브레이튼 사이클

열역학
고전적인 카르노 히트 엔진
나뭇가지 고전적인 통계 화학의 양자 열역학 평형/비평형
법률 제로스 첫번째 둘째 셋째
시스템들 폐쇄형 시스템 오픈 시스템 격리 시스템 주 상태 방정식 이상 기체 실가스 상황 위상(매터) 평형 볼륨 제어 인스트루먼트 과정 이소바릭 아이소코리 등온 단열성 등엔트로픽 이센탈픽 준정전성 폴리트로픽 자유 확장 가역성 불가역성 내복원성 사이클 히트 엔진 히트 펌프 열효율
시스템 속성 주의: 이탤릭체로 표시된 켤레 변수 속성도 집약적이고 광범위한 속성 프로세스 기능 일하다. 열 국가 기능 온도/엔트로피(개요) 압력/볼륨 화학 퍼텐셜/입자수 증기 품질 속성 감소
재료 특성 속성 데이터베이스 비열 용량 ${\displaystyle c=}$ ${\displaystyle T}$ $\displaystyle \partial S\$ ${\displaystyle N}$ ${\displaystyle\partial T}$ 압축성 $\displaystyle \displays =-}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ $(\displaystyle\displayp)$ 열팽창 $\displaystyle \alpha =}$ ${\displaystyle 1}$ ${\displaystyle\partial V}$ ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle\partial T}$
방정식 카르노의 정리 클라우시우스 정리 기본 관계 이상기체의 법칙 맥스웰 관계 온사저 호혜 관계 브리지만 방정식 열역학 방정식 표
가능성 자유 에너지 자유 엔트로피 내부 에너지 ${\displaystyle U(S,V)}$ 엔탈피 ${\displaystyle H(S,p)=U+pV}$ 헬름홀츠 자유 에너지 ${\displaystyle A(T,V)=U-TS}$ 깁스 자유 에너지 ${\displaystyle G(T,p)=H-TS}$
역사 문화 역사 일반 엔트로피 가스 법칙 "영구 운동" 기계 철학 엔트로피와 시간 엔트로피와 생명 브라운 래칫 맥스웰의 악마 열사 역설 로슈미트의 역설 시너제틱스 이론들 열량론 Vis viva ('생체력') 열의 기계적 등가 동력 주요 출판물 실험적인 질문 ~에 대해서열 균형에 대하여 이종 물질 의 리플렉션 불의 원동력 타임라인 열역학 히트 엔진 예체능 교육 맥스웰의 열역학 표면 에너지 분산으로서의 엔트로피
과학자 베르누이 볼츠만 브리지만 카라테오도리 카르노 클라피론 클라우시우스 돈더 듀헴 깁스 폰 헬름홀츠 줄 루이스 마시외 맥스웰 폰 메이어 네른스트 온사게 플랑크 랭킨 스미톤 스틸 태트 톰슨 톰슨 판 데르 발스 워터스톤
다른. 핵생성 자가 조립 자기 조직화 질서와 무질서
카테고리
v t

브레이튼 사이클은 공기 또는 기타 가스를 작동 유체로 하는 특정 열 엔진의 작동을 설명하는 열역학 사이클입니다.원래의 브레이튼 엔진은 피스톤 압축기와 피스톤 팽창기를 사용했지만, 현대의 가스터빈 엔진과 공기 호흡 제트 엔진도 브레이튼 사이클을 따릅니다.사이클은 보통 개방 시스템으로 실행되지만(또한 내연소를 사용하는 경우에는 그렇게 실행되어야 함), 일반적으로 열역학 분석의 목적으로는 배기 가스가 흡입구에서 재사용되어 폐쇄 시스템으로 분석이 가능하다고 가정합니다.

엔진 사이클의 이름은 원래 피스톤 엔진에 사용하기 위해 개발한 미국인 엔지니어 조지 브레이튼(1830–1892)의 이름을 따서 지어졌지만, 원래 ^[1]1791년 영국인 존 바버에 의해 제안되고 특허를 받았습니다.그것은 때때로 줄 사이클로도 알려져 있다.역방향 줄 사이클은 외부 열원을 사용하며 재생기를 사용합니다.한 유형의 브레이튼 사이클은 대기에 개방되어 내연실을 사용하며, 다른 유형의 사이클은 폐쇄되어 열 교환기를 사용합니다.

역사

1872년 조지 브레이튼은 가스 전원 사이클로 작동하는 왕복식 열 엔진인 "Ready Motor"에 대한 특허를 출원했다.엔진은 2행정이었고 회전할 때마다 동력을 생산했다.브레이튼 엔진은 별도의 피스톤 컴프레서와 피스톤 익스팬더를 사용했으며, 익스팬더 실린더에 들어갈 때 내부 화재에 의해 압축 공기가 가열되었습니다.브레이튼 엔진의 첫 번째 버전은 가열된 표면 ^[2]카뷰레터를 통해 압축기에 들어갈 때 연료를 공기와 혼합하는 증기 엔진이었습니다.연료/공기는 탱크/탱크에 담겨 있다가 팽창 실린더에 들어가 연소되었습니다.연료/공기 혼합물이 팽창 실린더로 들어갈 때 파일럿 화염에 의해 점화되었습니다.불이 저수지로 들어오거나 돌아오는 것을 막기 위해 방충망이 사용되었습니다.이전 버전의 엔진에서는 이 화면이 작동하지 않고 폭발이 발생할 수 있습니다.1874년 브레이튼은 팽창기 실린더 바로 앞에 연료를 추가함으로써 폭발 문제를 해결했다.그 엔진은 이제 등유와 연료유와 같은 더 무거운 연료를 사용했다.점화 장치는 시험용 ^[3]불꽃으로 남아 있었다.브레이튼은 "Ready Motors"를 생산하고 판매하여 워터 펌핑, 제분소 운영, 발전기 가동, 해양 추진 등의 다양한 작업을 수행하였다."Ready Motors"는 1872년부터 1880년대까지 생산되었으며, 이 기간 동안 수백 개의 그러한 모터가 생산되었을 가능성이 있습니다.브레이튼은 영국의 Simone에게 디자인을 허가했다.레이아웃의 많은 변형이 사용되었습니다.어떤 것은 단동이고 어떤 것은 복동입니다.일부는 보행용 들보를 가지고 있었고, 다른 일부는 머리 위로 보행용 들보를 가지고 있었다.수평 및 수직 모델이 모두 제작되었습니다.크기는 1마력 미만에서 40마력 이상까지 다양했습니다.당시의 비평가들은 엔진이 부드럽게 작동했고 상당한 ^[3]효율을 보였다고 주장했다.

브레이튼 사이클 엔진은 동력으로 사용되는 최초의 내연기관 중 일부였다.1875년, 존 홀랜드는 세계 최초의 자주식 잠수함(홀랜드 보트 1번)에 동력을 공급하기 위해 브레이튼 엔진을 사용했다.1879년, 브레이튼 엔진은 두 번째 잠수함인 페니안 램에 동력을 공급하기 위해 사용되었다.존 필립 홀랜드의 잠수함은 뉴저지 ^[4]패터슨 올드 그레이트 폴스 역사 지구에 있는 패터슨 박물관에 보존되어 있다.

1878년 조지 B. 셀던은 최초의 내연 자동차 ^[5]특허를 취득했다.1876년 필라델피아에서 열린 100주년 박람회에 전시된 브레이튼에 의해 발명된 내연기관에서 영감을 받은 셀던은 더 작고 가볍고 다기통 버전으로 작업하는 4륜 자동차를 특허 취득했다.그리고 나서 그는 법적 절차를 연장하는 그의 출원에 대한 일련의 수정을 제출했고, 결과적으로 특허가^[5] 1895년 11월 5일에 부여되기 전까지 16년의 지연을 초래했다.1903년 셀던은 포드를 특허 침해로 고소했고 헨리 포드는 1911년까지 셀던 특허와 싸웠다.셀던은 실제로 작동하는 자동차를 생산한 적이 없었기 때문에, 시험 기간 동안 특허 도면에 따라 두 대의 기계가 제작되었다.포드는 자신의 차들이 셀던 자동차에 사용되는 브레이튼 사이클 엔진이 아닌 4행정 알퐁스 뷰 드 로하스 사이클 또는 오토 사이클을 사용했다고 주장했다.포드는 ^[6]원심 소송에서 이겼다.

1887년 브레이튼은 4행정 직분사 오일 ^[7]엔진을 개발하고 특허를 취득했다.연료 시스템은 가변량 펌프와 액체 연료, 고압, 스프레이형 분사를 사용했습니다.액체는 스프링이 장착된 릴리프형 밸브(인젝터)를 통해 주입되어 연료가 작은 물방울로 분할되었습니다.주입은 압박 스트로크의 피크 또는 그 부근에서 발생하도록 타이밍이 설정되었습니다.백금 점화기가 발화원을 제공했다.브레이튼은 이 발명을 다음과 같이 설명한다. "나는 중유가 실린더의 소성 부분이나 통신 소성실에서 기계적으로 미세하게 분할된 상태로 변환될 수 있다는 것을 발견했다."또 다른 부분은 "제가 아는 한 액체연료의 직접 연소실 또는 실린더로의 배출을 즉시 연소에 매우 유리한 미세분할 상태로 가변 제어함으로써 속도를 조절한 것은 처음"이라고 쓰여 있다.이것은 엔진 속도와 출력을 조절하기 위해 희박 연소 시스템을 사용한 최초의 엔진이었을 것입니다.이러한 방식으로 모든 동력 행정에 대해 엔진 연소, 속도 및 출력은 분사되는 연료량에 의해서만 제어되었습니다.

1890년 브레이튼은 4행정 에어 블라스트 오일 ^[8]엔진을 개발하고 특허를 취득했다.연료 시스템은 압축 행정 피크 또는 그 부근에서 압력에 의해 실린더 중앙으로 다양한 양의 기화 연료를 공급했습니다.발화원은 백금선으로 만든 점화기였다.가변량 분사 펌프는 인젝터에 연료를 공급했으며, 인젝터는 실린더에 들어갈 때 공기와 혼합되었습니다.소형 크랭크 구동 압축기가 공기의 원천을 제공했습니다.이 엔진은 또한 린 연소 시스템을 사용했습니다.

Rudolf Diesel은 원래 압축열이 연소열을 초과하는 매우 높은 압축, 일정한 온도 사이클을 제안했지만, 몇 년간의 실험 끝에 피스톤 엔진에서 일정한 온도 사이클이 작동하지 않는다는 것을 깨달았습니다.초기 디젤 엔진은 1890년 브레이튼이 개척한 에어 블라스트 시스템을 사용합니다.따라서 이러한 초기 엔진은 정압 ^[9]사이클을 사용합니다.

• 브레이튼 엔진의 예
• 

  브레이튼 가스 엔진 1872

• 

  브레이튼 워킹 빔 엔진 1872

• 

  브레이튼 엔진 1875

• 

  브레이튼 복동 정압 엔진 차단 1877

• 

  브레이튼 4행정 에어 블라스트 엔진 1889

• 

  브레이튼 4행정 에어 블라스트 엔진 1890

초기 가스터빈 역사

• 1791 가스터빈의 첫 특허(영국 존 바버)
• 1904년 베를린에서 프란츠 스톨제의 가스터빈 프로젝트 실패(최초 축압기)
• 1906 GT by Armengaud Lemale in France (중앙 압축기, 유용한 동력 없음)
• 1910년 간헐 연소를 특징으로 하는 최초의 GT(Holzwarth, 150kW, 정전량 연소)
• 1923년 디젤 엔진의 출력을 높이는 최초의 배기 가스 터보차저
• 1939년 세계 최초의 발전용 가스 터빈(브라운 보베리 회사, 스위스 뇌샤텔)

(벨록스 버너, Stodola의 공기역학)

모델

브레이튼형 엔진은 컴프레서, 혼합실, 익스팬더의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다.

현대의 브레이튼 엔진은 거의 항상 터빈 타입이지만, 브레이튼은 피스톤 엔진만 만들었습니다.원래 19세기 브레이튼 엔진에서는 외부 공기가 피스톤 컴프레서로 흡입되어 압축됩니다. 이상적으로는 등엔트로픽 프로세스입니다.그런 다음 압축 공기는 혼합 챔버를 통과하여 연료가 첨가되며, 이는 등압 프로세스입니다.그런 다음 가압된 공기와 연료 혼합물이 팽창 실린더에서 점화되고 에너지가 방출되어 가열된 공기와 연소 생성물이 피스톤/실린더를 통해 팽창하게 되는데, 이는 또 다른 이상적인 등엔트로픽 프로세스입니다.피스톤/실린더에 의해 추출된 작업 중 일부는 크랭크축 배치를 통해 컴프레서를 구동하는 데 사용됩니다.

가스터빈 엔진은 또한 공기 압축기, 연소실 및 가스터빈의 세 가지 구성 요소를 가진 브레이튼 엔진입니다.

이상적인 브레이튼 사이클:

1. 등엔트로픽 프로세스 – 외부 공기가 압축기로 흡입되어 가압됩니다.
2. 이소바릭 프로세스 – 압축 공기는 연소실을 통과하여 연료가 연소되어 해당 공기를 가열합니다. 연소실은 드나들 수 있도록 개방되어 있기 때문에 일정한 압력 프로세스입니다.
3. 등엔트로픽 프로세스 – 가열되고 가압된 공기가 에너지를 방출하여 터빈(또는 일련의 터빈)을 통해 팽창합니다.터빈에 의해 추출된 작업 중 일부는 컴프레서를 구동하는 데 사용됩니다.
4. 등압 프로세스 – (대기 중) 열 제거.

실제 브레이튼 사이클:

1. 단열 프로세스 – 압축
2. 등압 프로세스– 열첨가
3. 단열 프로세스– 확장
4. 등압 프로세스 – 열 제거

P = 압력, v = 부피, T = 온도, s = 엔트로피 및 q = 시스템에 [10]의해 추가되거나 거부되는 열인 이상적인 브레이튼 사이클.

압축과 팽창 모두 진정한 등방성이 될 수 없기 때문에 압축기와 팽창기를 통한 손실은 피할 수 없는 작업 비효율의 원인이 됩니다.일반적으로 압축비를 높이는 것이 브레이튼 ^[11]시스템의 전체 출력을 높이는 가장 직접적인 방법입니다.

이상적인 브레이톤 사이클의 효율은 ${\displaystyle \mathrm{\eta }}$ ${\displaystyle =}$1 - ${\displaystyle T\frac{{}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{{}_{}}}$ T ${\displaystyle \frac{{2\mathrm{}}_{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}_{}}{}1{}^{}}$- ( ${\displaystyle {P\frac{{}_{}}{}}^{}}$ ${\displaystyle {\frac{{}_{}}{{}_{}}}^{}}$ P${\displaystyle {\frac{{}_{}}{}\frac{{2\mathrm{}}_{}}{}}^{}}$) ( ${\displaystyle {-}^{}}$ -${\displaystyle 1^{}}$) / ${\$ { \ $displaystyle \eta$=$$1 - { \ $frac${ $T _$ { {1$}$ } =$1$- $left$( { \ $frac${$P _$ { { { { { { { { } } } } } } } } { } } } } } { { } { } } } { } { } } { } } } } } $1 1$ 그림 1은 압력비의 증가에 따라 사이클 효율이 어떻게 변화하는지 보여줍니다.그림 2는 두 개의 다른 압력 비율 값에 대한 가스터빈 입구 온도 상승에 따라 특정 출력이 어떻게 변화하는지를 나타냅니다.

• 

  그림 1: Brayton 사이클 효율

• 

  그림 2: Brayton 사이클 고유의 출력

사이클에서 가장 높은 가스 온도는 고압 터빈(로터 입구)으로 작업 전달이 이루어지는 곳에서 발생합니다.이는 엔진(연소 영역)의 최고 가스 온도보다 낮습니다.최대 사이클 온도는 터빈 재료와 필요한 터빈 수명에 의해 제한됩니다.또한 사이클에서 사용할 수 있는 압력 비율도 제한됩니다.고정 터빈 입구 온도의 경우 압력비(열효율) 및 순 작업 출력에 따라 사이클당 순 작업 출력이 증가합니다.사이클당 작업 출력이 적기 때문에 동일한 출력 유지를 위해 더 큰 질량 유량(따라서 더 큰 시스템)이 필요하며, 이는 경제적이지 않을 수 있습니다.대부분의 일반적인 설계에서 가스터빈의 압력비는 약 11에서 ^[13]16까지입니다.

전력 증강 방법

브레이튼 엔진의 출력은 다음과 같이 개선할 수 있습니다.

• 작동 유체가(대부분의 경우 공기) 일련의 터빈을 통해 팽창한 다음 최종 터빈 세트를 통해 주변 압력으로 팽창하기 전에 두 번째 연소실을 통과하는 재가열은 야금학적 제약 조건을 초과하지 않고 주어진 압축 비율에 대해 가능한 출력을 증가시킬 수 있는 이점이 있습니다(t).약 1000°C).제트 항공기 엔진에 애프터버너를 사용하는 것은 "리히트(reheat)"라고도 할 수 있습니다. 이는 재가열된 공기가 터빈이 아닌 스러스트 노즐을 통해 확장된다는 점에서 다른 과정입니다.야금학적 제약이 다소 완화되어 훨씬 높은 재가열 온도(약 2000°C)가 가능합니다.재가열은 비출력을 개선하기 위해 가장 자주 사용되며, 대개 효율의 저하와 관련이 있습니다. 이러한 효과는 특히 사용된 여분의 연료의 양이 매우 많기 때문에 애프터버너에서 두드러집니다.
• 오버스프레이 시 첫 번째 컴프레서 단계 이후 컴프레서 안으로 물이 주입되어 컴프레서 내부 질량 흐름이 증가하여 터빈 출력 출력이 크게 증가하고 컴프레서 출구 온도가 ^[14]감소합니다.두 번째 압축기 단계에서는 물이 기체 형태로 완전히 변환되어 기화 잠열을 통해 약간의 상호 냉각을 제공합니다.

효율성 향상 방법

브레이튼 엔진의 효율은 다음과 같이 개선할 수 있습니다.

• 위의 그림 1과 같이 압력비가 증가하면 압력비가 증가하면 브레이튼 사이클의 효율이 높아집니다.이는 압축비가 증가했을 때 오토 사이클에서 볼 수 있는 효율의 증가와 유사합니다.그러나 압력 비율을 증가시키는 경우에는 실질적인 한계가 발생합니다.우선 압력비를 높이면 압축기 배출온도가 높아진다.터빈 온도에는 야금 및 수명 제약에 의해 결정되는 한계가 있으므로 연소기의 허용 온도 상승(연료 첨가)이 작아집니다.또한 고압 단계에서는 컴프레서 블레이드의 길이가 점차 작아지기 때문에 컴프레서를 통해 블레이드 팁과 엔진 케이싱 사이의 일정한 주행 간격이 컴프레서 블레이드 높이에서 차지하는 비율이 커져 팁을 통과하는 공기 누출이 증가합니다.이로 인해 압축기 효율이 저하되고 소형 가스 터빈에서 발생할 가능성이 가장 높습니다(날개가 원래 더 작기 때문입니다).마지막으로 그림 1에서 볼 수 있듯이 압력비가 증가함에 따라 효율이 낮아집니다.따라서 이미 높은 수준일 경우 압력비를 더 증가시켜도 이득이 거의 없을 것으로 예상된다.
• 환열기^[15] – Brayton 사이클이 저압비 및 연소실의 고온 상승으로 실행되는 경우, 배기 가스(마지막 터빈 단계 이후)는 여전히 압축 흡기 가스(마지막 압축 단계 이후 연소기 이전)보다 뜨거울 수 있습니다.이 경우 열교환기는 연소실로 들어가기 전에 배기열 에너지를 이미 압축된 기체로 전달하기 위해 사용할 수 있다.전달된 열에너지를 효과적으로 재사용하여 효율을 높입니다.그러나 이러한 형태의 열 재활용은 애초에 엔진이 낮은 압력 비율의 저효율 모드로 작동하는 경우에만 가능합니다.마지막 터빈 이후 출구로부터 입구(압축기 첫 단계 이전)로 열을 전달하면 흡입구가 뜨거워지면 더 많은 부피가 발생하므로 효율이 떨어집니다.액체 극저온 연료(즉, 수소)를 사용하는 엔진의 경우 효율을 높이기 위해 압축 전에 연료를 사용하여 흡입 공기를 냉각하는 것이 가능할 수 있습니다.이 개념은 SABRE 엔진에 대해 광범위하게 연구되고 있습니다.
• 브레이튼 엔진은 또한 복합 사이클 시스템의 절반을 구성하며, 이 시스템은 랭킨 엔진과 결합되어 전체적인 효율을 더욱 높입니다.그러나 이것이 전체적인 효율성을 증가시키기는 하지만 실제로 브레이튼 사이클 자체의 효율성을 증가시키지는 않습니다.
• 열병합발전 시스템은 브레이튼 엔진에서 나오는 폐열을 주로 온수 생산이나 공간 난방에 사용합니다.

변종

닫힌 브레이튼 순환

닫힌 브레이튼 사이클은 작동 유체를 재순환합니다. 터빈에서 배출된 공기가 컴프레서로 다시 유입되고, 이 사이클은 내연실 대신 열 교환기를 사용하여 작동 유체를 가열합니다.폐쇄 브레이튼 사이클은 예를 들어 폐쇄 사이클 가스 터빈 및 우주 발전에서 사용됩니다.

태양 브레이튼 주기

2002년 EU SOLGATE 프로그램의 ^[16]틀에서 관련 논문을 발표하면서 하이브리드 오픈 솔라 브레이튼 사이클이 최초로 일관되고 효과적으로 운영되었다.공기가 570에서 1000K 이상으로 연소실로 가열되었습니다.EU Solhyco 프로젝트에서는 태양 에너지와 바이오디젤만 ^[17]혼성된 브레이튼 사이클을 실행하는 동안 혼성화가 이루어졌다.이 기술은 세비야 인근에 위치한 Solugas 프로젝트 내에서 최대 4.6 MW까지 확장되었으며, 현재 상용화 이전 ^[18]규모로 시연되고 있다.

역 브레이튼 사이클

순작업 입력을 통해 역주행하는 브레이튼 사이클은 공기가 작동 유체일 때 가스 냉동 사이클 또는 Bell Coleman 사이클입니다.그 목적은 일을 만드는 것이 아니라 열을 옮기는 것이다.이 공랭 기술은 엔진 컴프레서에서 탭된 블리딩 공기를 사용하는 에어컨 시스템용 제트 항공기에서 널리 사용됩니다.또한 가장 큰 역 브레이튼 사이클이 가스터빈 구동 압축기와 질소 ^[19]냉매의 86MW 전력을 사용하여 LNG를 과냉각하는 LNG 산업에서도 사용됩니다.

역 브레이튼 사이클

「 」를 참조해 주세요.

• 브리탈러스 로터리 엔진
• 제로토르
• 히트 엔진
• HVAC

레퍼런스

외부 링크

• 오늘 Brayton 엔진에 대한 과학 기사
• http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=JSEEDO000126000003000872000001&idtype=cvips&gifs=yes
• http://elib.dlr.de/46328/
• 태양열 가스터빈 시스템 시험 및 평가