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Das Brayton-Zyklus oder Joule-Zyklus ist ein thermodynamischer Schleifenprozess, der bei konstantem Druck Wärme in mechanische Arbeit umwandelt. Historisch funktionierte der Brayton-Zyklus mit Kolbenmotoren, aber aktuelle Anwendungen des offenen Zyklus in Flugzeugmotoren und Kraftwerken arbeiten mit Turbinen. In einigen Arten von Kernkraftwerken wird ein geschlossener Brayton-Kreislauf verwendet.
Name
Der Zyklus ist nach dem amerikanischen Ingenieur benannt George Brayton (1830-1892), obwohl der Engländer John Barber 1791 patentiert. Manchmal ist der Zyklus als Joule-Zyklus auch benannt nach James Prescott Joule. Das Ericsson-Zyklus hängt mit dem Brayton-Zyklus zusammen, nutzt aber externe Wärme und verwendet a Regenerator.
Bereit Motor
Im Jahr 1872 nahm George Brayton patentierten seinen "Ready Motor", einen Kolbenmotor mit konstantem Druck. Die Maschine enthielt einen separaten Hubkolbenverdichter und Hubkolbenexpander, wobei die Druckluft durch eine Verbrennung erwärmt wurde, bevor sie im Expander arbeiten konnte. Die ersten Versionen der Brayton-Maschine mischten zerstäubten Kraftstoff mit Luft in a Vergaser. Entzündung passiert mit a Zündflamme. Ein Bildschirm verhinderte einen Rückschlag. Der Bildschirm funktionierte manchmal nicht, wodurch die Maschine explodierte. 1874 löste Brayton dieses Problem, indem er den Brennstoff kurz vor dem Expander hinzufügte. Die Maschine könnte nun auch mit schwereren Kraftstoffen wie z Kerosin und Heizöl.
U-Boot und Auto
Im Jahr 1876 wurde ein Brayton-Motor in der Ausstellung ausgestellt Jahrhundertausstellung zu Philadelphia.Im Jahr 1881 verwendet John Holland eine Brayton-Maschine im ersten selbstfahrenden U-Boot Fienian Ram.
Baujahr 1878 George B Selden das erste Auto mit Verbrennungsmotor, für das er zusammen mit Frank H. Clement und Willam Gomm eine leichtere Ausführung der Brayton-Maschine (200 kg) mit drei Zylindern und einem Kurbelwelle auf das er am 8. Mai 1879 ein Patent anmeldete. Einer der Zeugen war der Bankangestellte George Eastman, das später Kodak Gegründet. Das Patent wurde am 5. November 1895 erteilt, aber Henry Ford hat eine Klage gewonnen, in der behauptet wird, er habe eine Otto-Prozess gebraucht und kein Brayton-Zyklus. Nur acht Jahre später Carl Benz in Europa Patent auf die Benz Patent-Motorwagen.
Beschreibung
Eine Brayton-Maschine enthält drei Komponenten:
- ein Gaskompressor
- ein Mischkammer
- ein Expander
Die originale Brayton-Maschine komprimierte Umgebungsluft in a Kolbenkompressor. Die Druckluft vermischt sich im Mischkammer mit eingespritztem Kraftstoff. Das Gemisch entzündete sich dann im Expansionszylinder.
Turbinen
Ein Brayton-Zyklus mit Kolbenmaschinen wurde nicht mehr verwendet, aber der Brayton-Zyklus wird häufig bei Turbinen verwendet. Die drei Komponenten sind dann:
- ein Turbolader
- eine Brennkammer
- ein Expansionsturbine
Effizienz
Der ideale Brayton-Zyklus besteht aus:
- isentroper Prozess – Luft wird vom Kompressor komprimiert.
- isobarer Prozess – die Druckluft verbrennt den Kraftstoff im Brennraum bei konstantem Druck
- isentroper Prozess – die Rauchgase leisten Arbeit in der Expansionsturbine
- isobarer Prozess – die Rauchgase werden in die Atmosphäre abgegeben.
In Wirklichkeit sind die Prozesse aufgrund der unvermeidlichen Irreversibilität und des Wärmeverlusts nie vollständig isentrop.
Die Effizienz des idealen Brayton-Zyklus beträgt
in welchem das Verhältnis cp/cv schlägt vor.
Ein höheres Kompressionsrate liefert einen höheren Ertrag.
Die höchste Temperatur tritt in der Expansionsturbine auf und wird durch die Temperatur von ca. 1000°C begrenzt, der die Schaufeln standhalten. Das Verdichtungsverhältnis wird auch durch die Dichtung begrenzt. Dies begrenzt das erreichbare Verdichtungsverhältnis auf 11 zu 16 und damit den Wirkungsgrad.
Varianten
Die abgegebene Leistung eines Brayton-Zyklus kann durch folgende Eingriffe erhöht werden:
- Nacherwärmung, bei der die Expansionsturbine in zwei Teile mit einer zweiten Brennkammer dazwischen geteilt wird. Ein Beispiel ist der Nachbrenner von Flugtriebwerken, wobei die Expansion dort in einer Düse statt in einer Expansionsturbine erfolgt. Die Düse ist weniger empfindlich als die Turbine und hält problemlos 2000°C stand. Die Nacherwärmung liefert mehr Leistung bei gleicher Baugröße, aber keine höhere Effizienz durch den zusätzlichen Kraftstoffverbrauch.
- Overspray, wo der Kompressor in zwei Teile mit Wassereinspritzung dazwischen geteilt ist. Dadurch wird der Gasdurchfluss erhöht und die Temperatur gesenkt.
- Regeneration, passieren die Abgase nach der Expansionsturbine einen Wärmetauscher, um die einströmende Luft vorzuwärmen. Dies ist nur bei einem niedrigeren Verdichtungsverhältnis sinnvoll, da sonst die Austrittstemperatur des Verdichters zu hoch wird.
- Wiederherstellung, überträgt ein Wärmetauscher Wärme vom Abgas zum Lufteinlass.
Geschlossener Brayton-Zyklus
Der geschlossene Brayton-Kreislauf führt die Abgase zum Einlass zurück. Die Beheizung erfolgt dann nicht durch interne Verbrennung, sondern durch einen externen Wärmetauscher. Es gibt Anwendungen in gasgekühlten Kernkraftwerken, wie z gasgekühlter Brutreaktor oder ein fortschrittlicher gasgekühlter Reaktor. Das Gas ist dann normalerweise Helium oder Kohlendioxid.
Umgekehrter Brayton-Zyklus
Der Brayton-Zyklus kann auch anders herum als Kühlkreislauf arbeiten, manchmal dann, Bell-Coleman-Zyklus erwähnt. Dieses Verfahren wird bei der Luftkühlung in Flugzeugen eingesetzt.