Brayton cycle

The Brayton cycle, also known as the Joule cycle, is a thermodynamic cycle that describes the operation of certain heat engines that have air or some other gas as their working fluid. It is characterized by isentropic compression and expansion, and isobaric heat addition and rejection, though practical engines have adiabatic rather than isentropic steps.

The most common current application is in airbreathing jet engines and gas turbine engines.

The engine cycle is named after George Brayton (1830–1892), the American engineer, who developed the Brayton Ready Motor in 1872, using a piston compressor and piston expander.^[1] An engine using the cycle was originally proposed and patented by Englishman John Barber in 1791, using a reciprocating compressor and a turbine expander.^[2]

There are two main types of Brayton cycles: closed and open. In a closed cycle, the working gas stays inside the engine. Heat is introduced with a heat exchanger or external combustion and expelled with a heat exchanger. With the open cycle, air from the atmosphere is drawn in, goes through three steps of the cycle, and is expelled again to the atmosphere. Open cycles allow for internal combustion. Although the cycle is open, it is conventionally assumed for the purposes of thermodynamic analysis that the exhaust gases are reused in the intake, enabling analysis as a closed cycle.

في عام 1872، تقدم جورج برايتون بطلب للحصول على براءة اختراع لمحركه "ريدي موتور"، وهو محرك حراري ترددي يعمل بدورة طاقة غازية. كان المحرك ثنائي الأشواط، وينتج الطاقة في كل دورة. استخدمت محركات برايتون ضاغطًا مكبسيًا منفصلاً وموسعًا مكبسيًا، حيث يتم تسخين الهواء المضغوط بواسطة نار داخلية عند دخوله أسطوانة الموسع. كانت الإصدارات الأولى من محرك برايتون محركات بخارية تخلط الوقود بالهواء عند دخوله الضاغط؛ وكان يُستخدم غاز المدينة، أو مكربن ​​سطحي للتشغيل المتنقل. ^{[ 3 ]} كان خليط الوقود/الهواء يُخزن في خزان، ثم يُدخل إلى أسطوانة الموسع ويحترق. عند دخول خليط الوقود/الهواء إلى أسطوانة الموسع، يتم إشعاله بواسطة شعلة تجريبية. استُخدمت شبكة لمنع دخول النار إلى الخزان أو عودتها إليه. في الإصدارات الأولى من المحرك، كانت هذه الشبكة تتعطل أحيانًا، مما يؤدي إلى حدوث انفجار. في عام 1874، حل برايتون مشكلة الانفجار بإضافة الوقود قبل أسطوانة الموسع مباشرةً. أصبح المحرك يستخدم أنواع وقود أثقل مثل الكيروسين وزيت الوقود. وظلت عملية الإشعال تعتمد على شعلة تجريبية. ^{[ 4 ]} أنتجت شركة برايتون وباعت محركات "ريدي موتورز" لأداء مهام متنوعة مثل ضخ المياه، وتشغيل المطاحن، وتشغيل المولدات، والدفع البحري. استمر إنتاج "ريدي موتورز" من عام 1872 وحتى ثمانينيات القرن التاسع عشر؛ ومن المرجح أنه تم إنتاج عدة مئات من هذه المحركات خلال هذه الفترة. رخصت برايتون تصميم المحرك لشركة سيمون في المملكة المتحدة. استُخدمت العديد من الاختلافات في التصميم؛ بعضها أحادي الفعل وبعضها ثنائي الفعل. بعضها مزود بعوارض سفلية، والبعض الآخر بعوارض علوية. تم بناء نماذج أفقية ورأسية. تراوحت الأحجام من أقل من حصان واحد إلى أكثر من 40 حصانًا. ادعى نقاد ذلك الوقت أن المحركات كانت تعمل بسلاسة وتتمتع بكفاءة معقولة. ^{[ 4 ]}

كانت محركات دورة برايتون من أوائل محركات الاحتراق الداخلي المستخدمة لتوليد الطاقة. في عام 1875، استخدم جون هولاند محرك برايتون لتشغيل أول غواصة ذاتية الدفع في العالم (غواصة هولاند رقم 1). وفي عام 1879، استُخدم محرك برايتون لتشغيل غواصة ثانية، هي فينيان رام . تُحفظ غواصات جون فيليب هولاند في متحف باترسون في منطقة أولد غريت فولز التاريخية في باترسون، نيو جيرسي . ^{[ 5 ]}

في عام 1878، حصل جورج ب. سيلدن على براءة اختراع أول سيارة تعمل بمحرك احتراق داخلي. ^{[ 6 ]} مستوحياً فكرته من محرك الاحتراق الداخلي الذي اخترعه برايتون وعُرض في المعرض المئوي في فيلادلفيا عام 1876، حصل سيلدن على براءة اختراع لسيارة رباعية العجلات تعمل بنسخة أصغر حجماً وأخف وزناً ومتعددة الأسطوانات. ثم قدم سلسلة من التعديلات على طلبه، مما أدى إلى إطالة الإجراءات القانونية، ونتج عنه تأخير لمدة 16 عاماً قبل منحه براءة الاختراع ^{[ 6 ]} في 5 نوفمبر 1895. في عام 1903، رفع سيلدن دعوى قضائية ضد فورد بتهمة انتهاك براءة الاختراع، وقاوم هنري فورد براءة اختراع سيلدن حتى عام 1911. لم يكن سيلدن قد أنتج سيارة عاملة قط، لذلك خلال المحاكمة، تم بناء آلتين وفقاً لرسومات براءة الاختراع. جادل فورد بأن سياراته تستخدم دورة ألفونس بو دي روشاس رباعية الأشواط أو دورة أوتو ، وليس محرك دورة برايتون المستخدم في سيارة سيلدن. فاز فورد في الاستئناف في القضية الأصلية. ^{[ 7 ]}

في عام ١٨٨٧، طوّر برايتون محركًا رباعي الأشواط يعمل بالزيت بتقنية الحقن المباشر وحصل على براءة اختراع له. ^{[ ٨ ]} استخدم نظام الوقود مضخة متغيرة الكمية وحقنًا عالي الضغط للوقود السائل على شكل رذاذ. كان يُدفع السائل عبر صمام تخفيف الضغط (الحاقن) المزود بنابض، مما يؤدي إلى تقسيم الوقود إلى قطرات صغيرة. تم ضبط توقيت الحقن ليحدث عند ذروة شوط الضغط أو بالقرب منها. ووفر مشعل بلاتيني مصدر الإشعال. يصف برايتون اختراعه قائلًا: "لقد اكتشفت أنه يمكن تحويل الزيوت الثقيلة ميكانيكيًا إلى حالة مجزأة بدقة داخل جزء الاحتراق في الأسطوانة، أو في غرفة احتراق متصلة." ويضيف: "لأول مرة، على حد علمي، قمت بتنظيم السرعة عن طريق التحكم المتغير في التفريغ المباشر للوقود السائل في غرفة الاحتراق أو الأسطوانة إلى حالة مجزأة بدقة عالية تُسهّل الاحتراق الفوري." من المرجح أن هذا كان أول محرك يستخدم نظام الاحتراق الهزيل لتنظيم سرعة المحرك وقدرته. وبهذه الطريقة، كان المحرك يعمل في كل شوط طاقة، وكانت السرعة والإنتاجية يتم التحكم فيهما فقط من خلال كمية الوقود المحقون.

في عام ١٨٩٠، طوّر برايتون محركًا رباعي الأشواط يعمل بالهواء المضغوط، وحصل على براءة اختراع له. ^{[ ٩ ]} كان نظام الوقود يضخ كمية متغيرة من الوقود المُبخر إلى مركز الأسطوانة تحت ضغط عند ذروة شوط الانضغاط أو بالقرب منها. وكان مصدر الإشعال عبارة عن مشعل مصنوع من سلك بلاتيني. وقامت مضخة حقن متغيرة الكمية بتزويد حاقن الوقود بالوقود، حيث يختلط بالهواء عند دخوله الأسطوانة. ووفر ضاغط صغير يعمل بواسطة عمود المرفق مصدر الهواء. كما استخدم هذا المحرك نظام الاحتراق الهزيل.

اقترح رودولف ديزل في الأصل دورة ضغط عالية جدًا ودرجة حرارة ثابتة، حيث تتجاوز حرارة الضغط حرارة الاحتراق ، ولكن بعد سنوات من التجارب، أدرك أن دورة درجة الحرارة الثابتة لا تُجدي نفعًا في محرك مكبسي. تستخدم محركات ديزل المبكرة نظام نفخ الهواء الذي ابتكره برايتون عام 1890. ونتيجة لذلك، تستخدم هذه المحركات المبكرة دورة الضغط الثابت. ^{[ 10 ]}

• أمثلة على محركات برايتون
• 
  محرك غاز برايتون 1872
• 
  محرك برايتون ذو العارضة المتحركة 1872
• 
  محرك برايتون 1875
• 
  محرك برايتون مزدوج الفعل ذو الضغط الثابت، تم قطعه عام 1877
• 
  محرك برايتون رباعي الأشواط يعمل بنفث الهواء 1889
• 
  محرك برايتون رباعي الأشواط يعمل بنفخ الهواء 1890

• 1791 أول براءة اختراع لتوربين غازي (جون باربر، المملكة المتحدة)
• مشروع توربينات الغاز الفاشل الذي قام به فرانز ستولز في برلين عام 1904 (أول ضاغط محوري)
• توربين غازي من صنع شركة Armengaud-Lemale عام 1906 في فرنسا (ضاغط طرد مركزي، بدون طاقة مفيدة)
• 1910 أول توربين غاز يتميز بالاحتراق المتقطع ( هولزورث 150  كيلووات، احتراق بحجم ثابت)
• 1923 أول شاحن توربيني لغازات العادم لزيادة قوة محركات الديزل
• في عام 1939، قامت طائرة هاينكل هي 178 ، أول طائرة نفاثة في العالم، بأول رحلة لها، وهي تعمل بمحرك توربيني نفاث. كما تم استخدام أول توربين غازي لتوليد الطاقة في العالم من إنتاج شركة براون-بوفيري في نوشاتيل، سويسرا (موقد فيلوكس، والضاغط، وتدفق التوربين من شركة ستودولا).

يتكون محرك من نوع برايتون من ثلاثة مكونات: ضاغط ، وغرفة خلط، وموسع .

تُعدّ محركات برايتون الحديثة في الغالب من النوع التوربيني، على الرغم من أن برايتون لم تصنع سوى محركات مكبسية. في محرك برايتون الأصلي الذي يعود إلى القرن التاسع عشر، يُسحب الهواء المحيط إلى ضاغط مكبسي، حيث يُضغط ؛ وهي عملية متساوية الإنتروبيا في الوضع الأمثل . ثم يمر الهواء المضغوط عبر غرفة خلط حيث يُضاف الوقود، وهي عملية متساوية الضغط . بعد ذلك، يُشعل خليط الهواء والوقود المضغوط في أسطوانة تمدد، فتُطلق الطاقة، مما يؤدي إلى تمدد الهواء الساخن ونواتج الاحتراق عبر مكبس/أسطوانة، وهي عملية متساوية الإنتروبيا أيضًا في الوضع الأمثل. يُستخدم جزء من الطاقة المُستخرجة بواسطة المكبس/الأسطوانة لتشغيل الضاغط عبر عمود مرفقي.

تُعد محركات التوربينات الغازية أيضًا محركات برايتون، وتتكون من ثلاثة مكونات: ضاغط هواء، وغرفة احتراق ، وتوربين غازي. ^{[ 11 ]}

دورة برايتون المثالية:

1. عملية متساوية الإنتروبيا - يتم سحب الهواء المحيط إلى الضاغط، حيث يتم ضغطه.
2. عملية متساوية الضغط - يمر الهواء المضغوط بعد ذلك عبر غرفة احتراق، حيث يتم حرق الوقود، مما يؤدي إلى تسخين ذلك الهواء - وهي عملية ذات ضغط ثابت، لأن الغرفة مفتوحة للتدفق إلى الداخل والخارج.
3. العملية الأيزنتروبية - حيث يفقد الهواء الساخن والمضغوط طاقته، ويتمدد عبر توربين (أو سلسلة من التوربينات). ويُستخدم جزء من الطاقة المستخرجة بواسطة التوربين لتشغيل الضاغط.
4. عملية متساوية الضغط – طرد الحرارة (في الغلاف الجوي).

دورة برايتون الفعلية:

1. عملية كظيمة – انضغاط
2. عملية متساوية الضغط – إضافة الحرارة
3. عملية كظيمة – تمدد
4. عملية متساوية الضغط – طرد الحرارة

بما أن كلاً من الضغط والتمدد لا يمكن أن يكونا متساويي الإنتروبيا تمامًا، فإن الفاقد في الضاغط والموسع يمثلان مصادر حتمية لعدم كفاءة التشغيل . وبشكل عام، تُعد زيادة نسبة الضغط الطريقة الأكثر مباشرة لزيادة إجمالي القدرة الناتجة لنظام برايتون. ^{[ 13 ]}

كفاءة دورة برايتون المثالية هي${\displaystyle \eta =1-{\frac {T_{1}}{T_{2}}}=1-\left({\frac {P_{1}}{P_{2}}}\right)^{(\gamma -1)/\gamma }}$، أين${\displaystyle \gamma }$نسبة السعة الحرارية . ^{[ 14 ]} يوضح الشكل 1 كيفية تغير كفاءة الدورة مع زيادة نسبة الضغط. ويوضح الشكل 2 كيفية تغير القدرة النوعية الناتجة مع زيادة درجة حرارة مدخل التوربين الغازي لقيمتين مختلفتين لنسبة الضغط.

• 
  الشكل 1: كفاءة دورة برايتون
• 
  الشكل 2: القدرة النوعية الناتجة عن دورة برايتون

تحدث أعلى درجة حرارة للغاز في الدورة عند نقطة انتقال الشغل إلى التوربين عالي الضغط (مدخل الدوار). وهي أقل من أعلى درجة حرارة للغاز في المحرك (منطقة الاحتراق). وتُحدَّد درجة الحرارة القصوى للدورة بمواد التوربين وعمره الافتراضي المطلوب. كما يُحدِّد هذا نسب الضغط التي يُمكن استخدامها في الدورة. عند ثبات درجة حرارة مدخل التوربين، يزداد صافي ناتج الشغل لكل دورة مع زيادة نسبة الضغط (وبالتالي الكفاءة الحرارية ) وصافي ناتج الشغل. ومع انخفاض ناتج الشغل لكل دورة، يلزم معدل تدفق كتلي أكبر (وبالتالي نظام أكبر) للحفاظ على نفس ناتج الطاقة، وهو ما قد لا يكون مُجديًا اقتصاديًا. في معظم التصاميم الشائعة، تتراوح نسبة ضغط التوربين الغازي بين 11 و16 تقريبًا. ^{[ 15 ]}

يمكن تحسين قدرة محرك برايتون عن طريق:

• إعادة التسخين، حيث يتمدد سائل التشغيل - وهو الهواء في أغلب الأحيان - عبر سلسلة من التوربينات، ثم يمر عبر غرفة احتراق ثانية قبل أن يتمدد إلى الضغط الجوي عبر مجموعة أخيرة من التوربينات، تتميز بزيادة القدرة الناتجة الممكنة لنسبة انضغاط معينة دون تجاوز أي قيود معدنية (عادةً حوالي 1000  درجة مئوية). يُشار أيضًا إلى استخدام الحارق اللاحق لمحركات الطائرات النفاثة باسم "إعادة التسخين"؛ وهي عملية مختلفة حيث يتمدد الهواء المُعاد تسخينه عبر فوهة دفع بدلاً من التوربين. يتم تخفيف القيود المعدنية إلى حد ما، مما يسمح بدرجات حرارة إعادة تسخين أعلى بكثير (حوالي 2000  درجة مئوية). تُستخدم إعادة التسخين في أغلب الأحيان لتحسين القدرة النوعية، وعادةً ما ترتبط بانخفاض في الكفاءة؛ ويكون هذا التأثير واضحًا بشكل خاص في الحارقات اللاحقة نظرًا للكميات الهائلة من الوقود الإضافي المستخدم.
• في عملية الرش الزائد، بعد المرحلة الأولى من الضغط، يُحقن الماء في الضاغط، مما يزيد من تدفق الكتلة داخله، ويرفع قدرة التوربين بشكل ملحوظ، ويقلل من درجة حرارة مخرج الضاغط. ^{[ 16 ]} في المرحلة الثانية من الضغط، يتحول الماء بالكامل إلى غاز، مما يوفر بعض التبريد البيني عبر حرارة التبخر الكامنة.

يمكن تحسين كفاءة محرك برايتون عن طريق:

• كما هو موضح في الشكل 1 أعلاه، تؤدي زيادة نسبة الضغط إلى زيادة كفاءة دورة برايتون. وهذا يُشابه الزيادة في الكفاءة التي تُلاحظ في دورة أوتو عند زيادة نسبة الانضغاط . مع ذلك، توجد حدود عملية عند زيادة نسبة الضغط. أولًا، تؤدي زيادة نسبة الضغط إلى زيادة درجة حرارة مخرج الضاغط. ونظرًا لأن درجة حرارة التوربين لها حدٌّ أقصى تحدده القيود المعدنية وقيود العمر الافتراضي، فإن الارتفاع المسموح به في درجة الحرارة (الوقود المُضاف) في غرفة الاحتراق يصبح أقل. ثانيًا، نظرًا لأن طول شفرات الضاغط يتناقص تدريجيًا في مراحل الضغط العالي، فإن الفجوة الثابتة بين أطراف الشفرات وغلاف المحرك تُصبح نسبة أكبر من ارتفاع شفرة الضاغط، مما يزيد من تسرب الهواء من الأطراف. وهذا يُسبب انخفاضًا في كفاءة الضاغط، وهو أمرٌ أكثر احتمالًا في التوربينات الغازية الصغيرة (لأن الشفرات أصغر حجمًا في الأصل). أخيرًا، كما هو موضح في الشكل 1، تستقر الكفاءة مع زيادة نسبة الضغط. وبالتالي، لا يُتوقع تحقيق مكاسب كبيرة من زيادة نسبة الضغط أكثر إذا كانت بالفعل عند مستوى عالٍ.
• المُسترجع الحراري ^{[ 17 ]} - إذا تم تشغيل دورة برايتون بنسبة ضغط منخفضة وارتفاع كبير في درجة حرارة غرفة الاحتراق، فقد يكون غاز العادم (بعد المرحلة الأخيرة من التوربين) لا يزال أكثر سخونة من غاز السحب المضغوط (بعد المرحلة الأخيرة من الضغط وقبل غرفة الاحتراق). في هذه الحالة، يمكن استخدام مبادل حراري لنقل الطاقة الحرارية من العادم إلى الغاز المضغوط قبل دخوله غرفة الاحتراق. تُعاد استخدام الطاقة الحرارية المنقولة بكفاءة، مما يزيد من الكفاءة. مع ذلك، لا يُمكن تطبيق هذا النوع من إعادة تدوير الحرارة إلا إذا كان المحرك يعمل في وضع كفاءة منخفضة بنسبة ضغط منخفضة في الأساس. إن نقل الحرارة من المخرج (بعد المرحلة الأخيرة من التوربين) إلى المدخل (قبل المرحلة الأولى من الضاغط) سيقلل من الكفاءة، لأن هواء السحب الأكثر سخونة يعني حجمًا أكبر، وبالتالي جهدًا أكبر على الضاغط. أما بالنسبة للمحركات التي تعمل بوقود سائل مُبرد، كالهيدروجين تحديدًا ، فقد يكون من الممكن استخدام الوقود لتبريد هواء السحب قبل الضغط لزيادة الكفاءة. تمت دراسة هذا المفهوم على نطاق واسع لمحرك SABRE .
• يشكل محرك برايتون نصف نظام الدورة المركبة ، الذي يتحد مع محرك رانكين لزيادة الكفاءة الإجمالية. ومع ذلك، فرغم أن هذا يزيد الكفاءة الإجمالية، إلا أنه لا يزيد فعلياً من كفاءة دورة برايتون نفسها.
• تستفيد أنظمة التوليد المشترك من الحرارة المهدرة من محركات برايتون، عادةً لإنتاج الماء الساخن أو تدفئة المساحات.

تدرس وكالة ناسا استخدام دورة برايتون لمفاعلها النووي القمري المقرر إطلاقه في عام 2030. ^{[ 23 ]}

• محرك بريتالوس الدوار
• محرك حراري
• نظام التدفئة والتهوية وتكييف الهواء
• دورة رانكين

• مقال اليوم في العلوم عن محرك برايتون
• أنظمة التوربينات الغازية الشمسية: التصميم والتكلفة والآفاق
• هيلر، بيتر. بفاندر، ماركوس؛ دينك، ثورستن. تيليز، فيليكس. فالفيردي، أنطونيو؛ فرنانديز، خيسوس؛ رينغ ، أريك (2006). "اختبار وتقييم نظام توربينات الغاز التي تعمل بالطاقة الشمسية". الطاقة الشمسية . 80 (10): 1225–1230 . بيب كود : 2006SoEn...80.1225H . دوى : 10.1016/j.solener.2005.04.020 .