Двойной цикл Брайтона

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. 1).

Рис. 1. Теплосиловой цикл Брайтона.
1, 2 - подвод тепла; 3, 4 - отвод тепла.

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 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.

Рис. 2. Теплонасосный цикл Брайтона.
1—4 - теплообменник низкого давления; 3, 4 - расширительная машина; 2, 3 - теплообменник высокого давления; 1—2 - компрессор; 5 - двигатель.

Теплонасосный цикл Брайтона — это обращенный энергетический цикл (на рис. 2 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 7V.

Рис. 3. Открытый теплонасосный цикл Брайтона.

Другой тип показан на рис. 3. 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 нллюстрируется с помощью описання автомобильного воздушного кондиционера «Rovac».

Основой системы на рис. 4 служит ротационный двухполостной компрессор-расширитель.

Рис. 4. Мотор-компрессор "Rovac":
1 - к теплообменнику; 2 - сторона сжатия; 3 - вход теплового воздуха; 4 - регулировочный клапан (при надобности); 5 - выход холодного воздуха; 6 - сторона расширения; 7 - от теплообменника.

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.

Наиболее широкое применение охлаждение по циклу Брайтона находит при кондиционировании воздуха в пассажирских самолетах.

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, а его результаты показаны в табл. 1.

Таблица. 1. 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.

http://patlah.ru

© "Энциклопедия Технологий и Методик" Патлах В.В. 1993-2007 гг.