دومی به طور جداگانه در ساعت ها گنجانده شده است. در مبادله حرارتی که شما آنالیز می کنید ، کار شافت صفر است. بنابراین گرمای اضافه شده در واحد جرم فقط با تغییر آنتالپی خاص بین ورودی و خروجی مبدل برابر است.
آیا وقتی آنها در مورد نسخه سیستم باز قانون 1 به شما آموختند ، این اطلاعات مهم پوشش داده نشد؟همه چیزهایی که می گویید درست است تا زمانی که جایگزین شوید w = ∫Pdv. این فرمول نشان دهنده کار مرزی برای سیستم های بسته است. هر یک از دستگاه های موجود در چرخه Brayton (کمپرسور ، توربین ، دو مبدل حرارتی) یک سیستم باز است.
روش استاندارد برای چرخه Brayton این است كه فرض كنید q = 0 در كمپرسور و توربین (به دلیل عایق بودن خوب و / یا انبساط / فشرده سازی نسبت به انتقال گرما سریع است) و w = 0 در مبدل های حرارتی ( زیرا هیچ محور چرخان ، پیستون یا سایر دستگاه هایی وجود ندارد که بتواند روی مواد جریان یافته در دستگاه کار کند).
ایجاد تعویض w = 0 نتیجه مطلوبی را به شما می دهد.
کارایی سیکل برایتون $\eta = \frac{C_p(T_3-T_4) - C_p(T_2-T_1)}{C_p(T_3-T_2)} $ چون $dQ_roham = C_p dT + pdV $و $Q_roham = C_p(T_3-T_2) + p_{max}(V_3-V_2) $
چرخه Brayton (یا چرخه ژول) نشان دهنده عملکرد یک موتور توربین گاز است.
برای عملکرد توربین گاز ، روند ثابت افزودن حرارت فشار ثابت ایده آل سازی فرآیند احتراق است. هیچ کار حجم فشار درگیر نیست
روند استخراج گرما با فشار ثابت به راحتی هوا را به حالت اولیه خود خنک می کند. در واقع یک خازن است. باز هم هیچ کاری در زمینه فشار وجود ندارد.
در انتها ، فرآیندهای فشار ثابت اساساً فرآیندهای تبادل گرما هستند$Q=C_{p}\Delta T$
بیان بازده حرارتی برای یک چرخه بسته Brayton از نظر آنتالپی های ساکن
که در آن c دمای نهایی فرآیند احتراق و b دمای اولیه قبل از احتراق و a دمای اولیه گاز بدون مزاحمت و d دمای گاز پس از دفع آن است. اعداد مربوط به حروف از نمودار PV a = 2 است. b = 3 ؛ c = 4 ؛ d = 6
هرچه نسبت دما کوچکتر باشد ، بازده چرخه Braytons بالاتر است. بنابراین ، هرچه گرمای بیشتری به سیستم وارد شود و مقدار کمتری از گرمای اتمسفر از بین برود ، نسبت دما را به میزان قابل توجهی کاهش داده و درصد کارایی بالاتری خواهد داشت.
من یک چرخه Brayton دارم که از کمپرسور (مرحله 2 تا 3) ، مبدل حرارتی (مرحله 3 تا 4) و توربین (مرحله 4 تا 5) ساخته شده است. توربین و کمپرسور از طریق یک شافت متصل می شوند. چرخه از طریق مبدل حرارتی بسته می شود ، جایی که هوای چرخشی داغ خنک می شود. در اینجا یک تصویر وجود دارد:تصویر
$\eta_{th}=\dfrac{\dot{W}_{net}}{\dot{Q}_{in}} $ و $\eta_{th}=1-\dfrac{h^{\prime}_5-h_2}{h_4-h^{\prime}_3} $سعی کردم از عبارت عمومی برای صرفه جویی در انرژی برای یک حجم کنترل (ثابت) (CV) استفاده کنم:$ 0=\dot{Q}_\text{CV}-\dot{W}_\text{CV}+\dot{m}_\text{in}\left(h_\text{in}+\frac{v_\text{in}^2}{2}\right)-\dot{m}_\text{out}\left(h_\text{out}+\frac{v_\text{out}^2}{2}\right)$
Q˙CV سرعت انتقال حرارت بیش از مرز CV است.
W˙cv انتقال انرژی توسط کار در آن سوی مرز حجم کنترل است.
به عنوان مثال می توانم این فرمول را روی کمپرسور اعمال کنم و موارد زیر را دریافت می کنم:
شما باید قانون اول را در مورد مبدل حرارتی کمپرسور ، توربین و دمای بالا بررسی کنید.
اگر کمپرسور و توربین ایده آل هستند ، ما باید موارد زیر را داشته باشیم:
قانون اول برای کمپرسور: wc=h2−h′3
قانون اول مبدل حرارتی با درجه حرارت بالا: $ q_{in}=h_4-h'_3$
قانون اول توربین: $w_t=h_4-h'_5$
خوب با توجه $ \large{\eta_{th}}=\large{\frac{w_{net}}{q_{in}}}$ دارم $w_{net}=w_t+w_c=h_4-h'_5+h_2-h'_3=(h_4-h'_3)-(h'_5-h_2) $ پس کحاسبه میشه $ \Longrightarrow\;\large{\eta_{th}}=\large{\frac{(h_4-h'_3)-(h'_5-h_2)}{h_4-h'_3}}=1-\large{\frac{h'_5-h_2}{h_4-h'_3}}$
تصویر
توربین های گازی با استفاده از چرخه Brayton مدل سازی می شوند که در ساده ترین حالت از موارد زیر تشکیل می شود:
فشرده سازی ایزنتروپیک (در کمپرسور)
اضافه شدن گرما با فشار ثابت (محفظه احتراق)
انبساط ایزنتروپیک (در یک توربین)
و از آنجا که بهره وری به عنوان خروجی خالص / ورودی گرما تعریف می شود ، می توان به راحتی به عنوان زیر مربوط به دمای حالت های چرخه شد:
فرایندهای 1-2 و 3-4 ایزنتروپیک هستند و P2 = P3 و P4 = P1. بدین ترتیب:
و سرانجام بازده می تواند به نسبت فشرده سازی مربوط باشد به شرح زیر:
با این وجود بیشتر توربین های گازی در این شرایط ایده آل ساده نظیر فشرده سازی و انبساط ایزنتروپیک ، افزودن حرارت فشار ثابت ، فشرده سازی تک مرحله ای و انبساط تک مرحله ای کار نمی کنند. و در چنین مواردی مدل سازی و تجزیه و تحلیل کارایی بسیار پیچیده تر از چرخه ایده آل است.
تصویر

ارسال پست