Proses Siklus Brayton, Efisiensi, Aplikasi, Latihan

Dia Siklus Brayton Ini adalah siklus termodinamika yang terdiri dari empat proses dan berlaku untuk cairan termodinamika yang dapat dikompres seperti gas. Penyebutan pertamanya berasal dari akhir abad ke -18, meskipun dia menghabiskan beberapa waktu sebelum dia dibesarkan oleh James Joule. Itulah mengapa juga dikenal sebagai siklus joule.

Ini terdiri dari tahap -tahap berikut, yang diilustrasikan dengan mudah dalam diagram tekanan - Volume Gambar 1: Kompresi adiabatik (tidak ada panas yang dipertukarkan), ekspansi isobarik (terjadi pada tekanan konstan), ekspansi adiabatik (tidak ada panas yang dipertukarkan) dan kompresi isobarik) (terjadi pada tekanan konstan).

Gambar 1. Siklus Brayton. Sumber: Made sendiri.

[TOC]

Proses dan deskripsi

Siklus Brayton adalah siklus termodinamika yang ideal yang paling baik diterapkan untuk menjelaskan fungsi termodinamika turbin gas dan memadukan bahan bakar udara, digunakan untuk menghasilkan listrik dan di mesin penerbangan.

Gambar 2. Skema dan tahap aliran turbin. Sumber: Made sendiri.

Misalnya, dalam pengoperasian turbin ada beberapa tahap dalam aliran gas operasi, yang akan kita lihat di bawah.

Penerimaan

Ini terdiri dari saluran masuk udara pada suhu dan tekanan lingkungan karena pembukaan turbin.

Kompresi

Udara dikompres oleh palet pemintalan terhadap orang lain yang ditetapkan di bagian kompresor turbin. Kompresi ini sangat cepat sehingga praktis tidak ada pertukaran panas, sehingga dimodelkan melalui proses Brayton Cycle AB. Udara di pintu keluar kompresor telah meningkatkan tekanan dan suhunya.

Pembakaran

Udara dicampur dengan gas propana atau bahan bakar bubuk yang diperkenalkan oleh injektor ruang pembakaran. Campuran menghasilkan reaksi pembakaran kimia.

Reaksi ini adalah yang memberikan panas yang meningkatkan suhu dan energi kinetik dari partikel gas yang mengembang di ruang pembakaran pada tekanan konstan. Dalam siklus Brayton, langkah ini dimodelkan dengan proses BC yang terjadi pada tekanan konstan.

Ekspansi

Di bagian turbin itu sendiri, udara terus berkembang terhadap palet turbin yang membuatnya berputar dan menghasilkan pekerjaan mekanis. Pada langkah ini udara menurunkan suhunya tetapi tanpa bertukar panas secara praktis dengan lingkungan.

Dalam siklus Brayton, langkah ini disimulasikan sebagai CD proses ekspansi adiabatik. Bagian dari pekerjaan turbin ditransfer ke kompresor dan yang lainnya digunakan untuk memindahkan generator atau baling -baling.

Knalpot

Udara keluar berada di bawah tekanan konstan sama dengan lingkungan dan menghasilkan panas ke massa besar udara eksternal, jadi dalam waktu singkat dibutuhkan suhu udara masuk yang sama. Dalam siklus Brayton, langkah ini disimulasikan dengan proses tekanan konstan, menutup siklus termodinamika.

Efisiensi berdasarkan suhu, panas dan tekanan

Kami mengusulkan untuk menghitung efisiensi siklus Brayton, yang kami mulai dari definisi yang sama.

Dalam mesin termal, efisiensi didefinisikan sebagai pekerjaan bersih yang dilakukan oleh mesin dibagi dengan energi panas yang disediakan.

Itu bisa melayani Anda: refleksi cahaya

Prinsip pertama termodinamika menetapkan bahwa panas bersih berkontribusi pada gas dalam proses termodinamika sama dengan variasi energi internal gas ditambah pekerjaan yang dilakukan dengan hal yang sama.

Tetapi dalam siklus yang lengkap, variasi energi internal tidak berlaku, jadi ia memiliki panas bersih yang berkontribusi dalam siklus sama dengan pekerjaan bersih yang dilakukan.

Panas yang masuk, panas dan efisiensi yang keluar

Ekspresi sebelumnya memungkinkan kita untuk menulis efisiensi berdasarkan panas yang diserap atau masuk (positvo) dan panas yang ditugaskan atau keluar (negatif).

Panas dan tekanan dalam siklus Brayton

Dalam siklus Brayton, panas memasuki proses isobarik BC dan keluar dalam proses isobarik.

Dengan asumsi bahwa tekanan non konstan yang dipasok dengan panas sensitif yang dalam proses BC, maka suhunya meningkat dari TB ke TC sesuai dengan hubungan berikut:

Di mana CP Itu adalah kapasitas panas pada tekanan konstan.

Panas yang keluar Qs Ini dapat dihitung secara serupa dengan hubungan berikut yang berlaku untuk proses pada tekanan konstan memberi:

Mengganti ekspresi ini dalam ekspresi yang memberi kita efisiensi berdasarkan panas yang masuk dan panas keluar, menjadikan penyederhanaan terkait hubungan berikut untuk efisiensi diperoleh:

Mengakibatkan efisiensi tidak tergantung pada massa udara yang melewati turbin.

Hasil yang disederhanakan

Dimungkinkan untuk menyederhanakan hasil sebelumnya jika kita memperhitungkannya Pa = pd Dan? PB = PC Karena proses AD dan BC adalah Isobárica, yaitu pada tekanan yang sama.

Selain itu, karena proses AB dan CD bersifat adiabatik, hubungan Poisson untuk kedua proses dipenuhi:

Di mana Gamma mewakili hasil bagi adiabatik, yaitu, hasil bagi antara kapasitas panas pada tekanan konstan dan kapasitas panas pada volume konstan.

Menggunakan hubungan ini dan hubungan persamaan negara dari gas ideal kita dapat memperoleh ekspresi alternatif untuk hubungan Poisson:

Seperti yang kita ketahui Pa = pd Dan? PB = PC Mengganti dan membagi anggota ke anggota, hubungan berikut antara suhu diperoleh:

Jika setiap anggota persamaan sebelumnya dikurangi dari unit, perbedaannya diselesaikan dan persyaratan diperbaiki, dapat ditunjukkan bahwa:

Sehingga efisiensi dapat ditulis sebagai fungsi suhu udara di inlet dan suhu udara pada akhir proses kompresi AB.

Kinerja tergantung pada rasio tekanan

Ekspresi yang diperoleh untuk efisiensi siklus Brayton berdasarkan suhu dapat ditulis ulang untuk dirumuskan berdasarkan rasio tekanan pada output dan pintu masuk kompresor.

Ini dicapai jika hubungan Poisson antara titik A dan B diketahui tergantung pada tekanan dan suhu, memperoleh bahwa efisiensi siklus dinyatakan sebagai berikut:

Itu dapat melayani Anda: tekanan relatif: formula, bagaimana itu dihitung, contoh, olahraga

Menjadi r hasil antara PB dan PA.

Rasio tekanan khas adalah 8. Dalam hal ini, siklus Brayton memiliki kinerja teoretis 45%.

Aplikasi

Siklus Brayton sebagai model berlaku untuk turbin gas yang digunakan pada pabrik termoelektrik untuk memindahkan generator yang menghasilkan listrik.

Ini juga merupakan model teoretis yang cocok dengan pengoperasian mesin turboHeric yang digunakan di pesawat terbang, tetapi tidak berlaku sama sekali di turboractor pesawat.

Saat tertarik.

Gambar 3. Motor turbofan lebih efisien daripada turboreactor. Sumber: Pixabay

Di turboreactors pesawat, di sisi lain, tidak tertarik.

Sebaliknya, itu tertarik.

Latihan terpecahkan

-Latihan 1

Turbin gas yang digunakan di pabrik termoelektrik memiliki tekanan di outlet kompresor 800 kPa. Suhu gas yang masuk adalah lingkungan dan 25 Celcius, dan tekanannya 100 kPa.

Di ruang pembakaran suhu naik menjadi 1027 Celcius untuk memasuki turbin.

Tentukan efisiensi siklus, suhu gas keluar dari kompresor dan suhu gas di outlet turbin.

Larutan

Karena kami memiliki tekanan gas pada output kompresor dan kami tahu bahwa tekanan input adalah tekanan atmosfer, sehingga dimungkinkan untuk mendapatkan rasio tekanan:

R = pb / pa = 800 kPa / 100 kPa = 8

Karena gas yang beroperasi turbin adalah campuran udara dan gas propana, koefisien adiabatik untuk gas diatomik yang ideal kemudian diterapkan, yaitu, gamma 1,4.

Efisiensi kemudian akan dihitung seperti ini:

Di mana kami telah menerapkan hubungan yang memberikan efisiensi siklus Brayton tergantung pada rasio tekanan dalam kompresor.

Perhitungan suhu

Untuk menentukan suhu saat keluar dari kompresor, atau apa yang sama dengan suhu dengan mana gas memasuki ruang pembakaran, kami menerapkan rasio hubungan dengan input kompresor dan keluar dari suhu.

Jika kita menghapus suhu TB dari ekspresi itu, kita memperoleh:

Dengan kata lain, suhu pra -nyala adalah 804.12 Celcius.

Sebagai latihan latihan, kita harus setelah pembakaran suhu naik menjadi 1027 Celcius, untuk memasuki turbin. Bagian dari energi termal gas digunakan untuk menggerakkan turbin, sehingga suhu saat keluar harus lebih rendah.

Dapat melayani Anda: aplikasi energi, kekuatan, kekuatan, konsep kerja

Untuk menghitung suhu pada output turbin, kami akan menggunakan rasio antara suhu sebelumnya:

Dari sana kami membersihkan TD untuk mendapatkan suhu di outlet turbin. Setelah melakukan perhitungan suhu yang diperoleh adalah:

TD = 143,05 Celcius.

-Latihan 2

Turbin gas mengikuti siklus Brayton. Tekanan antara keberangkatan dan pintu masuk kompresor adalah 12.

Asumsikan suhu sekitar 300 K. Seperti data tambahan diketahui bahwa suhu gas setelah pembakaran (sebelum pintu masuk ke turbin) adalah 1000k.

Tentukan suhu pada output kompresor, dan suhu di outlet turbin. Juga tentukan berapa kilogram gas yang bersirkulasi melalui turbin setiap detik, mengetahui bahwa kekuatannya adalah 30 kW.

Asumsikan panas gas spesifik sebagai konstan dan ambil nilainya pada suhu kamar: CP = 1.0035 J / (kg k).

Juga anggaplah bahwa efisiensi kompresi dalam kompresor dan dekompresi dalam turbin adalah 100%, yang merupakan idealisasi karena dalam kerugian praktik selalu terjadi.

Larutan

Untuk menentukan suhu saat keluar dari kompresor, diketahui suhu di pintu masuk, kita harus ingat bahwa itu adalah kompresi adiabatik, sehingga hubungan Poisson untuk proses AB dapat diterapkan.

Dengan cara ini kita memperoleh bahwa suhu TB pada output kompresor diberikan oleh:

Dengan cara yang sama, dekompresi gas yang melintasi turbin, adalah proses adiabatik yang sesuai dengan proses siklus Brayton. Oleh karena itu kita bisa menerapkan rasio Poisson untuk mendapatkan suhu outlet turbin.

Untuk siklus termodinamika apa pun, pekerjaan bersih akan selalu sama dengan panas bersih yang dipertukarkan dalam siklus.

Dalam hubungan sebelumnya yang merupakan panas yang masuk (positif) dan QS panas keluar (negatif). Dalam siklus Brayton, pertukaran ini terjadi pada proses BC dan DA, keduanya Isobáricas.

Pekerjaan bersih per siklus operasi kemudian dapat diekspresikan tergantung pada massa gas yang diedarkan dalam siklus dan suhu itu.

Dalam ungkapan ini M Massa gas yang beredar melalui turbin dalam siklus operasi dan Cp Panas spesifik.

Jika kami mengambil turunan sehubungan dengan waktu ekspresi sebelumnya, kami memperoleh daya media bersih berdasarkan aliran massa.

Membersihkan m point, dan mengganti suhu, daya dan kapasitas panas gas kami memperoleh aliran massa 1578,4 kg/s.

Referensi

1. Alfaro, J. Siklus termodinamika. Pulih dari: fis.Puc.Cl.
2. Fernández J.F. Siklus Brayton. Turbin gas. ATAU.T.N. (Mendoza). Pulih dari: edutecne.Utn.Edu.ar.
3. Universitas Sevilla. Departemen Fisika. Siklus Brayton. Pulih dari: Laplace.kita.adalah.
4. Universitas Eksperimental Nasional Táchira. Fenomena transportasi. Siklus daya gas. Pulih dari: tidak ada.Edu.pergi.
5. Wikipedia. Siklus Brayton. Pulih dari: wikiwand.com
6. Wikipedia. Turbin gas. Pulih dari: wikiwand.com.