Цикл Брайтона

Термодинамические циклы
Статья является частью серии «Термодинамика».
Цикл Аткинсона
Цикл Брайтона/Джоуля
Цикл Гирна
Цикл Дизеля
Цикл Калины
Цикл Карно
Цикл Ленуара
Цикл Миллера
Цикл Отто
Цикл Ренкина
Цикл Стирлинга
Цикл Тринклера
Цикл Хамфри
Цикл Эрикссона
Разделы термодинамики
Начала термодинамики
Уравнение состояния
Термодинамические величины
Термодинамические потенциалы
Термодинамические циклы
Фазовые переходы
править
См. также «Физический портал»

Цикл Брайтона/Джоуля — термодинамический цикл, описывающий рабочие процессы газотурбинного, турбореактивного и прямоточного воздушно-реактивного двигателей внутреннего сгорания, а также газотурбинных двигателей внешнего сгорания с замкнутым контуром газообразного (однофазного) рабочего тела.

Цикл назван в честь американского инженера Джорджа Брайтона, который изобрёл поршневой двигатель внутреннего сгорания, работавший по этому циклу.

Иногда этот цикл называют также циклом Джоуля — в честь английского физика Джеймса Джоуля, установившего механический эквивалент тепла.

P — V диаграмма цикла Брайтона

I — S (T — S) диаграмма цикла Брайтона
Идеального (1—2—3—4—1)
Реального (1—2_p—3—4_p—1)

Идеальный цикл Брайтона состоит из процессов

• 1—2 Изоэнтропическое сжатие.
• 2—3 Изобарический подвод теплоты.
• 3—4 Изоэнтропическое расширение.
• 4—1 Изобарический отвод теплоты.

С учётом отличий реальных адиабатических процессов расширения и сжатия от изоэнтропических, строится реальный цикл Брайтона (1—2_p—3—4_p—1 на T-S диаграмме)

Термический КПД идеального цикла Брайтона принято выражать формулой:
$\eta=1-\frac{1}{\pi^{\frac{k-1} {k}}}$

где $\,\pi=p_2/p_1$ — степень повышения давления в процессе изоэнтропийного сжатия (1—2);

$\,k$ — показатель адиабаты (для воздуха равный 1,4)

Следует особо отметить, что этот общепринятый способ вычисления КПД цикла затемняет суть происходящего процесса. Предельный КПД термодинамического цикла вычисляется через отношение температур по формуле Карно: $\,\!\eta = 1 - \frac{T_1}{T_2}$.

где $T_1$ - температура холодильника;

$T_2$ - температура нагревателя.

Ровно это же отношение температур можно выразить через величину применяемых в цикле отношений давлений и показатель адиабаты:

$\frac{T_1}{T_2}=\frac{p_1} {p_2}^{\frac{k-1} {k}}$.

Таким образом, КПД цикла Брайтона зависит от начальной ($T_1$) и конечной температур ($T_2$) процесса сжатия ровно так же, как и КПД цикла Карно. При бесконечно малой величине нагрева рабочего тела по линии (2-3) процесс можно считать изотермическим и полностью эквивалентным циклу Карно. Величина нагрева рабочего тела $T_3$ при изобарическом процессе определяет величину работы отнесённую к количеству использованного в цикле рабочего тела и не влияет на рассчитанный по вышеуказанной формуле термический КПД цикла.

Однако при реализации цикла нагрев стремятся производить до возможно больших величин, ограниченных жаростойкостью применяемых материалов - с целью минимизировать размеры механизмов, осуществляющих сжатие и расширение рабочего тела. Поэтому верхней температурой цикла практически является температура $T_3$. Соответственно, КПД цикла Брайтона меньше КПД цикла Карно, реализованного в диапазоне температур $T_1$ - $T_3$.

Двигатель Эриксона исторически и конструктивно - предшественник поршневого двигателя Брайтона. Цикл Эриксона является вариантом регенеративной реализации цикла Брайтона, подобно тому как цикл Стирлига можно считать вариантом регенеративной реализации цикла Карно. Оба двигателя имеют накопительную ёмкость для сжатого газа. Сжатие в двигателе Эриксона, как и у двигателя Брайтона, изоэнтропическое, расширение же существенно отличается - оно не изоэнтропическое, а изотермическое с регенерацией.

Конструктивные особенности двигателя Эриксона позволяют: 1. исключить фазовый сдвиг между работой компрессорного и расширительного цилиндров (сравните с двигателем Стирлинга, который не может практически реализовать цикл Стирлинга без дискретного движения поршней); 2. устранить влияние мёртвого (не вытесняемого) объёма регенератора и расширительного цилиндра на КПД (сравните с двигателем Ситрлига, в котором рост мёртвого объёма снижает степень сжатия и температуру цикла) 3. устранить влияние отсечки на КПД и соответственно упростить кинематику механизма золотника (сравните с паровой машиной Уатта, которой для экономичной работы отсечка необходима); 4. повышает устойчивость двигателя к колебаниям потребляемой нагрузкой мощности и даёт возможность самозапуска за счёт использования буферных свойств накопительной ёмкости (в этом отношении двигатель сопоставим с паровой машиной Уатта); 5. снижает требования к температурной стойкости золотника (клапанов) горячего цилиндра которые работают при температуре $T_2$, тогда как прямая реализация цикла Брайтона на поршневой машине требовала работы при температуре $T_3$.

Существенным недостатком двигателя Эриксона является необходимость изотермического подогрева газа непосредственно в цилиндре расширения в течение всего процесса расширения. Следствием неизотермичности процесса расширения 3-4 (приближения его к адиабате / изоэнтропе) становится неизобарность процесса 2-3, он более приближается к изотерме проходящей через точки 2-4, что вызывает бесполезное дросселирование предварительно сжатого газа. Другой недостаток, общий с двигателем Стирлинга, - необходимость регенеративного или рекуперативного подогрева воздуха, поступающего в топку за счёт недоохлаждённых дымовых газов - их температура на выходе из двигателя не менее $T_3$.

Именно эти недостатки преодолел Брайтон, перейдя с внешнего сгорания топлива на горение предварительно сжатой смеси воздуха и светильного газа непосредственно в цилиндре расширения (Georg B. Brayton. Improvement in Gas Engines. No. 125,166 Patented April 2, 1872), сохранив вышеперечисленное достоинства, но одновременно утратив присущую двигателям внешнего сгорания многотопливность.

Следует отметить, что приравнивание двигателя Стирлига и Эриксона, производимое на основании наличия в этих двигателях внешнего подогрева рабочего тела и регенератора, некорректно. В двигателе Эриксона, в отличие от Стирлинга, нет холодильника. КПД идеального двигателя Стирлинга равен КПД цикла Карно в диапазоне температур $T_1$ - $T_3$, тогда как КПД идеального двигателя Эриксона равен КПД цикла Карно в диапазоне температур $T_1$ - $T_2$.

Обратный цикл Брайтона

Если обойти цикл Брайтона в обратном направлении — (1—4—3—2—1) получится цикл холодильной машины, называемый также циклом Белла Колемана.

Поскольку согласно второму началу термодинамики непосредственная теплопередача от тела с более низкой температурой к телу с более высокой невозможна, холодильный цикл Брайтона осуществим только при условии, что температура холодильника не ниже $\,T_4$ , а температура нагревателя не выше $\,T_2$.

Холодильные установки с замкнутым контуром газообразного однофазного рабочего тела, работающие по обратному циклу Брайтона, применяются на практике.

См. также

• Газотурбинный двигатель
• Турбореактивный двигатель
• Прямоточный воздушно-реактивный двигатель
• Брайтон, Джордж
• Термодинамический цикл

Ссылки

• Цикл Брайтона-Джоуля для рабочего процсса газовой турбины.(Анимация)
• Цикл Брайтона-Джоуля для рабочего процсса турбореактивного двигателя.(Анимация)
• ЦИКЛЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ (ДВС)