دورة برايتون

من أرابيكا، الموسوعة الحرة

هذه هي النسخة الحالية من هذه الصفحة، وقام بتعديلها عبود السكاف (نقاش | مساهمات) في 19:42، 16 مارس 2023 (بوت: إصلاح التحويلات). العنوان الحالي (URL) هو وصلة دائمة لهذه النسخة.

(فرق) → نسخة أقدم | نسخة حالية (فرق) | نسخة أحدث ← (فرق)
اذهب إلى التنقل اذهب إلى البحث

دورة برايتون في الفيزياء وفي ألهندسة الميكانيكية (بالإنجليزية: Brayton cycle) هي دورة ترموديناميكية تصف عمل التوربين الغازي ، وهي تعتبر مبدأ عمل المحرك النفاث. وتسمى الدورة باسم مخترعها جورج برايتون (1830 - 1892) ، المهندس الأمريكي. وتسمى أحيانا «دورة جول» . وتوجد دورة أخرى تشبهها تسمى دورة إريكسون ولكن الأخيرة تستخدم تسخين خارجي كما تستخدم تدوير جزء من الحرارة.

تأريخ

تقدم جورج بريتون، المهندس الأمريكي عام 1872 للحصول على براءة اختراع تختص بمحرك من اختراعه يسمى «ريدي موتور». وكانت الآلة تستخدم مكبسا وغرفة تمدد. وكان الهواء يسخن بواسطة فرن داخلي عند دخوله إلى اسطوانة التمدد. وكان برايتون يقوم بتصنيع آلته هذه ويبيعها في السوق فكانت تستخدم لضخ المياه، وأشغال المناجم، وفي محركات السفن.

أن الآلة تعمل جيدا إلى أن كفاءتها كانت منخفضة حيث بلغت 17% فقط.

وفي عصرنا الحالي ترتبط دورة برايتون بعمل التوربين الغازي رغم أن برايتون كان يبني محركات تعمل بالمكابس فقط.

وتستغل دورة برايتون لتوضيح عمل محرك الاحتراق الداخلي مثل المحرك النفاث كما تطبق أيضا على محركات الاحتراق الخارجي.

وصفها

تمثيل ميكانيكي لدورة برايتون المغلقة.
دورة برايتون في مخطط الضغط والحجم.
دورة برايتون في مخطط درجة الحرارة والإنتروبي.

تتكون الدورة من 4 مراحل (قارن مخطط الضغط والحجم):

تعطينا المساحة المحصورة داخل المنحنيات (1 - 2 - 3 - 4) الشغل W الناتج من الدورة.

ويتم إمداد الدورة بالحرارة عن طريق احتراق وقود. وفي المحرك النفاث يكون الوقود هو الكيروسين، وهو سائل ينتج خلال تكرير النفط أثناء إنتاج البنزين والديزل.

وتوضح الصور الآتية المنحنيات المكتسبة لدورة عملية ودوال الحالة وبيانات العمليات نتجت من عمليات حسابية لدورة برايتون عملية:

مخططات الدورة ونتائج الحسابات
مخطط الضغط والحجم p-v Diagram
مخطط درجة الحرارة والإنتروبي T-s Diagram
جدول النتائج .

الكفاءة

كفاءة دورة برايتون ذات المرحلة الواحدة

تعرف الكفاءة الحرارية بأنها النسبة بين الشغل المكتسب إلى الطاقة المبذولة.

ηth=workEnergy

ومن خلال دورة جول نكتسب الشغل الميكانيكي wwork, من الحرارة qzu, التي زودنا بها الآلة، فنحصل على الآتي:

ηth=wworkqzu=qzu|qab|qzu

وهنا يمكن التعويض عن الحرارة بفرق الإنثالبي (قبل العملية وبعدها) :

qzu=h3h2
qab=h4h1

بالنسبة لغاز مثالي يكون الإنتروبي النوعي h دالة لدرجة الحرارة ولا يعتمد على الضغط، فيكون:

Δh=cpΔT

حيث: :cp الحرارة النوعية للغاز.

ولذلك تكون أيضا:

ηth=1T4T1T3T2=1T1T2=1(p1p2)κ1κ

يتضح من تلك العادلة الهامة ان الكفاءة الحرارية تعتمد اعتمادا كبيرا على النسبة بين درجتي الحرارة T1 و T2 ، ونظرا لأن درجات الحرارة هنا هي درجات الحرارة المطلقة فإن الكفاءة في معظم الآلات لا تتعدى 50 %.

وقد حصلنا على هذه المعادلة الأخيرة عن طريق تعيين تغير درجة الحرارة خلال عملية الكبس مع الاحتفاظ بعدم تغير الإنتروبي.

T1T2=(p1p2)κ1κ=T4T3
تغير الكفاءة مع تغير نسبة الضغطين p2/p1 عندما تكون (κ=1,4)

يبلغ معامل ثبات الإنتروبية «كابا» κ لغاز مثالي مثل الهيليوم أو الأرجون 5/3= 1,6¯ ، وتبلغ لغاز تتكون جزيئاته من ذرتين مثل الهيدروجين أو الأكسجين أو الهواء 7/5=1,4 ولغاز تتكون جزيئاته من 3 ذرات مثل بخار الماء أو ثاني أكسيد الكربون 4/3=1,3¯[1](انظر Herleitung der Wärmekapaizität von idealen Gasen). ويتضح من ذلك أن دورة برايتون تكون أكثر كفاءة عندما تعمل بعاز مثالي مثل الهيليوم.

ولكن عندما نأخذ الحرارة النوعية للمادة والتوصيل الحراري ولزوجة المادة غاز حقيقي في الحسبان فنجد أن الهيدروجين يقدم لنا أكبر كفاءة.

إذا حددت المواد في الآلة درجة الحرارة القصوى T3 يمكننا حساب درجة الحرارة المثلى T2 بعد الكبس، والتي تعطينا أكبر كاءة ممنكنة تحت تلك الظروف.

T2,opt=T1T3

إمكانية تحسين الكفاءة بزيادة عدد المراحل

نظرا لأنه في الغالب تخرج من ألة تمددية حرارة مرتفعة أعلى من درجة الحرارة الابتدائية فيمكن عن طريق مبادل حراري تحويل جزءا من تلك الحرارة إلى بداية العملية، تلك حرارة قادمة من الغاز العادم ولا نحتاج لتوفيرها بواسطة وقود إضافي.

في تلك الحالة يمكن حساب كفاءة الآلة كالآتي:

ηregenerativ=1TminTmaxpmaxpminκ1κ

حيث المعامل «كابا» هو معامل ثبات الإنتروبية.

وعن طريق ضغط متتابع لتمدد على مراحل مصحوبة بتدوير لحرارة العادم يمكن تحسين الكفاءة الحرارية للآلة من خلال:

  • تدوير جزءا من حرارة العادم،
  • يؤدي إخراج الحرارة إلى خفض نسبة الضغطين Pmax /Pmin ،
  • يؤدي إمداد الحرارة إلى مرحلة التمدد يمكن زيادة النسبة بين الحجمين بعد وقبل التمدد.

بزيادة عدد مراحل الضغط وإخراج الحرارة زيادة كبيرة تتحول العملية إلى عملية كبس في ظروف عملية متساوية درجة الحرارة ، ويمكن وصف تلك العملية عندئذ بدورة إريكسون والتي تبلغ الكفاءة الحرارية فيها الكفاءة الحرارية لدورة كارنو.

ηCarnot=1TminTmax

دورة برايتون كآلة حرارية سهلة الصيانة

كما في محرك ستيرلينغ يمكن تشغيل الآلة الحرارية بطريقة دورة برايتون مع تزويدها بحرارة من الخارج، فتكتسب مزايا محرك ستيرلينغ.

كذلك بالنسبة إلى المفاعلات النووية لإنتاج الطاقة الكهربائية فهي تزود بضواغط طوربو تعمل بغاز الهيليوم ومزودة بكراسي تحميل مغناطيسية ورافعات من مواد مغناطيسية مسايرة Paramagnetic مما لا تحتاج إلى تشحيم لتقليل الاحتكاك. بذلك نتفادى استخدام شحوم تستلزم تجديدها بين حين وآخر.

وعلى وجه العموم فإن توربين غازي يعمل بطريقة دورة برايتون باستخدام غاز مثل الهيليوم أو الهيدروجين يكون أكثر كفاءة في إنتاج شغل ميكانيكي وفي نفس الوقت تقل فيه الحاجة إلى الصيانة.

المراجع

  1. ^ [1] Liste der Isentropenexponenten für verschiedene Gase نسخة محفوظة 29 نوفمبر 2014 على موقع واي باك مشين.

انظر أيضًا