Obieg Braytona-Joule'a

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:

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

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%).

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

• Obieg Rankine'a
• przegrzew wtórny
• chłodzenie międzystopniowe
• układ gazowo-parowy

Bibliografia

• 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.