L'argomento Ciclo di Brayton Vs Ciclo di Rankine ci dà l'idea che entrambi devono essere simili in alcuni aspetti. Entrambi i cicli sono utilizzati per generare energia meccanica dall'energia termica.
La principale differenza tra questi cicli è il fluido di lavoro utilizzato. Il ciclo Rankine utilizza il liquido (principalmente acqua) come fluido di lavoro mentre il ciclo Brayton utilizza il gas (principalmente aria) come fluido di lavoro. Questo articolo fa un'analisi comparativa sul ciclo di Brayton rispetto al ciclo di Rankine.
Principali componenti utilizzati nel ciclo di Brayton
Ogni ciclo ha bisogno di un insieme di macchinari che aiutino a raggiungere la produzione desiderata.
Il ciclo Brayton è composto da seguenti parti di lavoro-
- Compressore- Comprime l'aria isentropicamente.
- Camera di miscelazione- Il calore viene aggiunto all'aria compressa che aumenta la temperatura isobaricamente.
- Turbina- L'aria viene espansa nella turbina, poiché l'albero della turbina ruota, la pressione dell'aria si riduce e la temperatura si riduce. Questo processo è espansione isoentropica.
Funzionamento del ciclo Brayton
Il ciclo Brayton utilizza generalmente l'aria atmosferica come fluido di lavoro. Sono necessari almeno tre processi per completare questo ciclo (un ciclo aperto ha tre processi e un ciclo chiuso ha un minimo di quattro processi).
I diversi processi che il fluido di lavoro subisce in un ciclo di Brayton Ideale chiuso sono-
- Compressione isoentropica- L'aria ambiente viene aspirata all'interno del compressore e compressa isentropicamente.
- Aggiunta di calore isobarico- Il calore viene aggiunto all'aria compressa a pressione costante.
- Espansione isoentropica- L'aria viene espansa in una turbina isentropicamente.
- Reiezione del calore isobarico- Il calore viene espulso dal sistema a pressione costante.
I processi di compressione ed espansione isentropica denotano un ciclo ideale. Solitamente, il processo non è completamente isoentropico a causa di irreversibilità e perdite per attrito nella turbina e nel compressore. L'isoentropico efficienza della turbina e compressore denotano l'entità dell'uscita utile che può essere ottenuta da determinate condizioni.
Parti utilizzate nel ciclo Rankine
Il ciclo Rankine produce energia meccanica dall'energia termica del fluido di lavoro. Ciò è ottenuto da molti componenti che lavorano in armonia.
I componenti di lavoro utilizzati nel ciclo Rankine sono-
- Pompa- Il liquido a bassa pressione è pompato alla caldaia aumentandone la pressione.
- Caldaia- Il calore viene aggiunto al liquido di lavoro all'interno della caldaia. Il processo di addizione del calore è isobarico. Il liquido ad alta pressione viene convertito in vapore ad alta pressione all'interno della caldaia.
- Turbina- Il vapore viene espanso in turbina. Il vapore ad alta pressione è responsabile della produzione di energia meccanica che si ottiene dalla rotazione dell'albero della turbina.
- Condensatore- Il vapore a bassa pressione viene condensato all'interno del condensatore. Il condensatore non è altro che un scambiatore di calore che estrae calore dal vapore per trasformarlo in liquido.
Funzionamento del ciclo Rankine
Il ciclo Rankine viene utilizzato per produrre energia meccanica dall'energia termica del fluido di lavoro (in questo caso l'acqua) che a sua volta viene utilizzata per generare elettricità (la potenza dell'albero della turbina viene utilizzata per produrre elettricità).
Il ciclo Rankine funziona anche su quattro processi principali. Loro sono-
- Compressione isoentropica (processo 1-2): La pressione del fluido di lavoro aumenta in questo processo.
- Aggiunta di calore isobarica (processo 2-3): Il liquido ad alta pressione viene sottoposto a calore all'interno della caldaia dove viene convertito in vapore. Il vapore esce ad alta pressione ed entra nella turbina nel punto 3.
- Espansione isoentropica (processo 3-4): Il vapore ad alta pressione fa ruotare le eliche della turbina, di conseguenza l'albero della turbina inizia a ruotare. Durante questo processo, il vapore ad alta pressione viene convertito in vapore a bassa pressione. Il basso vapore a pressione entra nel condensatore.
- Reiezione del calore isobarico- Il vapore viene riconvertito allo stato liquido all'interno del condensatore. Il calore viene espulso dal vapore a pressione costante per cui il vapore viene convertito in liquido.
Si noti che condensatore e caldaia sono dispositivi che modificano lo stato del fluido di lavoro senza modificare la temperatura e la pressione.
Ciclo Rankine ed efficienza del ciclo Brayton
L'efficienza è la misura dell'efficacia del ciclo. La quantità di output che un ciclo può fornire in una data quantità di input è chiamata efficienza di un ciclo.
Prima di discutere efficienze del ciclo di Rankine e di Brayton ciclo, diamo un'occhiata all'efficienza della turbina e del compressore-
Efficienza isoentropica della turbina è dato da-
Efficienza isoentropica del compressore è dato da-
Il confronto tra l'efficienza del ciclo Rankine e l'efficienza del ciclo Brayton è riportato di seguito:
| Oggetto di confronto | Ciclo di Rankine | Ciclo di Brayton |
| Efficienza ideale | | |
| Efficienza effettiva | | |
| Diagramma Ts |  |  |
Crediti immagine: ciclo Rankine di Casa IITK
Come aumentare l'efficienza del ciclo Brayton e del ciclo Rankine?
L'efficienza è il rapporto tra output e input. Per aumentare l'efficienza di qualsiasi ciclo, è necessario aumentare l'output a un input costante o diminuire l'input per un output costante o aumentare l'output riducendo l'input.
In entrambi i cicli, è possibile utilizzare gli stessi metodi per migliorare l'efficienza. Questi metodi sono-
- Rigenerazione– Il vapore dal condensatore viene fatto passare attraverso la turbina per aumentare la temperatura di ingresso prima che il vapore entri nella caldaia.
- riscaldare Viene utilizzata una turbina secondaria che si traduce in una maggiore produttività.
- Intercooler– L'intercooler raffredda il gas dopo la compressione rendendolo così disponibile per essere nuovamente compresso. In questo modo si riduce il lavoro del compressore.
- Ciclo combinato di rigenerazione, intercooling e riscaldamento– Questo ciclo utilizza una combinazione di ciclo rigenerativo, ciclo di riscaldamento successivo e intercooling.
Quali sono i due principali tipi di ciclo di Brayton?
Il ciclo Brayton può utilizzare la rigenerazione, il riscaldamento, l'intercooler o talvolta tutti. Ma il ciclo fondamentale in cui tali metodi possono essere utilizzati sono di due tipi.
Le due forme fondamentali del ciclo di Brayton sono:
- Ciclo aperto Brayton- Nel ciclo Open Brayton, i gas di scarico vengono espulsi nell'atmosfera. Ogni ciclo utilizza un nuovo set di gas o fluido di lavoro.
- Ciclo di Brayton chiuso- Nel ciclo Brayton chiuso, i gas di scarico vengono raffreddati e rinviati al compressore per essere riutilizzati. Questo forma un ciclo completo.
Cos'è un ciclo combinato?
Uno combina due cose per ottenere più output o aumentare l'efficienza di un particolare sistema. In un ciclo combinato, entrambi i cicli Brayton e Rankine vengono combinati per ottenere più output da un dato insieme di input.
Il ciclo Brayton produce più potenza, quindi è chiamato ciclo di topping. I gas di scarico di questo ciclo sono così caldi da poter essere utilizzati come fonte per un ciclo di produzione di energia relativamente bassa che è il ciclo Rankine. In questo caso, è anche noto come ciclo di fondo.
Il calore dei gas di scarico viene recuperato da una caldaia a recupero di calore in ciclo bottoming. Il vapore/acqua viene riscaldato per completare il ciclo Rankine.
In questo modo i gas di scarico di un ciclo possono essere utilizzati come fonte per un altro ciclo.
Ciao .... Sono Abhishek Khambhata, ho perseguito B. Tech in ingegneria meccanica. Durante i miei quattro anni di ingegneria, ho progettato e pilotato veicoli aerei senza pilota. Il mio forte è la meccanica dei fluidi e l'ingegneria termica. Il mio progetto del quarto anno era basato sul miglioramento delle prestazioni dei veicoli aerei senza pilota utilizzando la tecnologia solare. Mi piacerebbe entrare in contatto con persone che la pensano allo stesso modo.
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