Цикл брайтона в тепловом насосе

Теплонасос

Этот цикл в основном применяется для газотурбинных двига­телей преимущественно как открытый цикл, в котором воздух засасывается из атмосферы, а газообразные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу, используемую как безграничный тепловой сток. При рассмотрении замкнутого энергетического цик­ла его «атмосферная» часть изображается как охлаждение при постоянном давлении (рис. 2.20).

Принципиальная особенность цикла Брайтона, представляю­щая интерес для тепловых насосов, состоит в возможностях при­менения приводного двигателя с внешним сгоранием при приемле­мой эффективности. Идеальными приводными двигателями для теплового насоса были бы вращающиеся машины, работающие в нужном интервале температур и давлений. Все тепло, сбрасывае­мое на низкотемпературной стороне двигателя, могло бы склады­ваться с, теплом, даваемым тепловым насосом при температуре в точке 2, что повысило бы КПЭ системы.

В промышленных теплонасосных установках мощностью в де­сятки мегаватт можно применять существующие газотурбинные

1, 2 – подвод тепла; 3. 4 – отвод тепла.

Установки. Идеальным было бы сочетание газовой турбины с цен­тробежным компрессором, работающим при той же скорости вра­щения и входящим в теплонасосный цикл Ренкина. Все сбросное тепло газовой турбины здесь могло бы складываться с теплом, восстановленным в тепловом насосе. По-видимому, капиталовло­жения и эксплуатационные расходы такой установки будут очень велики, поэтому, несмотря на большую экономию топлива, такая машина появится нескоро.

Теплонасосный цикл Брайтона – это обращенный энергетичес­кий цикл (на рис. 2.21 показан замкнутым). Он бывает двух типов. Первый кз них – засасывание окружающего воздуха в точке 1, нагрев за счет сжатия до точки 2, отдача полезного тепла между точками 2 и 3 с помощью одного или двух теплообменников, рас­ширение в турбине 3-4 и выброс воздуха в атмосферу. Отметим, что здесь трудно получить существенную разность температур между Ті и Тз.

Другой тип показан на рис. 2.22. Здесь внешний воздух засасы­вается в точке 3, расширяется до давления ниже атмосферного, подогревается в теплообменнике окружающим воздухом, а затем снова сжимается до давления в обогреваемом помещении (точ­ка 2). Основная проблема этой схемы состоит в создании машины для давления ниже атмосферного и в обмерзании теплообменника.

– 35-

Еще одна возможность иллюстрируется с помощью описания автомобильного воздушного кондиционера «Rovac».

Основой системы на рис. 2.23 служит ротационный двухполос – тной компрессор-расширитель, подобный устройству на рис. 2.10.

Ннк высокого давлення; 1-2 – компрессор; 5 – двигатель.

Окружающий воздух сжимается, охлаждается до температуры ок­ружающей среды, затем расширяется с понижением температуры и подается в салон автомобиля. Таким образом, в автомобиле происходит кондиционирование воздуха без рециркуляции с помо­щью очень компактного устройства [5].

Наиболее широкое применение охлаждение по циклу Брайтона находит при кондиционировании воздуха в пассажирских самоле-

Рис. 2.23. Мотор-компрессор «Rovac»:

1 – к теплообменнику; 2 – сторона сжатия; 3 – вход теплового воздуха; 4 – регулировоч­ный клапан (при надобности); 5 – выход холодного воздуха; б -сторона расширения; 7 – от теплообменника.

Тах. Поскольку небольшое количество сжатого воздуха всегда можно получить от двигателей и охладить его потоком окружаю­щего воздуха, охлажденный воздух просто подается в кабину, под­держивая в ней давление и снабжая свежим холодным воздухом.

Теоретический расчет теплового насоса с двойным циклом Брайтона приведен в работе [4], а его результаты показаны в табл. 2.3.

Таблица 2.3. КПЭ двойного цикла Брайтона при минимальной внутренней температуре 21 °С

Высокие значения КПЭ объясняются следующим: 1) газовая турбина напрямую соединена с воздушным компрессором; 2) для необходимой интенсивности теплообмена с окружающим воздухом при 21° С потребовалась высокая максимальная температура цикла.

Теплонасос

ДИСТИЛЛЯТОР С ТЕПЛОВЫМ НАСОСОМ

Спурре Ф.А., Спурре А.Ф., Кушнаренко В.М. В работе описан созданный дистиллятор, использующий тепловой насос открытого типа и позволяющий более чем в 3 раза сократить водо- и энергопотребление при получении дистиллята. …

Юсмар или тепловой насос или кондиционер?

По данным из разных источников интернет теплогенератор ЮСМАР в среднем экономит 30% электроэнергии и ничем это не объясняется – просто воспринимается как факт(энергия завихрения воды, вакуумная энерия – это в …

Юсмар или МСД-240?

Наткнулся в инете на теплогенераторы ЮСМАР – https://iusmar.com/ – здесь подробнее. Сразу полез в парогенераторы – т.к. это “родная тема для меня”, вижу “сверхестественное”: Наименование Установки Номинальная мощность электродвигателя, кВт …

Источник

Тепловые насосы

Этот цикл в основном применяется для газотурбинных двига­телей преимущественно как открытый цикл, в котором воздух засасывается из атмосферы, а газообразные продукты сгорания выбрасываются в атмосферу, используемую как безграничный тепловой сток. При рассмотрении замкнутого энергетического цик­ла его «атмосферная» часть изображается как охлаждение при постоянном давлении (рис. 2.20).

Принципиальная особенность цикла Брайтона, представляю­щая интерес для тепловых насосов, состоит в возможностях при­

менения приводного двигателя с внешним сгоранием при приемле­мой эффективности. Идеальными приводными двигателями для теплового насоса были бы вращающиеся машины, работающие в нужном интервале температур и давлений. Все тепло, сбрасывае­мое на низкотемпературной стороне двигателя, могло бы склады­ваться с, теплом, даваемым тепловым насосом при температуре в точке 2, что повысило бы КПЭ системы.

В промышленных теплонасосных установках мощностью в де­сятки мегаватт можно применять существующие газотурбинные

1, 2 – подвод тепла; 3. 4 – отвод тепла.

Установки. Идеальным было бы сочетание газовой турбины с цен­тробежным компрессором, работающим при той же скорости вра­щения и входящим в теплонасосный цикл Ренкина. Все сбросное тепло газовой турбины здесь могло бы складываться с теплом, восстановленным в тепловом насосе. По-видимому, капиталовло­жения и эксплуатационные расходы такой установки будут очень велики, поэтому, несмотря на большую экономию топлива, такая машина появится нескоро.

Теплонасосный цикл Брайтона – это обращенный энергетичес­кий цикл (на рис. 2.21 показан замкнутым). Он бывает двух типов. Первый кз них – засасывание окружающего воздуха в точке 1, нагрев за счет сжатия до точки 2, отдача полезного тепла между точками 2 и 3 с помощью одного или двух теплообменников, рас­ширение в турбине 3-4 и выброс воздуха в атмосферу. Отметим, что здесь трудно получить существенную разность температур между Ті и Тз.

Другой тип показан на рис. 2.22. Здесь внешний воздух засасы­вается в точке 3, расширяется до давления ниже атмосферного, подогревается в теплообменнике окружающим воздухом, а затем снова сжимается до давления в обогреваемом помещении (точ­ка 2). Основная проблема этой схемы состоит в создании машины для давления ниже атмосферного и в обмерзании теплообменника.

Еще одна возможность иллюстрируется с помощью описания автомобильного воздушного кондиционера «Rovac».

Основой системы на рис. 2.23 служит ротационный двухполостной компрессор-расширитель, подобный устройству на рис. 2.10.

Ннк высокого давлення; 1-2 – компрессор; 5 – двигатель.

Окружающий воздух сжимается, охлаждается до температуры ок­ружающей среды, затем расширяется с понижением температуры и подается в салон автомобиля. Таким образом, в автомобиле происходит кондиционирование воздуха без рециркуляции с помо­щью очень компактного устройства [5].

Наиболее широкое применение охлаждение по циклу Брайтона находит при кондиционировании воздуха в пассажирских самоле-

Рис. 2.23. Мотор-компрессор «Rovac»:

1 – к теплообменнику; 2 – сторона сжатия; 3 – вход теплового воздуха; 4 – регулировоч­ный клапан (при надобности); 5 – выход холодного воздуха; б -сторона расширения; 7 – от теплообменника.

Тах. Поскольку небольшое количество сжатого воздуха всегда можно получить от двигателей и охладить его потоком окружаю­щего воздуха, охлажденный воздух просто подается в кабину, под­держивая в ней давление и снабжая свежим холодным воздухом.

Теоретический расчет теплового насоса с двойным циклом Брайтона приведен в работе [4], а его результаты показаны в табл. 2.3.

Таблица 2.3. КПЭ двойного цикла Брайтона при минимальной внутренней температуре 21 °С

Высокие значения КПЭ объясняются следующим: 1) газовая турбина напрямую соединена с воздушным компрессором; 2) для необходимой интенсивности теплообмена с окружающим воздухом при 21° С потребовалась высокая максимальная температура цикла.

Тепловые насосы

Стоит ли обогревать старый дом тепловым насосом?

Теоретически, каждый старый дом можно обогреть тепловым насосом, но в некоторых случаях эффект будет неудовлетворительным, и такие инвестиции не будут иметь смысла. Прежде всего, обогрев дома с ужасной теплоизоляцией всегда …

Преимущества и недостатки тепловых насосов

Тепловые насосы, как альтернатива природному газу. Есть ли рациональное зерно в этом высказывании? Если тарифы на газ будут подниматься, то будет ли у обычного гражданина возможность перейти на отопление при …

Отопить дом: тепловой насос + газовый котел

Очень многие клиенты приобретают исключительно один вид отопления, к примеру, газовый котел, но стоит задуматься и о том, чтобы использовать комбинированное отопление для экономии ваших средств. Почему же приходит в …

Источник

В Цикл Брайтона представляет собой термодинамический цикл, состоящий из четырех процессов, и применяется к сжимаемой термодинамической жидкости, такой как газ. Первое упоминание о нем датируется концо

Содержание:

• Процесс и описание
• Прием
• Сжатие
• Горение
• Расширение
• Побег
• КПД как функция температуры, тепла и давления
• Входящее тепло, исходящее тепло и эффективность
• Тепло и давление в цикле Брайтона
• Упрощенный результат
• Производительность как функция степени давления
• Приложения
• Решенные упражнения
• -Упражнение 1
• Решение
• Расчет температуры
• -Упражнение 2.
• Решение
• Ссылки

В Цикл Брайтона представляет собой термодинамический цикл, состоящий из четырех процессов, и применяется к сжимаемой термодинамической жидкости, такой как газ. Первое упоминание о нем датируется концом 18 века, хотя прошло некоторое время до того, как его впервые поднял Джеймс Джоуль. Вот почему он также известен как цикл Джоуля.

Он состоит из следующих стадий, которые удобно проиллюстрированы на диаграмме давление-объем на рисунке 1: адиабатическое сжатие (без теплообмена), изобарическое расширение (происходит при постоянном давлении), адиабатическое расширение (без теплообмена) и изобарическое сжатие. (происходит при постоянном давлении).

Процесс и описание

Цикл Брайтона – это идеальный термодинамический цикл, который лучше всего применять для объяснения термодинамической работы газовых турбин и топливовоздушной смеси, используемой для производства электроэнергии и в авиационных двигателях.

Например, в работе турбины есть несколько ступеней рабочего газового потока, которые мы увидим ниже.

Прием

Он состоит из входа воздуха с температурой и давлением окружающей среды через входное отверстие турбины.

Сжатие

Воздух сжимается за счет вращения лопастей относительно неподвижных лопаток в компрессорной части турбины. Это сжатие настолько быстрое, что практически отсутствует теплообмен, поэтому оно моделируется адиабатическим процессом AB цикла Брайтона. Воздух, выходящий из компрессора, повысил давление и температуру.

Горение

Воздух смешивается с пропаном или пылевидным топливом, которое вводится через форсунки камеры сгорания. Смесь вызывает химическую реакцию горения.

Эта реакция дает тепло, которое увеличивает температуру и кинетическую энергию частиц газа, которые расширяются в камере сгорания при постоянном давлении. В цикле Брайтона этот этап моделируется процессом BC, который происходит при постоянном давлении.

Расширение

В секции самой турбины воздух продолжает расширяться относительно лопаток турбины, заставляя ее вращаться и производить механическую работу. На этом этапе температура воздуха понижается, но практически без обмена теплом с окружающей средой.

В цикле Брайтона этот этап моделируется как процесс адиабатического расширения CD. Часть работы турбины передается компрессору, а другая используется для привода генератора или воздушного винта.

Побег

Выходящий воздух находится под постоянным давлением, равным давлению окружающей среды, и передает тепло огромной массе внешнего воздуха, поэтому за короткое время он приобретает ту же температуру, что и входящий воздух. В цикле Брайтона этот этап моделируется процессом DA с постоянным давлением, замыкая термодинамический цикл.

КПД как функция температуры, тепла и давления

Мы предлагаем рассчитать эффективность цикла Брайтона, для чего начнем с его определения.

В тепловом двигателе эффективность определяется как чистая работа, выполненная машиной, деленная на поданную тепловую энергию.

Первый принцип термодинамики гласит, что чистое тепло, выделяемое газу в термодинамическом процессе, равно изменению внутренней энергии газа плюс работа, совершаемая им.

Но в полном цикле изменение внутренней энергии равно нулю, поэтому полезное тепло, вложенное в цикл, равно чистой проделанной работе.

Входящее тепло, исходящее тепло и эффективность

Предыдущее выражение позволяет нам записать эффективность как функцию поглощенного или поступающего тепла Qe (положительное) и переданного или исходящего тепла Qs (отрицательное).

Тепло и давление в цикле Брайтона

В цикле Брайтона тепло входит в изобарический процесс BC и выходит в изобарическом процессе DA.

Если предположить, что n моль газа при постоянном давлении получают физическое тепло Qe в процессе BC, то его температура увеличивается с Tb до Tc в соответствии со следующим соотношением:

Исходящее тепло Qs можно аналогичным образом рассчитать по следующей зависимости, которая применяется к процессу постоянного давления DA:

Подставляя эти выражения в выражение, которое дает нам КПД как функцию от входящего и выходящего тепла, делая соответствующие упрощения, получается следующее соотношение для КПД:

Упрощенный результат

Упростить предыдущий результат можно, если учесть, что Pa = Pd и это Pb = Pc поскольку процессы AD и BC изобарические, то есть при одинаковом давлении.

Кроме того, поскольку процессы AB и CD являются адиабатическими, коэффициент Пуассона выполняется для обоих процессов:

куда гамма представляет собой адиабатический коэффициент, то есть отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме.

Используя эти соотношения и соотношение из уравнения состояния идеального газа, мы можем получить альтернативное выражение для коэффициента Пуассона:

Откуда мы это знаем Pa = Pd и это Pb = Pc заменяя и разделяя элемент на элемент, получается следующее соотношение между температурами:

Если каждый член предыдущего уравнения вычтен на единицу, разница решена и члены упорядочены, можно показать, что:

Производительность как функция степени давления

Выражение, полученное для КПД цикла Брайтона в зависимости от температур, можно переписать и сформулировать как функцию отношения давлений на выходе и входе компрессора.

Это достигается, если коэффициент Пуассона между точками A и B известен как функция давления и температуры, при этом эффективность цикла выражается следующим образом:

Типичная степень сжатия составляет 8. В этом случае цикл Брайтона дает теоретический выход 45%.

Приложения

Цикл Брайтона в качестве модели применяется к газовым турбинам, которые используются в термоэлектрических установках для приведения в действие генераторов, вырабатывающих электричество.

Это также теоретическая модель, которая хорошо подходит для работы турбовинтовых двигателей, используемых в самолетах, но совершенно неприменима в самолетных турбореактивных двигателях.

Когда важно максимизировать работу, производимую турбиной для перемещения генераторов или пропеллеров самолета, применяется цикл Брайтона.

С другой стороны, в турбореактивных двигателях самолетов нет никакого интереса в преобразовании кинетической энергии дымовых газов для создания работы, которая была бы как раз необходимой для перезарядки турбокомпрессора.

Напротив, интересно получить максимально возможную кинетическую энергию выбрасываемого газа, чтобы в соответствии с принципом действия и реакции был получен импульс летательного аппарата.

Решенные упражнения

-Упражнение 1

Газовая турбина, используемая на ТЭЦ, имеет давление на выходе из компрессора 800 кПа. Температура поступающего газа соответствует температуре окружающей среды и составляет 25 градусов Цельсия, а давление составляет 100 кПа.

В камере сгорания температура повышается до 1027 по Цельсию, чтобы попасть в турбину.

Определите КПД цикла, температуру газа на выходе из компрессора и температуру газа на выходе из турбины.

Решение

Поскольку у нас есть давление газа на выходе из компрессора, и мы знаем, что давление на входе равно атмосферному, то можно получить соотношение давлений:

r = Pb / Па = 800 кПа / 100 кПа = 8

Поскольку газ, с которым работает турбина, представляет собой смесь воздуха и пропана, тогда применяется адиабатический коэффициент для двухатомного идеального газа, то есть гамма 1,4.

Тогда эффективность будет рассчитываться следующим образом:

Где мы применили соотношение, которое дает КПД цикла Брайтона как функцию от степени давления в компрессоре.

Расчет температуры

Чтобы определить температуру на выходе из компрессора или то, что совпадает с температурой, с которой газ поступает в камеру сгорания, мы применяем соотношение эффективности с температурами на входе и выходе компрессора.

Если мы решим для температуры Tb из этого выражения, мы получим:

В качестве данных для упражнения мы имеем, что после сгорания температура повышается до 1027 по Цельсию, чтобы войти в турбину. Часть тепловой энергии газа используется для привода турбины, поэтому температура на его выходе должна быть ниже.

Для расчета температуры на выходе из турбины мы будем использовать полученную ранее зависимость между температурами:

Отсюда мы решаем для Td, чтобы получить температуру на выходе из турбины. После проведения расчетов полученная температура составляет:

Td = 143,05 по Цельсию.

-Упражнение 2.

Газовая турбина следует циклу Брайтона. Перепад давлений на входе и выходе компрессора составляет 12.

Предположим, что температура окружающей среды составляет 300 К. В качестве дополнительных данных известно, что температура газа после сгорания (до входа в турбину) составляет 1000 К.

Определите температуру на выходе из компрессора и температуру на выходе из турбины. Также определите, сколько килограммов газа циркулирует через турбину в секунду, зная, что ее мощность составляет 30 кВт.

Примите удельную теплоемкость газа постоянной и возьмите ее значение при комнатной температуре: Cp = 1,0035 Дж / (кг · К).

Также предположим, что эффективность сжатия в компрессоре и эффективность декомпрессии в турбине составляет 100%, что является идеализацией, поскольку на практике потери всегда происходят.

Решение

Чтобы определить температуру на выходе из компрессора, зная температуру на входе, мы должны помнить, что это адиабатическое сжатие, поэтому коэффициент Пуассона можно применить для процесса AB.

Для любого термодинамического цикла чистая работа всегда будет равна чистому теплообмену в цикле.

Затем чистая работа за рабочий цикл может быть выражена как функция массы газа, циркулирующего в этом цикле, и температуры.

В этом выражении м – масса газа, который циркулировал через турбину за один рабочий цикл, и Cp удельная теплоемкость.

Если мы возьмем производную по времени из предыдущего выражения, мы получим чистую среднюю мощность как функцию массового расхода.

Клиринг точка m, и подставив температуры, мощность и теплоемкость газа, мы получим массовый расход 1578,4 кг / с.

Ссылки

1. Альфаро Дж. Термодинамические циклы. Получено с: fis.puc.cl.
2. Фернандес Дж. Ф. Цикл Брайтона. Газовая турбина. U.T.N. (Мендоса). Получено с: edutecne.utn.edu.ar.
3. Севильский университет. Физический факультет. Цикл Брайтона. Получено с: laplace.us.es.
4. Национальный экспериментальный университет Тачира. Транспортные явления. Газовые энергетические циклы. Получено с: unet.edu.ve.
5. Википедия. Цикл Брайтона. Получено с: wikiwand.com
6. Википедия. Газовая турбина. Получено с: wikiwand.com.

Источник