Cykl Otto a cykl Braytona: 5 faktów, które powinieneś wiedzieć

Cykle Braytona i Otto wytwarzają energię mechaniczną z energii cieplnej. W tym artykule szczegółowo omówiono temat cyklu Otto a cykl Braytona.

W silnikach odrzutowych stosuje się cykl Braytona, natomiast w pojazdach z silnikiem ZI cykl Otto. Dowiedzmy się, jakie inne różnice i podobieństwa istnieją między tymi cyklami.

Główne części robocze używane w cyklu Brayton

Zestaw maszyn współpracuje ze sobą, aby Cykl Braytona możliwe.

Różne części robocze używane w cyklu Brayton to sprężarka, komora mieszania i turbina. Sprężarka spręża powietrze, paliwo jest dodawane w komorze mieszania, gdzie sprężone powietrze i paliwo oddziałują na siebie. Wreszcie energia cieplna jest przekształcana w energię mechaniczną przez turbinę.

Działanie cyklu Brayton

Powietrze jest używane jako płyn roboczy w cyklu Braytona. Do zakończenia tego cyklu wymagane są co najmniej trzy procesy (trzy procesy dla cyklu otwartego i cztery procesy dla cyklu zamkniętego).

Następujące procesy łączą się, tworząc cykl Braytona:

• Kompresja izentropowa- Proces 1-2 reprezentuje sprężanie izentropowe, w którym powietrze jest sprężane bez zmiany jego entropii.
• Izobaryczny dodatek ciepła- Proces 2-3 reprezentuje izobaryczne dodawanie ciepła, w którym ciepło jest dodawane do komory mieszania; ciepło w połączeniu ze sprężonym powietrzem wytwarza wysoką energię cieplną.
• Ekspansja izentropowa- Proces 3-4 reprezentuje ekspansję izentropową, w której energia cieplna jest zamieniana na energię mechaniczną. Obrót wału turbiny reprezentuje energię mechaniczną.
• Izobaryczne odrzucanie ciepła- Proces 4-1 reprezentuje izobaryczne oddawanie ciepła, w którym ciepło jest usuwane z płynu roboczego i przesyłane dalej w celu sprężenia w następnym cyklu.

Główne części używane w cyklu Otto

Części używane w cyklu Otto są znacznie mniejsze niż te używane w cyklu Braytona.

Części używane w cyklu Otto to:

• Tłok- Tłok wykonuje ruch posuwisto-zwrotny w górę iw dół, który ściska płyn roboczy wewnątrz cylindra.
• Cylinder- Cylinder jest podstawą cyklu Otto. Cylinder to miejsce, w którym zachodzi cała przemiana energii.  
• Zawory- Zawory ssące i tłoczne służą odpowiednio do pobierania płynu roboczego i odprowadzania spalin.

Praca Cyklu Otto

Cykl Otto wykorzystuje parę jako płyn roboczy.

W cyklu Otto zachodzą następujące procesy:

• Kompresja izentropowa- Proces 1-2 pokazuje izentropowe sprężanie płynu roboczego. Tłok przesuwa się z BDC do TDC. Entropia układu jest stała podczas tego procesu, stąd nazywana jest kompresją izentropową.
• Idodatek ciepła sochorycznego- Proces 2-3 reprezentuje dodawanie ciepła w systemie. Tłok pozostaje w GMP i pokazuje zapłon płynu roboczego.
• Stałe rozszerzanie entropii - Proces 3-4 przedstawia rozszerzanie izentropowe (stałe rozszerzanie entropii), skąd porusza się tłok TDC do BDC. Ponieważ entropia pozostaje stała w całym procesie, nazywa się to ekspansją izentropową.
• Izochoryczny dodatek ciepła- Proces 4-1 reprezentuje dodawanie ciepła do stałej objętości. Tłok pozostaje nieruchomy w BDC, podczas gdy ciepło jest odprowadzane do atmosfery.

Cykl ten powtarza się, gdy tłok przesuwa się do GMP.

Cykl Braytona a wydajność cyklu Otto

W obu cyklach różne procesy i różne płyny robocze. Wpływa to na wydajność cykli.

Porównanie sprawności cieplnych cyklu Braytona i cyklu Otto przedstawia poniższa tabela:

Sprawność cieplna cyklu Brayton	Sprawność cieplna cyklu Otto

Gdzie,

rp to współczynnik kompresji, a Y to współczynnik ciepła właściwego.

Stąd dla stałych wartości stopnia sprężania obie sprawności mają te same wartości.

Jednak w praktyce cykle Braytona stosuje się dla większych wartości stopnia sprężania, a cykl Otto dla małych wartości stopnia sprężania. Stąd formuła wydajności może być taka sama, ale ich zastosowania są różne.

Dlaczego cykl Braytona jest bardziej odpowiedni niż cykl Otto?

Brayton cykl wykorzystuje turbinę gazową i sprężarkę, natomiast cykl Otto wykorzystuje do swojej pracy układ tłokowo-cylindrowy. Cykl Otto jest preferowany w silnikach ZI, w których nie można zamontować turbiny gazowej i sprężarki w pojeździe.

Poniższe punkty wyjaśniają szczegółowo zalety cyklu Braytona nad cyklem Otto:

• Przy tych samych wartościach kompresji i wydajności pracy cykl Braytona może obsłużyć większą objętość w małym zakresie temperatury i ciśnienia.
• Układ tłokowo-cylindrowy nie jest w stanie obsłużyć dużej ilości gazu pod niskim ciśnieniem. Dlatego w pojazdach preferowany jest cykl Otto.
• W cyklu Otto części robocze są wystawione na działanie maksymalnej temperatury przez bardzo krótki okres czasu, a ich schłodzenie wymaga czasu. Natomiast w cyklu turbiny gazowej części robocze są cały czas wystawione na działanie wysokiej temperatury. W procesie stanu ustalonego przenikania ciepła z maszyny jest trudniejsze w procesie o stałej objętości (tj. cykl Otto) niż przy stałym ciśnieniu (tj. cykl Braytona).