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燃氣輪機和熱引擎在世界各地不同的行業中使用。燃氣輪機的效率最高類型的渦輪機.燃氣輪機和一些熱機在布雷頓循環中工作。在前一篇文章中,我們討論了燃氣輪機的工作和類型.因此,在本文中,我們將討論布雷頓循環的不同方麵。
什麼是布雷頓自行車?
一個布雷頓循環一個熱力學循環能解釋a的運行嗎熱機在恒壓。
一個布雷頓循環描述了一個熱機從流動的燃料和空氣中提取能量來生產有用的工作,它還可以通過提供推力來驅動車輛。這個循環也被稱為焦耳循環。反焦耳循環具有與再生器相結合的外部熱源。
一個工程師喬治·布雷登(1830-1892)最初設計布雷頓循環是為了在活塞發動機中使用它。由於它的發明者的名字,它被稱為布雷頓循環。
原來的布雷頓發動機有往複式壓縮機還有一個往複式膨脹器。最新的噴氣發動機和燃氣渦輪引擎也改變了布雷頓循環。
燃氣輪機也是一種布雷頓發動機,由以下三部分組成:
- 擴張渦輪
- 燃燒室
- 氣體壓縮機
一般來說布雷頓循環介紹了一種功能原理恒壓式熱機.
這種循環是飛機或燃氣輪機發電廠最常見的熱循環之一。的布雷頓循環不會像這樣進行等溫過程卡諾周期.原因是等溫過程進行得很慢。
根據卡諾原理,可逆發動機(卡諾引擎)在相同的冷熱儲層之間工作的效率最高。因此,在布雷頓循環下運行的燃氣輪機效率低於卡諾熱機效率.
一個理想的布雷頓循環由以下四個過程完成:
- 兩個等熵過程(可逆絕熱)
- 兩個等熵過程。
布雷頓循環的工作
下麵用PV圖解釋布雷頓循環的工作原理。一個理想的布雷頓循環通過以下四個階段完成一個工作循環:
- 等熵壓縮當前位置首先,氣體被從大氣吸入發動機燃燒室。當工作氣體(如氦氣)被吸入時,壓縮機以一種熱不變的方式將其壓縮。由於壓縮過程,氣體的溫度和壓力變得非常高,但減少其體積。這個過程也稱為可逆絕熱過程,因為沒有傳熱。
- 等壓加熱(第2行到第3行):等熵壓縮過程完成後,壓縮氣體被輸送到燃燒室,外部熱源用來為工作氣體提供熱量。由於熱量的增加,壓縮氣體點燃,這個點火過程進一步增加了氣體的熱量。在整個過程中,工作氣體的焓增加,但其壓力保持不變。向氣體提供的淨熱量為:
問添加= H3.- - - - - - H2
- 等熵膨脹(3 ~ 4行):在這一階段,被加熱的壓縮氣體進入渦輪區域,並在那裏膨脹。隨著氣體膨脹,它的壓力和溫度降低,但熵保持不變。在這個過程中,氣體作用於渦輪並轉動渦輪葉片。這些葉片帶動曲軸旋轉,曲軸進一步帶動車輛車輪。
- 等壓排熱(第4行到第1行):在等壓排熱過程中,由於氣體的溫度降低,氣體通過熱交換器排出的未用熱不變。被拒絕的淨熱量為:
問再保險= H4- - - - - - H1
你知道:奧托自行車是如何工作的?
布雷頓循環的熱效率
淨輸出功(W)除以高溫時輸入的熱量(QH)被稱為熱效率熱機的。
為了計算布雷頓循環的效率,首先,我們需要知道,總的熱力學能中,做了多少功。
所以,
內部能量= U=−w+q1+q2 =0
根據1聖根據熱力學定律,在熱力學循環過程中,沒有熱量產生或消失。因此,在布雷頓循環中:
U = 0
將U= 0代入上式,最後式為:
w = q1 + q2
在上式中:
q1 =燃燒過程中獲得的熱量
q2 =膨脹後放出的熱量
將氣體考慮為理想氣體,同時具有恒定的比熱(cp), Q1可以得到:
q1 = cp (TI−TF)
和q2是:
q2 = cp (TF−TI)
在上式中:
TF =燃燒室最終溫度
TI =燃燒室初始溫度
根據PV圖,我們可以用T4代替TF,用T3代替TI, q1的最終方程為
q1 = cp (T4−T3)
經過q1和q2,我們可以很容易地求出布雷頓循環的熱效率,如下圖所示:
你知道:蘭金循環的熱效率是多少?
如何提高布裏頓循環的效率?
Brayton循環的效率可以通過以下途徑提高:
- 增加壓力比
- 再生
- 帶中間冷卻器的多級壓縮
- 提高渦輪進氣口溫度
- 提高渦輪和壓縮機的效率
1)增加壓力比:-
提高壓力比可以提高布雷頓循環的效率。在Otto循環的情況下,您可以觀察到,通過增加壓縮比,可以提高效率。然而,在實際應用中,提高壓力比有一定的局限性。
首先,當你增加壓比時,它會增加壓縮機排氣溫度。這可能導致離開燃燒室的氣體溫度超過汽輪機的冶金極限。
在壓氣機高壓級下,壓氣機葉片直徑也逐漸減小。因此,發動機與渦輪葉片之間的間隙增大。這一過程降低了壓縮機的效率,增加了壓比,提高了循環效率。
2)再生:-
如果布雷頓循環的壓比較低,燃燒室溫度較高,則排氣(在渦輪最後階段之後)可能比壓縮進氣(在壓縮階段結束,但在燃燒器之前)溫度更高。
在這種情況下,一個熱交換器(再生過程)可以用來將熱能從廢氣傳遞到已經加壓的氣體進入燃燒器之前。傳遞的熱能被有效地重複利用,提高了效率。然而,這種類型的熱回收過程隻有當發動機在低壓比的低效率模式下運行時才能實現。
3)熱電聯產係統:-
餘熱發電係統使利用布雷頓發動機的餘熱成為可能,通常用於空間供暖或水供暖。
4)提高渦輪進氣口溫度:-
隨著溫度的升高,工質壓力也隨之增大(根據理想氣體定律)。
根據Brayton理想效率方程,隨著壓力的增大,效率也隨之增大。高溫的局限性與渦輪葉片的材料特性有關。
5)提高壓縮機和渦輪的效率:-
提高渦輪和壓氣機的效率也就提高了循環的效率。通過氣動仿真的改進,可以提高渦輪和壓氣機的效率。
6)多級壓縮帶中冷器:-
通過保持一個幾乎恒定的溫度,壓縮就需要做少量的工作。這可以通過多級壓縮和機組之間的中間冷卻器來實現。
布雷頓循環的類型
布雷頓循環有以下三種類型:
- 關閉布雷頓循環
- 開放的布雷頓循環
- 可逆布雷頓循環
1)打開布雷頓自行車
廢氣直接排入環境的布雷頓循環稱為開放布雷頓循環。
在電廠中,燃氣輪機采用開式布雷頓循環。這個循環的工作方式如下:
- 壓縮過程(A到B行):壓縮機從大氣中吸入新鮮空氣,將其加壓至高壓和高溫(狀態B),壓縮後,壓縮機將壓縮空氣輸送到燃燒室,進行燃燒過程。
- 燃燒過程(B ~ C):噴油器噴射燃料,並在壓縮過程結束時將其與壓縮空氣混合。這種空氣-燃料-空氣混合物進入燃燒室,通過外部熱源向壓縮後的混合物提供熱量。由於增加熱量,混合物的溫度變得非常高,它就著火了。
- 渦輪相位(C ~ D):由於燃油-空氣混合物點火,燃油-空氣混合物的壓力變得非常高,這個壓力力推動渦輪葉片和動力開始產生。因此,這個階段也被稱為“權力階段”。
- 排氣過程:在這個階段,無用的氣體離開渦輪,渦輪將它們排出到大氣中。
讀也:卡諾循環
2)封閉布雷頓循環
在布雷頓循環中,廢氣在通過渦輪並重新進入壓縮機後不會排出到大氣中,這被稱為a關閉布雷頓循環.
在這個循環中,使用一個熱交換器來排除未使用的熱量。它用於高溫氣冷反應堆和關閉循環燃氣輪機。
封閉布雷頓循環的工作原理如下:
- 壓縮:氣體(如氦氣)引入壓縮機,壓縮機按要求將其壓縮後送入燃燒器(或燃燒室)。在此過程中,係統焓不變,壓力升高,溫度升高。
- 燃燒:在這一階段,熱源向壓縮氣體提供熱量,並由於氣體開始點火而提高其溫度。
- 權力的過程:由於點火過程,壓縮氣體的壓力和溫度變得非常高。引燃壓縮氣體產生的高壓力推動渦輪葉片,使曲軸進一步旋轉,產生動力推動車輛前進。在這一階段,氣體膨脹,壓力降低,
- 排氣部分:氣體通過渦輪排出後,進入熱交換器,熱交換器過濾加熱的氣體,並將未使用的熱量排出到大氣中。然而,氣體被重新引入壓縮機,整個過程再次重複(如下圖所示)。
3)逆布雷頓循環
一個逆布雷頓循環在一個工作反向路徑。它也被稱為布雷頓製冷循環。這個循環的主要目的是將熱量從冷儲層轉移到熱儲層,而不是生產功。
根據熱力學的2nd法律在美國,在沒有外界影響的情況下,熱不能自由地從冷的物體流向熱的物體。它的意思是,當一個外力作用於物體或係統時,熱量可以從冷的係統流向熱的係統。熱泵和冰箱的工作原理相同。這些係統從電動機中獲取能量,而電動機需要從環境中獲取能量才能正常工作。
一個可能的循環是反向布雷頓循環,它和正常的布雷頓循環一樣工作,但通過淨輸入功向相反的方向運行。因此,它也被稱為貝爾科爾曼循環或氣體製冷循環。
這種循環通常用於噴氣飛機的空調機組,使用從發動機壓縮機的空氣。這種循環也常用於LNG行業,其中較大的反向布雷頓循環通過消耗氮氣製冷劑和燃氣渦輪操作的壓縮機中的86mw對LNG進行過冷。