Obieg Braytona-Joule'a - Polski Serwis Naukowy

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:

Turbina (z łac. turbo, burza, trąba powietrzna) – silnik przepływowy wykorzystujący energię przepływającego płynu do wytwarzania energii mechanicznej. Elementem wirnika oddziałującym z płynem są specjalnie ukształtowane łopatki.

Ciepło – w fizyce to jeden z dwóch sposobów, obok pracy, przekazywania energii wewnętrznej układowi termodynamicznemu. Jest to przekazywanie energii chaotycznego ruchu cząstek (atomów, cząsteczek, jonów) w zderzeniach cząstek tworzących te układy ; oznacza formę zmian energii, nie zaś jedną z form energii .

$\eta_{th}=1-\frac{T_{4} - T_{1}}{T_{3} - T_{2}}=1-\frac{T_{1}}{T_{2}}=1-\bigg(\frac{p_{1}}{p_{2}}\bigg)^\frac{\kappa-1}{\kappa}= \frac{T_{4}}{T_{3}}$

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%).

Sprawność - skalarna bezwymiarowa wielkość fizyczna określająca w jakim stopniu urządzenie, organizm lub proces przekształca energię występującą w jednej postaci w energię w innej postaci.

Układ gazowo-parowy (ang. Combined Cycle) jest połączeniem układu turbiny gazowej i turbiny parowej. Spaliny za turbiną gazową mają stosunkowo wysoką temperaturę (500-700 °C). W prostym układzie turbiny gazowej są one wyrzucane do otoczenia, a ich entalpia o stosunkowo wysokiej wartości stanowi stratę wylotową. Natomiast w układzie gazowo-parowym spaliny te są wykorzystywane do wytworzenia pary w wytwornicy pary (kotle odzyskowym).

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

Wikimedia Commons ma galerię ilustracji związaną z tematem:
Obieg Braytona-Joule'a

Obieg Rankine'a

przegrzew wtórny

chłodzenie międzystopniowe

układ gazowo-parowy

Źródła

Chmielniak T., Obiegi termodynamiczne turbin cieplnych. Maszyny przepływowe tom 2. Zakład Narodowy im. Ossolińskich Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk. Wrocław 1988.

Chmielniak T., Rusin A., Czwiertnia K., Turbiny gazowe. Maszyny przepływowe tom 25. Zakład Narodowy im. Ossolińskich Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk. Wrocław 2001.

Giampaolo T., The Gas Turbine Handbook: Principles and Practices. The Fairmont Press, Inc., Lilburn 1997.

D. Laudyn, M. Pawlik, F. Strzelczyk - "Elektrownie", Warszawa, WNT 1997, ISBN 83-204-2155-1

Perycz S., Turbiny parowe i gazowe. Maszyny przepływowe tom 10. Zakład Narodowy im. Ossolińskich Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk. Wrocław 1992.

Szargut J., Teoria procesów cieplnych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe, Warszawa 1973.

Sznee J. I., Teoria turbin gazowych. Państwowe Wydawnictwa Techniczne Warszawa 1954.

Tuliszka E., Turbiny cieplne. Zagadnienia cieplne i przepływowe. Wydawnictwa Naukowo–Techniczne, Warszawa 1973.