Ciclo Otto vs Ciclo Brayton: 5 fatti che dovresti sapere

I cicli Brayton e Otto generano energia meccanica dall'energia termica. Questo articolo discute in dettaglio l'argomento Ciclo di Otto vs Ciclo di Brayton.

Il ciclo Brayton viene utilizzato nei motori a reazione mentre il ciclo Otto viene utilizzato nei veicoli con motore SI. Scopriamo quali altre differenze e somiglianze esistono tra questi cicli.

Principali parti di lavoro utilizzate nel ciclo Brayton

Un insieme di macchine lavorano insieme per fare Ciclo di Brayton possibile.

Le diverse parti di lavoro utilizzate nel ciclo Brayton sono compressore, camera di miscelazione e turbina. Il compressore comprime l'aria, il carburante viene aggiunto nella camera di miscelazione dove l'aria compressa e il carburante interagiscono. Infine, l'energia termica viene convertita in energia meccanica dalla turbina.

Funzionamento del ciclo Brayton

L'aria viene utilizzata come fluido di lavoro nel ciclo Brayton. Sono necessari almeno tre processi per completare questo ciclo (tre processi per ciclo aperto e quattro processi per ciclo chiuso).

I seguenti processi si combinano per creare il ciclo di Brayton:

• Compressione isoentropica- Il processo 1-2 rappresenta la compressione isoentropica in cui l'aria viene compressa senza modificarne l'entropia.
• Aggiunta di calore isobarico- Il processo 2-3 rappresenta l'aggiunta di calore isobarica in cui il calore viene aggiunto alla camera di miscelazione; il calore combinato con l'aria compressa produce un'elevata energia termica.
• Espansione isoentropica- Il processo 3-4 rappresenta l'espansione isoentropica in cui l'energia termica viene convertita in energia meccanica. La rotazione dell'albero della turbina rappresenta l'energia meccanica.
• Reiezione del calore isobarico- Il processo 4-1 rappresenta il rigetto isobarico del calore in cui il calore viene rimosso dal fluido di lavoro e inviato ulteriormente per essere compresso per il ciclo successivo.

Parti principali utilizzate nel ciclo Otto

Le parti utilizzate nel ciclo Otto sono molto più piccole di quelle utilizzate nel ciclo Brayton.

Le parti utilizzate nel ciclo Otto sono-

• Pistone- Il pistone esegue un movimento alternativo su e giù che comprime il fluido di lavoro all'interno del cilindro.
• Cilindro- Il cilindro è il fondamento del ciclo Otto. Il cilindro è il luogo in cui avviene tutta la conversione dell'energia.  
• Valvole- Le valvole di aspirazione e mandata sono utilizzate rispettivamente per l'aspirazione del fluido di lavoro e l'uscita dei gas di scarico.

Lavorazione di Otto Cycle

Il ciclo Otto utilizza il vapore come fluido di lavoro.

I seguenti processi avvengono nel ciclo Otto-

• Compressione isoentropica- Il processo 1-2 mostra la compressione isoentropica del fluido di lavoro. Il pistone si sposta da BDC a TDC. L'entropia del sistema è costante durante questo processo, quindi è chiamata compressione isoentropica.
• Iaggiunta di calore socorico- Il processo 2-3 rappresenta l'aggiunta di calore nel sistema. Il pistone rimane al PMS e mostra l'accensione del fluido di lavoro.
• Espansione entropica costante: il processo 3-4 rappresenta l'espansione isoentropica (espansione entropica costante) da cui si muove il pistone TDC a BDC. Poiché l'entropia rimane costante durante questo processo, si parla di espansione isoentropica.
• Aggiunta di calore isocora- Il processo 4-1 rappresenta l'aggiunta di calore a volume costante. Il pistone rimane fermo al BDC mentre il calore viene respinto nell'atmosfera.

Questo ciclo continua a ripetersi mentre il pistone si sposta al PMS.

Ciclo Brayton vs Efficienza del ciclo Otto

Entrambi i cicli diversi processi e diversi fluidi di lavoro. Ciò influisce sull'efficienza dei cicli.

Il confronto delle efficienze termiche del ciclo Brayton e del ciclo Otto è mostrato nella tabella seguente-

Efficienza termica del ciclo Brayton	Rendimento termico del ciclo Otto

Dove,

rp è il rapporto di compressione e Y è il rapporto di calore specifico.

Quindi, per valori costanti di rapporto di compressione, entrambi i rendimenti hanno gli stessi valori.

Ma in pratica, i cicli Brayton vengono utilizzati per valori più grandi di rapporti di compressione e il ciclo Otto viene utilizzato per valori piccoli di rapporto di compressione. Quindi, la formula dell'efficienza può essere la stessa ma le loro applicazioni sono diverse.

Perché il ciclo Brayton è più adatto del ciclo Otto?

Brayton ciclo utilizza una turbina a gas e compressore mentre il ciclo Otto utilizza la disposizione del cilindro del pistone per il suo funzionamento. Il ciclo Otto è preferito per i motori SI in cui non è possibile montare una turbina a gas e un compressore nel veicolo.

I seguenti punti spiegano in dettaglio i vantaggi di Brayton rispetto al ciclo Otto-

• Per gli stessi valori di compressione e rendimento del lavoro, il ciclo Brayton può gestire un volume maggiore in un intervallo ridotto di temperatura e pressione.
• Una disposizione del cilindro del pistone non può gestire grandi volumi di gas a bassa pressione. Quindi, il ciclo Otto è preferito nei veicoli.
• Nel ciclo Otto, le parti in lavorazione sono esposte alla temperatura massima per un periodo di tempo molto breve e inoltre ci vuole tempo per raffreddarsi. Mentre nel ciclo della turbina a gas, le parti di lavoro sono costantemente esposte a temperature elevate. In regime stazionario, il trasferimento di calore dal macchinario è difficile nel processo a volume costante (es. ciclo Otto) che a pressione costante (es. ciclo Brayton).