Der Brayton-Zyklus, auch Gasturbinenzyklus genannt, ist ein thermodynamischer Zyklus, der den Betrieb von Gasturbinen beschreibt, einem Motortyp, der in Industrie-, Luftfahrt- und Stromerzeugungsanwendungen weit verbreitet ist.
Dieser Zyklus bietet eine detaillierte Beschreibung, wie thermische Energie mithilfe eines Gas-Workflows in mechanische Energie umgewandelt wird.
Zyklusprozesse
Der Brayton-Zyklus besteht aus vier thermodynamischen Hauptprozessen:
- Isotherme Kompression.
- Konstantdruckheizung.
- Isotherme Expansion.
- Konstantdruckkühlung.
Diese Prozesse werden in einem TS-Diagramm (Temperatur-Entropie) und einem PV-Diagramm (Druck-Volumen) dargestellt, das eine Analyse der Leistung und Eigenschaften des Zyklus ermöglicht.
Isotherme Kompression
Der Zyklus beginnt mit der isothermen Kompression, bei der Umgebungsluft in einem Kompressor adiabatisch komprimiert wird, wodurch sich Druck und Temperatur erhöhen.
Dieser Prozess wird so durchgeführt, dass die Temperatur des Gases konstant bleibt, was die Abfuhr der bei der Kompression entstehenden Wärme erfordert.
Konstantdruckheizung
Die komprimierte Luft wird dann in die Brennkammer geleitet, wo Kraftstoff eingespritzt und verbrannt wird, was bei konstantem Druck zu einem deutlichen Anstieg der Temperatur und des Drucks des Gases führt.
Isotherme Expansion
Der nächste Prozess ist die isotherme Expansion, bei der heißes Gas durch eine Turbine expandiert und einen Teil der Wärmeenergie in mechanische Energie umwandelt, die zum Antrieb des Kompressors und aller mit der Turbinenwelle verbundenen Lasten verwendet wird.
Während dieser Expansion bleibt die Temperatur des Gases konstant und die von der Turbine geleistete Arbeit wird durch das Druck-Volumen-Integral im Pv-Diagramm berechnet.
Konstantdruckkühlung
Schließlich wird das abgekühlte Gas durch einen Wärmetauscher oder einen Konstantdruckkühler geleitet, wo überschüssige Wärme abgeführt wird, bevor der Kreislauf erneut beginnt. Dieser Prozess erhält die thermische Effizienz des Zyklus aufrecht, indem verhindert wird, dass das Abgas eine zu hohe Temperatur aufweist.
Merkmale des Brayton-Zyklus
Ein wichtiges Merkmal des Brayton-Zyklus ist seine Fähigkeit, in einem offenen oder geschlossenen System zu arbeiten.
Bei einem offenen System wird die Ansaugluft aus der Umgebung angesaugt und nach Durchströmen der Turbine wieder abgeführt, während bei einem geschlossenen System die Luft kontinuierlich umgewälzt wird. Diese Flexibilität ermöglicht die Anpassung des Zyklus an unterschiedliche Anwendungen und Betriebsbedingungen.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist das Verhältnis von maximalem zu minimalem Druck, das die Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass der Turbine beschreibt. Ein höheres Druckverhältnis kann die Turbinenleistung steigern, aber auch die thermische und mechanische Belastung der Systemkomponenten erhöhen.
Leistung
Die Leistung des Brayton-Zyklus kann anhand verschiedener Parameter wie thermischer Wirkungsgrad, Kompressionsverhältnis und Verhältnis von maximalem zu minimalem Druck bewertet werden.
Der thermische Wirkungsgrad des Kreisprozesses ist definiert als das Verhältnis zwischen der von der Turbine geleisteten Nettoarbeit und der in der Brennkammer zugeführten Wärme. Ein höherer thermischer Wirkungsgrad weist auf eine effektivere Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Arbeit hin.
Das Kompressionsverhältnis hingegen ist das Verhältnis zwischen dem maximalen Druck und dem minimalen Druck im Zyklus. Ein höheres Verdichtungsverhältnis führt normalerweise zu einem höheren thermischen Wirkungsgrad, da es den Temperaturunterschied zwischen Turbineneinlass und -auslass erhöht. Eine übermäßige Erhöhung des Kompressionsverhältnisses kann jedoch die Kompressionsverluste erhöhen und die Zykluseffizienz verringern.
Anwendungsbeispiele
Der Brayton-Zyklus wird aufgrund seiner Effizienz und Vielseitigkeit in einer Vielzahl von industriellen und kommerziellen Anwendungen eingesetzt.
Einige Beispiele für diese Anwendungen sind:
- Gasturbinen zur Stromerzeugung : Gasturbinen, die nach dem Brayton-Zyklus arbeiten, werden in Kraftwerken häufig zur Stromerzeugung eingesetzt. Diese Turbinen können mit einer Vielzahl von Brennstoffen betrieben werden, darunter Erdgas, Öl und Biogas. Sie sind besonders nützlich bei kombinierten Kreislaufanwendungen, bei denen die Abwärme der Turbine zur Dampferzeugung und zum Antrieb einer zusätzlichen Dampfturbine genutzt wird, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Anlage erhöht wird.
- Luftfahrtantrieb : Diese Triebwerke, auch Strahltriebwerke oder Turbofans genannt, komprimieren die einströmende Luft, erhitzen sie durch die Verbrennung von Treibstoff und expandieren sie dann durch eine Reihe von Turbinen, um Schub zu erzeugen. Sie sind hinsichtlich der Schubkraft pro Treibstoffverbrauchseinheit hocheffizient und für die moderne Luftfahrt unverzichtbar.
- Gasturbinen für industrielle Anwendungen : Gasturbinen, die auf dem Brayton-Zyklus basieren, werden in einer Vielzahl industrieller Anwendungen eingesetzt, beispielsweise zur Gaskompression, zum Antrieb von Pumpen und zur Stromerzeugung in abgelegenen Anlagen oder auf Offshore-Plattformen. Diese Turbinen können mit einer Vielzahl von Brennstoffen betrieben werden und können an ein breites Spektrum an Leistungs- und Lastanforderungen angepasst werden.
- Schiffsantrieb : Kriegsschiffe und Handelsschiffe nutzen für den Antrieb Gasturbinen, die auf diesem thermodynamischen Kreisprozess basieren. Diese Motoren bieten im Verhältnis zu Gewicht und Größe eine hohe Leistung und eignen sich daher ideal für Schiffsanwendungen, bei denen Platz und Gewicht begrenzt sind. Darüber hinaus sind sie aufgrund ihrer Fähigkeit, mit einer Vielzahl von Kraftstoffen betrieben zu werden, für den Offshore-Einsatz geeignet.
- Weltraumantrieb : Der Brayton-Zyklus wird auch in Antriebssystemen für Raumfahrzeuge verwendet. Raketentriebwerke mit geschlossenem Kreislauf, die ein Arbeitsmedium als Treibstoff verwenden und nach den Prinzipien des Brayton-Zyklus arbeiten, werden für Lagekontrollmanöver und Orbitaländerungen in Satelliten und Raumfahrzeugen eingesetzt.
