سیکل برایتون

چرخه Brayton یک چرخه ترمودینامیکی است که نحوه عملکرد توربین های گازی را توصیف می کند. ایده موجود در چرخه Brayton استخراج انرژی از جریان هوا و سوخت برای تولید کار قابل استفاده است که می تواند با استفاده از رانش آنها برای تأمین انرژی بسیاری از وسایل نقلیه مورد استفاده قرار گیرد. اساسی ترین مراحل در استخراج انرژی ، فشرده سازی هوای جاری ، احتراق و سپس انبساط آن هوا برای ایجاد کار و همچنین تأمین فشار همزمان است. مفید بودن چرخه Brayton به دلیل اینکه ستون فقرات در رانندگی بسیاری از وسایل نقلیه مانند جت ها ، هلی کوپترها و حتی زیردریایی ها محسوب می شود ، فوق العاده است.
سیکل برایتون است چرخه ترمودینامیکی مورد استفاده در برخی موتورهای حرارتی . قابل ذکر است که برای موتورهای توربین گازی و برخی موتورهای جت استفاده می شود. این چرخه شامل فشرده سازی هوای محیط ، مخلوط کردن هوا با سوخت و سپس احتراق مخلوط است که منبسط می شود و کار می کند. سپس در بسیاری از موتورهای چرمی برایتون می توان هوای گرم را بازیافت کرد و هوای تازه را از طریق آن گرم کرد. این کارایی را افزایش می دهد ، زیرا برای گرم کردن هوای تازه به سوخت کمتری نیاز است. از نظر فیزیک، این دوره از آدیاباتیک فشرده سازی و گسترش زوج با هم فشار گرمایش و سرمایش، و اجازه می دهد تا برای افزایش بهره وری بیش از برخی از چرخه های دیگر است.
اولین توربین گازی که چرخه Brayton را اجرا کرد (البته با اطلاع نیست ، زیرا قبل از تاسیس چرخه Brayton ایجاد شده بود) توربین گازی جان باربر بود که در سال 179 ثبت اختراع شد. ایده ماشین فشرده سازی هوای جو در یک محفظه و سوخت بود در یک اتاق دیگر و هر دو اتاق به یک ظرف احتراق متصل می شوند. هنگامی که هوا با سوخت مخلوط شده و واکنش نشان داد ، انرژی حاصل از احتراق برای چرخاندن توربین برای انجام کار مفید استفاده می شود. با این حال ، از آنجا که در اواخر قرن هجدهم پیشرفتهای فنی وجود نداشت ، توربین گاز انرژی کافی برای فشار دادن گازها و انجام کارهای مفید در همان زمان را نداشت ، بنابراین از آن استفاده نشد.
جورج برایتون مهندسی بود که اولین موتور احتراق مداوم با احتراق را طراحی کرد که یک موتور دو زمانه بود و با نام "Brayton's Ready Motors" فروخته شد. این طرح از فرآیندهای ترمودینامیکی استفاده می کند که اکنون "چرخه برایتون" در نظر گرفته می شود ، اما همچنین چرخه ژول نیز ساخته شده است. این توربین گازی در سال 1872 ثبت اختراع شد. این طراحی یک موتور متصل به مخزن هوای جو تحت فشار و گاز بود که فقط در صورت روشن شدن سوپاپ روشن می شود. این می تواند گاز تحت فشار را به یک ظرف احتراق آزاد کند ، که پیستون ها را برای ایجاد کار مکانیکی و فشرده سازی مجدد گاز در مخزن تبدیل می کند.

TS Curve.jpgتصویر
(1) هوای محیطی در جو که در حال حاضر آشفته نیست.
(1 -> 2) هوای محیط با کمپرسور توربین گاز تماس پیدا می کند و فشار و دما بطور چشمگیری افزایش می یابد. افزایش فشار ناشی از کار هوا توسط کمپرسور است که هوا را به داخل میکسر / محفظه احتراق بسته بندی می کند و افزایش فشار باعث افزایش دما در مولکول های گاز می شود زیرا حجم مخزن ثابت می ماند (PV = nRT ) از آنجا که این یک فرایند ایده آل است ، اعتقاد بر این است که آنتروپی ثابت می ماند ، بنابراین این یک روند ایزنتروپیک است (در حقیقت ، آنتروپی به دلیل جریان و حرکت مولکول های گاز افزایش می یابد).
(3 -> 5) هوای جوی در محفظه احتراق فشرده شده است و در آن سوخت گاز با هوا مخلوط می شود. هنگامی که این مخلوط مشتعل شد ، شاهد افزایش شدید دما و آنتروپی هستیم (نه فشار ، زیرا منحنی ها مقدار خاصی از فشار را نشان می دهند ، بنابراین این یک فرآیند ایزوباریک است ) به دلیل واکنش احتراق سوخت و هوا . انرژی حاصل از پیوندهای شیمیایی موجود در سوخت به دلیل اشتعال شکسته می شود و یک واکنش بسیار گرمازا رخ می دهد که باعث افزایش آنتروپی به دلیل شکستن زنجیره های هیدروکربن به آب و هوا (مولکول های بیشتر) و افزایش دما به دلیل افزایش انرژی محیط از واکنش گرمازا.
(5 -> 8) در نقطه 5 ، سوخت و هوا تحت فشار محفظه احتراق را به محفظه انبساط ترک می کند ، جایی که به دلیل حجم بیشتر و قرار گرفتن در معرض محیط شاهد افت سریع فشار هستیم. انرژی حاصل از محفظه احتراق به دو منظور مورد استفاده قرار می گیرد: چرخاندن توربینی که به کمپرسور متصل است (که چرخه Brayton را به طور مداوم روشن نگه می دارد) و به عنوان رانش. این دو هدف نشان دهنده نقطه 6 است و در حالت ایده آل یک فرایند ایزنتروپیک است. افت سریع فشار نشان می دهد که چگونه انرژی موجود در هوا در احتراق به صورت مکانیکی برای چرخاندن توربی که فرایند کمپرسور را اجرا می کند