Brayton çevrimi

Brayton çevrimi, genel olarak gaz türbinlerinde kullanılan, periyodik bir prosestir. Günümüzde geçerli olan gaz akışkanlı güç çevrimleri içinde önemli bir yer tutar. Diğer içten yanmalı güç çevrimleri gibi açık bir sistem olmasına rağmen; termodinamik analiz için egzoz gazlarının ikinci bir ısı değiştirgecinden geçtikten sonra içeri alınıp tekrar kullanıldığı farzedilir ve kapalı bir sistem gibi analize uygun hale gelir. İsmini, mucidi olan George Brayton’dan almıştır. Aynı zamanda Joule çevrimi olarak da bilinir.

Brayton çevrimi ilk olarak, Amerikalı makine mühendisi George Brayton'un 1872 yılında patentini aldığı iki zamanlı kerosen yakan pistonlu motorunda kullanılmak üzere ortaya çıktı.

19. yüzyıldaki orijinal Brayton makinesinde çevre havası, kompresör pistonuna girer, burada basınçlandırılır. (Teorik olarak izentropik bir prosestir.) Sıkıştırılmış hava daha sonra karışım odacığı boyunca ilerler, yakıt ilave olur. (Bu da izobarik bir prosestir.) Isıtılmış, basınçlandırılmış hava ve yakıt karışımı daha sonra genişleme silindiri içinde alev alır ve genişleme piston/silindiri boyunca genişleyerek enerjisini aktarır. (Teorik olarak yine izentropik bir prosestir.) Piston/silindirden elde edilen işin bir bölümü kompresöre güç sağlamak için bir mil düzeneği aracılığı ile kullanılır.

Brayton'ın sadece pistonlu motorlar yapmış olmasına rağmen günümüzdeki modern Brayton makinelerinin hemen hemen hepsi türbinlidir. Bunun en yaygın örneği olan gaz türbinlerinde de yine temel olarak üç eleman vardır: gaz kompresörü, brülör (yakıcı) veya yanma odası ve genleşme türbini. Burada da çevre havası kompresöre girer ve basınçlandırılır. (Teorik olarak izentropik prosestir.) Basınçlı hava yanma odasına girer, yakıt ilavesiyle birlikte yanma gerçekleşir ve hava ısınır. (Bu da izobarik bir prosestir.) Yanma ürünü, türbin veya türbinler boyunca genişleyerek enerjisini aktarır. (Teorik olarak yine izentropik bir prosestir.) Türbinden elde edilen işin bir kısmı ile kompresöre güç verilir. Ne sıkıştırma, ne de genişleme gerçekte izentropik olamaz. Kompresör ve genleştirici boyunca kayıplar, verim kaybını kaçınılmaz kılar. Genelde, sıkıştırma oranındaki artış, bir Brayton sisteminin tüm çıkış gücünü arttırmak için en çok kullanılan yoldur.

izentropik proses – türbin (veya birden çok kademeli türbin) boyunca genişleyen hava, enerjisini türbinlere aktarır. Bu enerjinin bir kısmı, kompresöre güç vermek için kullanılır.

Kapalı bir Brayton çevrimi, aracı akışkanı kendi içinde dolaştırır. Türbinden çıkan hava geri döndürülerek kompresöre verilir. Bu çevrimde aracı akışkan olan havayı ısıtmak için yanma odası yerine bir ısı değiştirici kullanılır. Kapalı Brayton çevrimi, kapalı çevrim gaz türbinlerinde ve uzayda enerji üretiminde kullanılır.

2002 yılında, EU SOLGATE programı çerçevesinde yayınlanan makalelerde gösterildiği üzere, sürekli ve etkin bir şekilde ilk kez hibrit bir Güneş enerjili açık Brayton çevrimi çalıştırıldı. Hava, yanma odasında 570 °K'den (296,85 °C) 1000 °K'nin (726,85 °C) üzerine ısıtıldı. AB Solhyco projesi sırasında sadece güneş enerjisi ve biyodizel ile çalıştırılan bir Brayton çevriminde, daha da fazla hibritleşme elde edildi. Bu teknolojinin enerji üretim kapasitesi, Sevilla yakınlarında yapılan Solugas projesi kapsamında 4,6 MW'a kadar çıkarılmıştır ve ticarileşme öncesi ölçektedir.

Aracı akışkan hava olduğunda, sisteme net iş uygulanarak geriye doğru hareket ettirilen bir Brayton çevrimi, gaz soğutma çevrimi veya Bell Coleman çevrimi olarak adlandırılır. Bu çevrimin amacı, iş üretmekten ziyade sistemdeki ısıyı hareket ettirmektir. Bu hava soğutma tekniği, jet motorlu hava taşıtlarında, gaz kompresörlerinden alınan tahliye havasını kullanan klima sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Aynı zamanda LNG endüstrisinde kullanılır. LNG endüstrisindeki en büyük geri yönlü Brayton çevrimi, LNG'yi aşırı soğutmak için gaz türbiniyle çalışan, 86 MW enerji harcayan ve soğutucu akışkan olarak azot kullanan bir kompresörden oluşur.