Obieg Braytona-Joule’a

Rzeczywisty i teoretyczny obieg Braytona-Joule’a na wykresie T-s. Linią przerywaną zaznaczone są przemiany rzeczywiste.

Obieg Braytona-Joule’a jest obiegiem porównawczym turbin gazowych. Składa się on z następujących przemian:

  • 1-2 – sprężanie adiabatyczne, bez strat, czyli reprezentowane przez adiabatę odwracalną, będącą jednocześnie izentropą,
  • 2-3 – izobaryczne dostarczenie ciepła (w układach rzeczywistych realizowane zwykle przez spalanie wewnętrzne paliwa),
  • 3-4 – rozprężanie adiabatyczne, bez strat, czyli odwracalne i jednocześnie izentropowe,
  • 4-1 – izobaryczne chłodzenie (w układach rzeczywistych realizowane zwykle poprzez wydalenie gorącego czynnika po rozprężeniu w turbinie i zassanie zimnego powietrza z otoczenia).

Teoretyczna sprawność obiegu wynosi:

η t h = 1 − T 4 − T 1 T 3 − T 2 = 1 − T 1 T 2 = 1 − ( p 1 p 2 ) κ − 1 κ = 1 − T 4 T 3 . {\displaystyle \eta _{th}=1-{\frac {T_{4}-T_{1}}{T_{3}-T_{2}}}=1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {p_{1}}{p_{2}}}\right)^{\frac {\kappa -1}{\kappa }}=1-{\frac {T_{4}}{T_{3}}}.}

Maksymalna temperatura obiegu (T3) w przypadku rzeczywistym ograniczana jest od góry przez własności materiałów, z których wykonywane są pierwsze stopnie turbiny (żaroodporność, żarowytrzymałość).

Obieg rzeczywisty turbiny gazowej różni się od porównawczego występowaniem strat. Straty te to tarcie wewnętrzne w procesach sprężania i rozprężania, oraz straty ciśnienia w procesach ogrzewania i chłodzenia czynnika.

W celu podniesienia sprawności obiegu Braytona-Joule’a wprowadza się regenerację ciepła (podgrzewanie sprężonego powietrza przed komorą spalania przez gorące spaliny), międzystopniowe chłodzenie (chłodzenie powietrza między dwoma stopniami sprężarki) i/lub dwustopniowe rozprężanie z przegrzewem wtórnym. Możliwe jest również wykorzystanie ciepła spalin z punktu 4 do produkcji pary zasilającej turbinę parową (por. układ gazowo-parowy, który może osiągać sprawność rzędu 60%).

Większość (ok. 2/3) mocy produkowanej przez turbinę zużywane jest na napęd sprężarki, co jest przyczyną stosunkowo niskiej sprawności obiegu w konfiguracji prostej.

Zobacz też

Zobacz galerię związaną z tematem: Obieg Braytona-Joule’a

Bibliografia

  • T. Chmielniak: Obiegi termodynamiczne turbin cieplnych. Maszyny przepływowe. T. 2. Wrocław: Zakład Narodowy im. Ossolińskich Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk., 1988.
  • T. Chmielniak, A. Rusin, K. Czwiertnia: Turbiny gazowe. Maszyny przepływowe. T. 25. Wrocław: Zakład Narodowy im. Ossolińskich Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, 2001.
  • T. Giampaolo: The Gas Turbine Handbook: Principles and Practices. Lilburn: The Fairmont Press, Inc., 1997.
  • DamazyD. Laudyn DamazyD., MaciejM. Pawlik MaciejM., FranciszekF. Strzelczyk FranciszekF., Elektrownie, Warszawa: WNT, 1997, ISBN 83-204-2155-1, OCLC 749403322 .
  • S. Perycz: Turbiny parowe i gazowe. Maszyny przepływowe tom 10. Wrocław: Zakład Narodowy im. Ossolińskich Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, 1992.
  • J. Szargut: Teoria procesów cieplnych. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1973.
  • J.I. Sznee: Teoria turbin gazowych. Warszawa: Państwowe Wydawnictwa Techniczne, 1954.
  • E. Tuliszka: Turbiny cieplne. Zagadnienia cieplne i przepływowe. Warszawa: Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1973.
  • Britannica: technology/Brayton-cycle
  • SNL: Joule–Brayton-prosess