Siklus Brayton: proses, efisiensi, kegunaan, latihan

Siklus Brayton adalah siklus termodinamika yang terdiri dari empat proses dan diterapkan pada kompresibel cairan seperti termodinamika sebagai gas. Penyebutan pertamanya berasal dari akhir abad ke-18, meskipun beberapa waktu sebelum pertama kali diangkat oleh James Joule. Inilah sebabnya mengapa ini juga dikenal sebagai siklus Joule.

Ini terdiri dari tahap-tahap berikut, yang dengan mudah diilustrasikan dalam diagram tekanan- volume pada Gambar 1: kompresi adiabatik (tidak ada panas yang dipertukarkan), ekspansi isobarik (terjadi pada tekanan konstan), ekspansi adiabatik (tidak ada panas yang dipertukarkan) dan kompresi isobarik. (terjadi pada tekanan konstan).

Gambar 1. Siklus Brayton. Sumber: buatan sendiri.

Proses dan deskripsi

Siklus Brayton adalah siklus termodinamika ideal yang paling baik diterapkan untuk menjelaskan operasi termodinamika turbin gas dan campuran udara-bahan bakar, yang digunakan untuk pembangkitan energi listrik dan mesin pesawat.

Gambar 2. Diagram turbin dan tahapan aliran. Sumber: buatan sendiri.

Sebagai contoh, dalam pengoperasian turbin terdapat beberapa tahapan dalam pengoperasian aliran gas, yang akan kita lihat di bawah ini.

Penerimaan

Ini terdiri dari masuknya udara pada suhu dan tekanan sekitar melalui lubang masuk turbin.

Kompresi

Udara dikompresi dengan memutar sudu-sudu terhadap sudu-sudu tetap di bagian kompresor turbin. Pemampatan ini sangat cepat sehingga praktis tidak ada pertukaran panas, sehingga dicaralkan dengan proses adiabatik AB dari siklus Brayton. Udara yang meninggalkan kompresor telah meningkatkan tekanan dan suhunya.

Pembakaran

Udara dicampur dengan gas propana atau bahan bakar bubuk yang dimasukkan melalui injektor ruang bakar. Campuran tersebut menghasilkan reaksi kimia pembakaran.

Reaksi inilah yang memberikan panas yang meningkatkan suhu dan energi kinetik partikel gas yang mengembang di ruang bakar pada tekanan konstan. Dalam siklus Brayton langkah ini dicaralkan dengan proses BC yang terjadi pada tekanan konstan.

Ekspansi

Di bagian turbin itu sendiri, udara terus berekspansi melawan bilah turbin, menyebabkannya berputar dan menghasilkan kerja mekanis. Pada langkah ini, udara menurunkan suhunya tetapi tanpa secara praktis bertukar panas dengan lingkungan.

Dalam siklus Brayton langkah ini disimulasikan sebagai proses ekspansi adiabatik CD. Sebagian kerja turbin dipindahkan ke kompresor dan sebagian lagi digunakan untuk menggerakkan generator atau baling-baling.

Escape

Udara yang keluar berada pada tekanan konstan yang sama dengan tekanan sekitar dan memindahkan panas ke massa udara luar yang sangat besar, sehingga dalam waktu singkat dibutuhkan suhu yang sama dengan udara yang masuk. Dalam siklus Brayton langkah ini disimulasikan dengan proses DA tekanan konstan, menutup siklus termodinamika.

Efisiensi sebagai fungsi suhu, panas dan tekanan

Kita mengusulkan untuk menghitung efisiensi siklus Brayton, yang kita mulai dari definisinya.

Dalam mesin kalor, efisiensi didefinisikan sebagai kerja bersih yang dilakukan oleh mesin dibagi dengan energi panas yang diberikan.

Prinsip pertama termodinamika menyatakan bahwa panas bersih yang disumbangkan ke gas dalam proses termodinamika sama dengan perubahan energi internal gas ditambah kerja yang dilakukan olehnya.

Tetapi dalam satu siklus lengkap variasi energi dalam adalah nol, sehingga panas bersih yang disumbangkan dalam siklus sama dengan kerja bersih yang dilakukan.

Panas masuk, panas keluar, dan efisiensi

Persamaan sebelumnya memungkinkan kita untuk menulis efisiensi sebagai fungsi dari kalor yang diserap atau masuk Qe (positif) dan kalor yang dipindahkan atau keluar Qs (negatif).

Panas dan tekanan dalam siklus Brayton

Pada siklus Brayton, kalor masuk ke proses isobarik BC dan keluar melalui proses isobarik DA.

Dengan asumsi bahwa n mol gas pada tekanan konstan yang diberikan panas sensibel Qe dalam proses BC, maka suhunya meningkat dari Tb ke Tc sesuai dengan hubungan berikut:

Panas keluar Qs dapat dihitung dengan cara yang sama dengan hubungan berikut yang berlaku untuk proses tekanan konstan DA:

Mengganti ekspresi ini dalam ekspresi yang memberi kita efisiensi sebagai fungsi dari panas masuk dan panas keluar, membuat penyederhanaan terkait, hubungan berikut diperoleh untuk efisiensi:

Hasil yang disederhanakan

Hasil sebelumnya dapat disederhanakan jika kita memperhitungkan bahwa Pa = Pd dan bahwa Pb = Pc karena proses AD dan BC isobarik, yaitu pada tekanan yang sama.

Selanjutnya, karena proses AB dan CD adalah adiabatik, rasio Poisson terpenuhi untuk kedua proses:

Dimana gamma mewakili hasil bagi adiabatik, yaitu, hasil bagi antara kapasitas panas pada tekanan konstan dan kapasitas panas pada volume konstan.

Dengan menggunakan hubungan ini dan hubungan dari persamaan keadaan gas ideal, kita dapat memperoleh ekspresi alternatif untuk rasio Poisson:

Seperti yang kita ketahui bahwa Pa = Pd dan bahwa Pb = Pc, dengan mensubstitusi dan membagi anggota dengan anggota, diperoleh hubungan antara suhu sebagai berikut:

Jika setiap anggota persamaan sebelumnya dikurangi dengan unit, perbedaan diselesaikan dan suku-suku disusun, dapat ditunjukkan bahwa:

Performa sebagai fungsi rasio tekanan

Ekspresi yang diperoleh untuk efisiensi siklus Brayton sebagai fungsi suhu dapat ditulis ulang untuk dirumussikan sebagai fungsi dari hasil bagi tekanan di outlet dan inlet kompresor.

Hal ini dicapai jika rasio Poisson antara titik A dan B dikenal sebagai fungsi tekanan dan suhu, sehingga efisiensi siklus dinyatakan sebagai berikut:

Rasio tekanan tipikal adalah 8. Dalam hal ini siklus Brayton memiliki hasil teoritis sebesar 45%.

Kegunaan

Brayton siklus sebagai model diterapkan untuk turbin gas yang digunakan dalam thermoelectric tanaman untuk menggerakkan generator yang menghasilkan listrik.

Ini juga merupakan model teoretis yang sangat cocok untuk pengoperasian mesin turboprop yang digunakan di pesawat terbang, tetapi tidak berlaku sama sekali di pesawat turbojet.

Bila ingin memaksimalkan kerja yang dihasilkan turbin untuk menggerakkan generator atau baling-baling pesawat terbang, maka diterapkan siklus Brayton.

Gambar 3. Mesin turbofan lebih irit dibandingkan turbojet. Sumber: Pixabay

Di pesawat turbojet, di sisi lain, tidak ada kepentingan dalam mengubah energi kinetik dari gas pembakaran untuk menghasilkan usaha, yang akan cukup untuk mengisi ulang turbocharger.

Sebaliknya, menarik untuk memperoleh energi kinetik setinggi mungkin dari gas yang dikeluarkan, sehingga sesuai dengan prinsip aksi dan reaksi, diperoleh momentum pesawat.

Latihan yang diselesaikan

-Latihan 1

Turbin gas jenis yang digunakan pada pembangkit termoelektrik memiliki tekanan pada keluaran kompresor sebesar 800 kPa. Suhu gas yang masuk adalah ambien dan 25 Celcius, dan tekanannya 100 kPa.

Di ruang bakar suhu naik menjadi 1027 Celcius untuk masuk ke turbin.

Tentukan efisiensi siklus, suhu gas di outlet kompresor, dan suhu gas di outlet turbin.

Larutan

Karena kita memiliki tekanan gas di outlet kompresor dan kita tahu bahwa tekanan inlet adalah tekanan atmosfer, maka adalah mungkin untuk mendapatkan rasio tekanan:

r = Pb / Pa = 800 kPa / 100 KPa = 8

Karena gas yang digunakan turbin untuk beroperasi adalah campuran udara dan gas propana, maka koefisien adiabatik diterapkan untuk gas ideal diatomik, yaitu gamma 1,4.

Efisiensi kemudian akan dihitung seperti ini:

Dimana kita telah menerapkan hubungan yang memberikan efisiensi siklus Brayton sebagai fungsi dari rasio tekanan di kompresor.

Perhitungan suhu

Untuk menentukan temperatur pada keluaran kompresor, atau berapakah temperatur yang sama dengan temperatur masuknya gas ke ruang bakar, kita terapkan hubungan efisiensi dengan temperatur masuk dan keluar kompresor.

Jika kita memecahkan suhu Tb dari ekspresi itu, kita memperoleh:

Sebagai data untuk latihan yang kita miliki bahwa setelah pembakaran suhu naik menjadi 1027 Celcius, untuk masuk ke turbin. Sebagian energi panas dari gas digunakan untuk menggerakkan turbin, sehingga temperatur pada outletnya harus lebih rendah.

Untuk menghitung suhu pada outlet turbin kita akan menggunakan hubungan antara suhu yang diperoleh sebelumnya:

Dari sana kita memecahkan Td untuk mendapatkan suhu di outlet turbin. Setelah melakukan perhitungan maka didapatkan suhu :

Td = 143,05 Celcius .

-Latihan 2

Turbin gas mengikuti siklus Brayton. Perbandingan tekanan antara saluran masuk dan keluar kompresor adalah 12.

Asumsikan suhu lingkungan 300 K. Sebagai data tambahan diketahui bahwa suhu gas setelah pembakaran (sebelum masuk turbin) adalah 1000K.

Tentukan suhu di outlet kompresor, dan suhu di outlet turbin. Tentukan juga berapa kilogram gas yang beredar melalui turbin dalam setiap detik, dengan mengetahui bahwa dayanya adalah 30 KW.

Asumsikan kalor jenis gas konstan dan ambil nilainya pada suhu kamar: Cp = 1,0035 J / (kg K).

Asumsikan juga bahwa efisiensi kompresi pada kompresor dan efisiensi dekompresi pada turbin adalah 100%, yang merupakan idealisasi karena dalam prakteknya selalu terjadi rugi-rugi.

Larutan

Untuk menentukan suhu di outlet kompresor, mengetahui suhu di inlet, kita harus ingat bahwa itu adalah kompresi adiabatik, sehingga rasio Poisson dapat diterapkan untuk proses AB.

Untuk setiap siklus termodinamika, kerja bersih akan selalu sama dengan panas bersih yang dipertukarkan dalam siklus.

Kerja bersih per siklus operasi kemudian dapat dinyatakan sebagai fungsi dari massa gas yang beredar dalam siklus itu dan suhu.

Dalam ekspresi ini m adalah massa gas yang diperedarankan melalui turbin dalam siklus operasi dan Cp panas spesifik.

Jika kita mengambil turunan terhadap waktu dari ekspresi sebelumnya, kita memperoleh daya rata-rata bersih sebagai fungsi dari aliran massa.

Memecahkan titik m , dan menggantikan suhu, daya dan kapasitas panas gas, kita memperoleh aliran massa 1578,4 kg / s.

Referensi

  1. Alfaro, J. Siklus Termodinamika. Dipulihkan dari: fis.puc.cl.
  2. Fernandez JF Ciclo Brayton. Turbin gas. UTN (Mendoza). Dipulihkan dari: edutecne.utn.edu.ar.
  3. Universitas Sevilla. jurusan fisika. siklus Brayton. Dipulihkan dari: laplace.us.es.
  4. Universitas Eksperimental Nasional Táchira. Fenomena Transportasi. Siklus tenaga gas. Dipulihkan dari: unet.edu.ve.
  5. Wikipedia. siklus Brayton. Dipulihkan dari: wikiwand.com
  6. Wikipedia. Turbin gas. Dipulihkan dari: wikiwand.com.

Fisika modern – apa yang dipelajari juga cabangnya
Tegangan normal: terdiri dari apa, bagaimana cara menghitungnya, contoh
Permitivitas listrik – apa itu, rumus, percobaan
Kalor sensibel: konsep, rumus, dan latihan yang diselesaikan