Ciclo de Brayton - Brayton cycle

Termodinâmica
O motor térmico clássico de Carnot
Galhos Clássico Estatístico Químico Termodinâmica quântica Equilíbrio  / Não equilíbrio
Leis Zero Primeiro Segundo Terceiro
Sistemas Sistema fechado Sistema isolado Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estado da matéria Fase (matéria) Equilíbrio Volume de controle Instrumentos Processos Isobárico Isocórico Isotérmico Adiabático Isentrópico Isentálpico Quasistático Politrópico Expansão grátis Reversibilidade Irreversibilidade Endoreversibilidade Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiência térmica
Propriedades do sistema Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedade Propriedades intensivas e extensas Funções de processo Trabalhar Aquecer Funções de estado Temperatura  / Entropia  ( introdução ) Pressão  / Volume Potencial químico  / número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades do material Bancos de dados de propriedades Capacidade de calor específica  ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ ${\displaystyle \partial S}$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle \partial T}$ Compressibilidade  ${\displaystyle \beta =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial p}$ Expansão térmica  ${\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle \partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle \partial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei do gás ideal Relações de Maxwell Relações recíprocas do Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
Potenciais Energia livre Entropia livre
História Cultura História Em geral Entropia Leis de gás Máquinas de "movimento perpétuo" Filosofia Entropia e tempo Entropia e vida Catraca browniana Demônio de maxwell Paradoxo da morte por calor Paradoxo de Loschmidt Sinergética Teorias Teoria calórica Vis viva ("força viva") Equivalente mecânico de calor Poder da motivação Publicações principais " Uma investigação experimental sobre ... calor " " Sobre o equilíbrio das substâncias heterogêneas " " Reflexões sobre a força motriz do fogo " Linhas do tempo Termodinâmica Motores térmicos Arte Educação Superfície termodinâmica de Maxwell Entropia como dispersão de energia
Cientistas Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
De outros Nucleação Auto-montagem Auto-organização Ordem e desordem
Categoria
v t e

O ciclo de Brayton é um ciclo termodinâmico que descreve a operação de certos motores térmicos que têm ar ou algum outro gás como fluido de trabalho. Os motores Brayton originais usavam um compressor de pistão e um expansor de pistão, mas os motores modernos de turbina a gás e os motores a jato de respiração de ar também seguem o ciclo de Brayton. Embora o ciclo seja normalmente executado como um sistema aberto (e na verdade deve ser executado como tal se a combustão interna for usada), é convencionalmente assumido para fins de análise termodinâmica que os gases de exaustão são reutilizados na entrada, permitindo a análise como um sistema fechado sistema.

O ciclo do motor tem o nome de George Brayton (1830-1892), o engenheiro americano que o desenvolveu originalmente para uso em motores a pistão, embora tenha sido originalmente proposto e patenteado pelo inglês John Barber em 1791. Às vezes também é conhecido como o ciclo de Joule . O ciclo de Joule invertido usa uma fonte externa de calor e incorpora o uso de um regenerador. Um tipo de ciclo de Brayton é aberto à atmosfera e usa uma câmara de combustão interna ; e outro tipo é fechado e usa um trocador de calor.

História

Em 1872, George Brayton solicitou uma patente para seu "Ready Motor", um motor térmico alternativo operando em um ciclo de energia a gás. O motor era de dois tempos e produzia potência em todas as revoluções. Os motores Brayton usavam um compressor de pistão e um expansor de pistão separados, com ar comprimido aquecido por fogo interno ao entrar no cilindro do expansor. As primeiras versões do motor Brayton eram motores a vapor que misturavam combustível com ar à medida que entrava no compressor por meio de um carburador de superfície aquecida . O combustível / ar era contido em um reservatório / tanque e então era admitido no cilindro de expansão e queimado. Quando a mistura combustível / ar entrou no cilindro de expansão, foi acesa por uma chama piloto. Uma tela foi usada para evitar que o fogo entre ou retorne ao reservatório. Nas primeiras versões do motor, essa tela às vezes falhava e ocorria uma explosão. Em 1874, Brayton resolveu o problema da explosão adicionando o combustível um pouco antes do cilindro do expansor. O motor agora usava combustíveis mais pesados, como querosene e óleo combustível. A ignição permaneceu como uma chama piloto. Brayton produziu e vendeu "Ready Motors" para realizar uma variedade de tarefas como bombeamento de água, operação de moinho, funcionamento de geradores e propulsão marítima. Os "Ready Motors" foram produzidos de 1872 a 1880; várias centenas desses motores provavelmente foram produzidos durante esse período. Brayton licenciou o projeto para Simone no Reino Unido. Muitas variações do layout foram usadas; alguns eram de ação única e outros de ação dupla. Alguns tinham travessas sob as vigas; outros tinham vigas suspensas. Modelos horizontais e verticais foram construídos. Os tamanhos variaram de menos de um a mais de 40 cavalos de potência. Os críticos da época afirmavam que os motores funcionavam perfeitamente e tinham uma eficiência razoável.

Os motores de ciclo de Brayton foram alguns dos primeiros motores de combustão interna usados ​​para força motriz. Em 1875, John Holland usou um motor Brayton para impulsionar o primeiro submarino automotor do mundo (barco nº 1 da Holanda). Em 1879, um motor Brayton foi usado para impulsionar um segundo submarino, o Fenian Ram . Os submarinos de John Philip Holland estão preservados no Museu de Paterson, no distrito histórico de Old Great Falls, em Paterson, Nova Jersey .

George B Selden dirigindo um automóvel movido a Brayton em 1905

Em 1878, George B. Selden patenteou o primeiro automóvel de combustão interna. Inspirado pelo motor de combustão interna inventado por Brayton exibido na Exposição do Centenário na Filadélfia em 1876, Selden patenteou um carro de quatro rodas trabalhando em uma versão multicilindro menor e mais leve. Ele então entrou com uma série de alterações em seu pedido que esticou o processo legal, resultando em um atraso de 16 anos antes que a patente fosse concedida em 5 de novembro de 1895. Em 1903, Selden processou a Ford por violação de patente e Henry Ford lutou contra o Selden patente até 1911. Selden nunca havia produzido um carro que funcionasse, então, durante o teste, duas máquinas foram construídas de acordo com os desenhos da patente. Ford argumentou que seus carros usavam o ciclo Alphonse Beau de Rochas de quatro tempos ou o ciclo Otto, e não o motor de ciclo Brayton usado no automóvel Selden. A Ford venceu a apelação do caso original.

Em 1887, Brayton desenvolveu e patenteou um motor a óleo de injeção direta de quatro tempos (patente dos EUA nº 432.114 de 1890, pedido apresentado em 1887). O sistema de combustível usava uma bomba de quantidade variável e injeção de combustível líquido de alta pressão do tipo spray. O líquido era forçado através de uma válvula de alívio acionada por mola (injetor) que fazia com que o combustível se dividisse em pequenas gotas. A injeção foi programada para ocorrer no pico ou próximo ao pico do golpe de compressão. Um dispositivo de ignição de platina forneceu a fonte de ignição. Brayton descreve a invenção como: "Eu descobri que óleos pesados ​​podem ser mecanicamente convertidos em uma condição finamente dividida dentro de uma porção de queima do cilindro ou em uma câmara de queima comunicante." Outra parte diz: "Pela primeira vez, até onde meu conhecimento se estende, regulei a velocidade controlando de forma variável a descarga direta de combustível líquido na câmara de combustão ou cilindro em uma condição finamente dividida altamente favorável à combustão imediata." Este foi provavelmente o primeiro motor a usar um sistema de queima enxuta para regular a velocidade e a saída do motor. Desse modo, o motor acionava cada curso de potência e a velocidade e a saída eram controladas exclusivamente pela quantidade de combustível injetado.

Em 1890, Brayton desenvolveu e patenteou um motor a óleo de jato de ar de quatro tempos (patente norte-americana nº 432.260). O sistema de combustível distribuiu uma quantidade variável de combustível vaporizado para o centro do cilindro sob pressão no ou próximo ao pico do curso de compressão. A fonte de ignição foi um dispositivo de ignição feito de fio de platina. Uma bomba injetora de quantidade variável fornecia o combustível a um injetor, onde era misturado ao ar ao entrar no cilindro. Um pequeno compressor acionado por manivela fornecia a fonte de ar. Este motor também usava o sistema lean-burn.

Rudolf Diesel propôs originalmente uma compressão muito alta, ciclo de temperatura constante, onde o calor da compressão excederia o calor da combustão, mas depois de vários anos de experimentos, ele percebeu que o ciclo de temperatura constante não funcionaria em um motor a pistão. Os primeiros motores a diesel usam um sistema de jato de ar que foi lançado por Brayton em 1890. Consequentemente, esses primeiros motores usam o ciclo de pressão constante.

Assim como as turbinas a vapor foram uma adaptação dos motores a pistão a vapor, as turbinas a gás foram uma adaptação dos primeiros motores a pistão de pressão constante.

• Exemplos de motores Brayton
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  Brayton motor a gasolina 1872

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  Brayton walking viga motor 1872

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  Motor Brayton 1875

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  Motor Brayton de dupla ação de pressão constante desligado 1877

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  Brayton motor de jato de ar de quatro tempos 1889

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  Brayton motor de jato de ar de quatro tempos 1890

História inicial da turbina a gás

• 1791 Primeira patente para uma turbina a gás (John Barber, Reino Unido)
• 1904 Projeto malsucedido de turbina a gás por Franz Stolze em Berlim (primeiro compressor axial)
• 1906 GT por Armengaud Lemale na França (compressor centrífugo, sem energia útil)
• 1910 Primeiro GT com combustão intermitente (Holzwarth, 150 kW, combustão de volume constante)
• 1923 Primeiro turbocompressor de gás de escape para aumentar a potência dos motores a diesel
• 1939 Primeira turbina a gás do mundo para geração de energia (Brown Boveri Company), Neuchâtel, Suíça

(queimador velox, aerodinâmica por Stodola)

Modelos

Um motor do tipo Brayton consiste em três componentes: um compressor , uma câmara de mistura e um expansor .

Os motores Brayton modernos são quase sempre do tipo turbina, embora Brayton só fabricasse motores a pistão. No motor Brayton original do século 19, o ar ambiente é puxado para um compressor de pistão, onde é comprimido ; idealmente, um processo isentrópico . O ar comprimido então passa por uma câmara de mistura onde o combustível é adicionado, um processo isobárico . A mistura de ar pressurizado e combustível é então inflamada em um cilindro de expansão e energia é liberada, fazendo com que o ar aquecido e os produtos da combustão se expandam através de um pistão / cilindro, outro processo idealmente isentrópico. Parte do trabalho extraído pelo pistão / cilindro é usado para acionar o compressor por meio de um virabrequim.

As turbinas a gás também são motores Brayton, com três componentes: um compressor de gás, um queimador (ou câmara de combustão ) e uma turbina de expansão .

Ciclo de Brayton ideal:

1. processo isentrópico - o ar ambiente é puxado para o compressor, onde é pressurizado.
2. processo isobárico - o ar comprimido então passa por uma câmara de combustão, onde o combustível é queimado, aquecendo o ar - um processo de pressão constante, uma vez que a câmara é aberta para entrar e sair.
3. processo isentrópico - o ar aquecido e pressurizado cede sua energia, expandindo-se por meio de uma turbina (ou série de turbinas). Parte do trabalho extraído pela turbina é usado para acionar o compressor.
4. processo isobárico - rejeição de calor (na atmosfera).

Ciclo de Brayton real:

1. processo adiabático - compressão
2. processo isobárico - adição de calor
3. processo adiabático - expansão
4. processo isobárico - rejeição de calor

O ciclo de Brayton idealizado onde P = pressão, v = volume, T = temperatura, s = entropia eq = o calor adicionado ou rejeitado pelo sistema.

Uma vez que nem a compressão nem a expansão podem ser verdadeiramente isentrópicas, as perdas através do compressor e do expansor representam fontes de ineficiências de trabalho inevitáveis . Em geral, aumentar a taxa de compressão é a maneira mais direta de aumentar a potência geral de um sistema Brayton.

A eficiência do ciclo de Brayton ideal é , onde é a relação da capacidade de calor . A Figura 1 indica como a eficiência do ciclo muda com um aumento na razão de pressão. A Figura 2 indica como a saída de energia específica muda com um aumento na temperatura de entrada da turbina a gás para dois valores de razão de pressão diferentes. ${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }}$${\displaystyle \gamma }$

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  Figura 1: Eficiência do ciclo de Brayton

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  Figura 2: Potência de saída específica do ciclo de Brayton

A maior temperatura do ciclo ocorre no final do processo de combustão e é limitada pela temperatura máxima que as pás da turbina podem suportar. Isso também limita as relações de pressão que podem ser usadas no ciclo. Para uma temperatura de entrada de turbina fixa, a produção líquida de trabalho por ciclo aumenta com a razão de pressão (portanto, a eficiência térmica) e a produção líquida de trabalho. Com menos produção de trabalho por ciclo, uma taxa de fluxo de massa maior (portanto, um sistema maior) é necessária para manter a mesma produção de energia, o que pode não ser econômico. Nos projetos mais comuns, a razão de pressão de uma turbina a gás varia de cerca de 11 a 16.

Métodos para aumentar o poder

A potência de saída de um motor Brayton pode ser melhorada por:

• Reaquecimento, em que o fluido de trabalho - na maioria dos casos o ar - se expande através de uma série de turbinas e, em seguida, é passado por uma segunda câmara de combustão antes de se expandir à pressão ambiente através de um conjunto final de turbinas, tem a vantagem de aumentar a potência de saída possível para um dada taxa de compressão sem exceder quaisquer restrições metalúrgicas (tipicamente cerca de 1000 ° C). O uso de pós - combustão para motores de aeronaves a jato também pode ser referido como "reaquecimento"; é um processo diferente em que o ar reaquecido é expandido através de um bico de impulso em vez de uma turbina. As restrições metalúrgicas são um pouco atenuadas, permitindo temperaturas de reaquecimento muito mais altas (cerca de 2.000 ° C). O reaquecimento é mais frequentemente usado para melhorar a potência específica (por fluxo de ar) e geralmente está associado a uma queda na eficiência; este efeito é especialmente pronunciado em pós-combustores devido às quantidades extremas de combustível extra usado.
• No overspray, após o primeiro estágio do compressor, a água é injetada no compressor, aumentando assim o fluxo de massa dentro do compressor, aumentando a potência de saída da turbina significativamente e reduzindo as temperaturas de saída do compressor. No segundo estágio do compressor, a água é completamente convertida na forma de gás, oferecendo algum resfriamento intermediário por meio de seu calor latente de vaporização.

Métodos para melhorar a eficiência

A eficiência de um motor Brayton pode ser melhorada por:

• Aumentar a razão de pressão, como mostra a Figura 1 acima, aumentar a razão de pressão aumenta a eficiência do ciclo de Brayton. Isso é análogo ao aumento de eficiência visto no ciclo de Otto quando a taxa de compressão é aumentada. No entanto, existem limites práticos quando se trata de aumentar a relação de pressão. Em primeiro lugar, o aumento da relação de pressão aumenta a temperatura de descarga do compressor. Isso pode fazer com que a temperatura dos gases que saem do combustor ultrapasse os limites metalúrgicos da turbina. Além disso, o diâmetro das lâminas do compressor torna-se progressivamente menor nos estágios de pressão mais alta do compressor. Como a lacuna entre as lâminas e a carcaça do motor aumenta em tamanho como uma porcentagem da altura da lâmina do compressor à medida que as lâminas ficam menores em diâmetro, uma porcentagem maior do ar comprimido pode vazar de volta pelas lâminas em estágios de pressão mais alta. Isso causa uma queda na eficiência do compressor e é mais provável de ocorrer em turbinas a gás menores (uma vez que as lâminas são inerentemente menores para começar). Finalmente, como pode ser visto na Figura 1, os níveis de eficiência diminuem à medida que a razão de pressão aumenta. Conseqüentemente, pouco ganho é esperado ao aumentar a razão de pressão ainda mais se ela já estiver em um nível alto.
• Recuperador - Se o ciclo de Brayton for executado em uma razão de baixa pressão e um aumento de alta temperatura na câmara de combustão, o gás de exaustão (após o último estágio da turbina) pode ainda estar mais quente do que o gás de entrada comprimido (após o último estágio de compressão, mas antes o combustor). Nesse caso, um trocador de calor pode ser usado para transferir energia térmica do escapamento para o gás já comprimido, antes que ele entre na câmara de combustão. A energia térmica transferida é efetivamente reaproveitada, aumentando a eficiência. No entanto, esta forma de reciclagem de calor só é possível se o motor funcionar em um modo de baixa eficiência com baixa relação de pressão em primeiro lugar. Transferir calor da saída (após a última turbina) para a entrada (antes do primeiro estágio do compressor) reduziria a eficiência, pois o ar de entrada mais quente significa mais volume, portanto, mais trabalho para o compressor. Para motores com combustíveis criogênicos líquidos, nomeadamente hidrogênio , pode ser viável, no entanto, usar o combustível para resfriar o ar de admissão antes da compressão para aumentar a eficiência. Este conceito é amplamente estudado para o motor SABRE .
• Um motor Brayton também forma metade do sistema de ciclo combinado , que se combina com um motor Rankine para aumentar ainda mais a eficiência geral. No entanto, embora isso aumente a eficiência geral, na verdade não aumenta a eficiência do próprio ciclo de Brayton.
• Os sistemas de cogeração utilizam o calor residual dos motores Brayton, normalmente para a produção de água quente ou aquecimento ambiente.

Variantes

Ciclo fechado de Brayton

Compressor fechado de ciclo

C de Brayton e conjunto de turbina T w trocador de calor de alta temperatura ʍ trocador de calor de baixa temperatura ~ carga mecânica, por exemplo, gerador elétrico

Um ciclo de Brayton fechado recircula o fluido de trabalho ; o ar expelido da turbina é reintroduzido no compressor, este ciclo usa um trocador de calor para aquecer o fluido de trabalho ao invés de uma câmara de combustão interna. O ciclo fechado de Brayton é usado, por exemplo, em turbinas a gás de ciclo fechado e geração de energia espacial.

Ciclo Solar Brayton

Em 2002, um ciclo de Brayton solar aberto híbrido foi operado pela primeira vez de forma consistente e eficaz com artigos relevantes publicados, no quadro do programa SOLGATE da UE. O ar foi aquecido de 570 a mais de 1000 K na câmara do combustor. Hibridização adicional foi alcançada durante o projeto Solhyco da UE executando um ciclo de Brayton hibridizado com energia solar e biodiesel apenas. Esta tecnologia foi ampliada para 4,6 MW dentro do projeto Solugas localizado perto de Sevilha, onde atualmente é demonstrada em escala pré-comercial.

Ciclo Brayton reverso

Um ciclo de Brayton que é acionado ao contrário, via entrada de trabalho de rede, e quando o ar é o fluido de trabalho, é o ciclo de refrigeração de gás ou ciclo de Bell Coleman. Seu objetivo é mover o calor, em vez de produzir trabalho. Esta técnica de resfriamento de ar é amplamente utilizada em aeronaves a jato para sistemas de ar condicionado usando purga de ar extraído dos compressores do motor. Ele também é usado na indústria de GNL , onde o maior ciclo de Brayton reverso é para sub-resfriamento de GNL usando 86 MW de energia de um compressor movido a turbina a gás e refrigerante de nitrogênio.

Ciclo de Brayton invertido

Veja também

• Motor rotativo Britalus
• Gerotor
• Motor térmico
• HVAC

Referências

links externos

• Artigo Today in Science sobre Brayton Engine
• http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=JSEEDO000126000003000872000001&idtype=cvips&gifs=yes
• http://elib.dlr.de/46328/
• Teste e avaliação de um sistema de turbina a gás movido a energia solar