【正文】 效果最佳。最佳的溫度分布可在逆流式換熱器中完全實現(xiàn)，在叉流式換熱器中可以非常接近地得到這種最佳溫度分布。這種結(jié)構(gòu)能夠使得單位面積的流量最大，因而在換熱量及壓降等操作條件相同時，能夠使得換熱器具有較小的體積?；?zé)崞鞑牧弦髥挝惑w積有較高的熱容量，采用這樣的材料可以延長切換時，間降低級間余速損失。另一個要求是，希望沿氣體流動方向的導(dǎo)熱率要小。回?zé)崞鲀?nèi)部的任何泄露都應(yīng)盡量避免。3％的泄露量將降低回?zé)崞鞯男蔬_(dá)8071％。增大簡單循環(huán)燃?xì)廨啓C的輸出功中間冷卻與再熱可以增大燃?xì)廨啓C的輸出功。中間冷卻與再熱的效果。燃?xì)廨啓C循環(huán)的凈功由下式計算：可見，減少壓縮機耗功或增大透平功都可增大循環(huán)的凈功。這分別就是采用中間冷卻與再熱的目的。還可以采用具有級間冷卻的多級壓縮機減少總的輸入功。圖26為多變壓縮循環(huán)的PV圖，1a為多變壓縮過程。如果忽略動能的變化，壓縮所耗的功可用面積1aJK1表示。1x為定溫線。如果將從壓力p1到p2的多變過程分為1c與de兩步，并在兩次壓縮之間采用定壓冷卻使得Td=T1，則壓縮耗功可用面積1cdeJK1表示。面積caedc表示的即為采用帶有級間冷卻的兩級壓縮所節(jié)省的壓縮功。當(dāng)吸氣壓力為p1排氣壓力為p2時，最佳的級間冷卻壓力為：因此，如果簡單燃?xì)廨啓C循環(huán)采用具有級間冷卻的兩級或多級絕熱壓縮過程進行改造的話，就可以在透平功不變的條件下增加循環(huán)的凈功。理想簡單循環(huán)的熱效率會由于增加級間冷卻而有所降低。圖2－7為這種類型循環(huán)的示意圖。12341為理想簡單循環(huán)，1abc2341為加入級間冷卻后的循環(huán)。理想條件下，這兩個循環(huán)都是可逆的，并且可用一系列的卡諾循環(huán)來代替。具體來說，如果簡單燃?xì)庋h(huán)12341被劃分為一系列如mnopm的循環(huán)，劃分的循環(huán)數(shù)目越多，這些小循環(huán)就越接近卡諾循環(huán)。這樣一個卡諾循環(huán)的效率可表示為：若比熱比為常數(shù)，則有組成簡單燃?xì)廨啓C循環(huán)的卡諾循環(huán)都具有相同的效率。同樣，循環(huán)abc2a也可分為具有相同效率的一系列卡諾循環(huán)，但其效率要比循環(huán)12341的低。因此，級間冷卻的加入，在簡單循環(huán)的基礎(chǔ)上增加了循環(huán)abc2a，降低了循環(huán)效率。在回?zé)崾饺細(xì)廨啓C循環(huán)中加入級間冷卻既可增加循環(huán)的熱效率又可增加輸出的功，因為在圖27所示的過程c3所需的很大一部分熱量可以從流經(jīng)回?zé)崞鞯娜細(xì)廨啓C排氣中獲得，從而替代燃燒額外的燃料。再熱循環(huán)可增加透平的功，因此可在壓縮功或透平入口溫度不變的條件下，通過把膨脹過程分為兩步或多步進行，并在每次膨脹之前進行定壓加熱的方法增加凈功。這種循環(huán)的改善方法被稱為再熱，如圖28所示。同分析級間冷卻的方法類似，可以看出增加再熱的熱效率比簡單循環(huán)的熱效率低，輸出的功增加了。但是將回?zé)崤c再熱結(jié)合可提高熱效率。實際循環(huán)分析前面的章節(jié)介紹了不同循環(huán)的概念。受壓縮機、燃燒器及透平效率，還有系統(tǒng)中壓力損失的影響，實際循環(huán)的熱效率要比對應(yīng)理想循環(huán)的熱效率低很多。簡單循環(huán)簡單循環(huán)是目前現(xiàn)場最普遍采用的循環(huán)類型。實際的開式簡單循環(huán)如圖29所示，從圖中可以看出其壓縮機與透平效率的降低及工質(zhì)通過燃燒器的損失。假設(shè)壓縮機的效率為hc，透平的效率為h1，則實際的壓縮機耗功與透平功為：因此，實際的總輸出功為將溫度從2a增加到3a實際所需的燃料為因此，總的絕熱循環(huán)效率可用下面的公式計算：通過對循環(huán)進行分析，說明增大透平入口溫度可以提高循環(huán)效率。為獲得最大效率的最佳壓比隨透平入口溫度的變化而變化，例如當(dāng)溫度為1500176。F(816176。C):1，當(dāng)溫度為2400176。F(1316176。C)時最佳壓比約為43:1。另一方面，在對應(yīng)溫度下，:1變?yōu)榧s35:1。因此，從圖210可以看出，為獲得最大操作性能，在溫度2800176。F(1537176。C)時，最佳壓比為30:1。:1，則需要1624級。采用一臺22級的壓縮機達(dá)到30:1的壓比個比較保守的設(shè)計。:1，則級數(shù)約為16。后一種壓比可以較高的效率得到。減少級數(shù)可大大降低總投資。提高透平溫度可大大提高效率與輸出的能量，所以當(dāng)前一般情況下透平的入口溫度都控制在2400176。F(1316176。C)左右。分軸式簡單循環(huán)分軸式簡單循環(huán)主要應(yīng)用于高轉(zhuǎn)矩與負(fù)荷變化大的場合。圖211為兩軸簡單循環(huán)的示意圖。第一個透平驅(qū)動壓縮機；第二個透平用于能量輸出。如果假設(shè)分軸式簡單循環(huán)的級數(shù)比單軸簡單循環(huán)的多，考慮到再熱的因素，在設(shè)計負(fù)荷下分軸式循環(huán)的效率應(yīng)稍微高一些。但是，如果級數(shù)相同，那么總效率沒有變化。從HS圖可以看出透平間的一些關(guān)系。由于高壓透平的作用是驅(qū)動壓縮機，可用公式表示：因此，輸出的功可表示為：在分軸循環(huán)中，第一個軸支撐壓縮機和驅(qū)動壓縮機的透平，第二個軸支撐負(fù)責(zé)能量輸出的動力透平。兩個軸能夠以完全不同的速度轉(zhuǎn)動。分軸式燃?xì)廨啓C的優(yōu)點是在低速下有很高的扭矩。動力透平在低轉(zhuǎn)速下能夠提供非常高的扭矩。低轉(zhuǎn)速下的高扭矩為汽車用燃?xì)廨啓C提供了很大便利，但是對于普通的發(fā)電裝置，沒有什么價值。它的用處通常局限在機械驅(qū)動應(yīng)用中?；?zé)嵫h(huán)隨著燃料價格的上升，回?zé)崾窖h(huán)越來越受到重視。在回?zé)崞髦校酶邷氐娜細(xì)廨啓C廢氣對壓縮機與燃燒室間的空氣進行預(yù)熱，可用減少燃料的用量。從圖24以及對回?zé)崞鞯亩x，回?zé)崞鞒隹诘臏囟扔上率浇o出：式中T2a為壓縮機出口的實際溫度?；?zé)崞魈岣吡丝諝饨^熱燃燒器的溫度，因此降低了燃料空氣比，從而提高熱效率。假設(shè)回?zé)崞鞯男蕿?0％，回?zé)嵫h(huán)的效率要比簡單循環(huán)高40％，如圖213所示。單位質(zhì)量空氣做的功與簡單循環(huán)中做的功相同或稍少。與簡單循環(huán)相比，回?zé)嵫h(huán)的最大效率點的壓比稍低，但在兩種循環(huán)中，獲得最大輸出功的最佳壓比相同。因此，當(dāng)生產(chǎn)商設(shè)計燃?xì)廨啓C時，選取的壓比必須使得兩種循環(huán)都能獲得最大的收益，因為多數(shù)情況下都提供回?zé)徇x項。分軸回?zé)崾饺細(xì)廨啓C與分軸式循環(huán)非常相似。這種類型燃?xì)廨啓C的優(yōu)點與前面提到的相同，即能在低轉(zhuǎn)速時獲得大扭矩，循環(huán)的效率也相同。這類循環(huán)的性能曲線如圖214所示。間冷簡單循環(huán)帶有間冷的簡單循環(huán)能夠減少壓縮功，從而增加凈輸出功。在壓縮機間帶有級間冷卻的簡單循環(huán)如圖2－7所示。在對間冷循環(huán)進行評價分析時引入以下假設(shè)：（1）壓縮機級間冷卻后的溫度與入口溫度相同（2）兩級壓縮機的效率相同（3）兩級的壓比相同等于。級間冷卻降低了壓縮機的能量消耗。保持總壓比不變，分級壓縮，通過冷卻使得第二級與以后各級壓縮的入口溫度都降到環(huán)境空氣的溫度，從而降低壓縮機的耗功。壓縮機消耗的功可用下式表示：如圖2－15所示，間冷循環(huán)能夠使輸出功增加30％，但總效率略有降低。間冷回?zé)嵫h(huán)既能增加輸出功又能通過熱效率。如圖2－16所示，這種組合循環(huán)能使效率增加12％，同時使輸出功增加約30％左右。但是，與簡單循環(huán)或再熱循環(huán)相比，最高效率工況點對應(yīng)的壓比較低。再熱循環(huán)回?zé)嵫h(huán)雖然能夠提高分軸循環(huán)的效率，但卻不能增加每磅氣體做的功。要實現(xiàn)這個目的，就必須引入再熱循環(huán)的概念。再熱循環(huán)，如圖2－8所示，包括兩級渦輪，每一級的前面，都有燃燒室。在本章中我們假設(shè)高壓渦輪的作用僅限于驅(qū)動壓縮機，氣體離開渦輪后，先被再次加熱到一級燃燒室相同的溫度，然后再進入低壓渦輪或能量渦輪。再熱循環(huán)的效率比相應(yīng)的簡單循環(huán)的效率低，但是輸出的軸功能夠增大約35％，如圖117所示。間冷回?zé)嵩贌嵫h(huán)卡諾循環(huán)是最優(yōu)化的循環(huán)，是所有循環(huán)優(yōu)化的方向。如同在卡諾循環(huán)中通過等溫壓縮與膨脹使得熱效率最高，可以通過對壓縮過程進行中間冷卻和在膨脹過程中進行再熱的方式提高熱效率。圖2－18所示為一優(yōu)化后實際應(yīng)用的間冷回?zé)嵩贌嵫h(huán)示意圖。這種循環(huán)在前述所有循環(huán)中效率最高、輸出功最大。從圖2－19可以看出，這種循環(huán)由于在壓縮過程加入了中間冷卻，使得達(dá)到最高效率的壓比變得更高。蒸汽噴射循環(huán)蒸汽噴射用于往復(fù)式發(fā)動機與燃?xì)廨啓C已經(jīng)有幾年了。這種循環(huán)或許是一種對當(dāng)前人們關(guān)注的燃?xì)廨啓C污染與效率問題的解決方案，腐蝕是這種方案面對的最大問題。蒸汽噴射的概念簡單直觀：將水蒸汽噴射到壓縮機排出的氣體中，從而增大提高渦輪的質(zhì)量流率，示意圖如圖220所示。蒸汽從壓縮機的下游噴入不會增加驅(qū)動壓縮機消耗的功。在這一過程中所使用的蒸汽由渦輪廢氣產(chǎn)生。通常， （1Bar），溫度為80176。F(176。C)的水通過泵，進入回?zé)崞?，使其壓力比壓縮機排氣壓力高60psia （4Bar），溫度與壓縮機排氣溫度相同。蒸汽在壓縮機后面，燃燒器上游較遠(yuǎn)處噴入，以達(dá)到適當(dāng)?shù)幕旌闲Ч?，有助于降低燃燒器?nèi)主區(qū)的溫度，減少NOx的排放。狀態(tài)3的焓是空氣與蒸汽混合物的焓，可用下面的公式計算：進入渦輪的焓由下式給出：消耗中需要加入的燃料量為離開渦輪的焓為這樣，燃?xì)廨啓C輸出的總功為整個循環(huán)的效率為這種循環(huán)使得輸出的功與總的熱效率都有所增加。圖221顯示了透平入口溫度為2400176。F(1316176。C)時，向系統(tǒng)注入重量為5％蒸汽的效果。在溫度為2400176。F(1316176。C)，壓比為17：1的條件下，與通常的簡單循環(huán)相比，注入5％％，循環(huán)的熱效率增加19％。在這里假設(shè)蒸汽注入的壓力比壓縮機排氣壓力高60psia （4Bar），并且所有的蒸汽都由透平廢氣產(chǎn)生。計算表明廢熱的量遠(yuǎn)大于產(chǎn)生蒸汽所需的量。圖2－22顯示了在不同溫度與壓力條件下噴射5％蒸汽的效果。利用用蒸汽噴射來增加能量輸出的方法已有許多年了，是增大工廠生產(chǎn)能力的一種非常有效的方法。氮氧化物排放量低是這一循環(huán)的顯著優(yōu)點。氮氧化物低排放量低，是通過將蒸汽噴射到燃燒器上游的壓縮機排氣擴散壁上，使得這一區(qū)域的空氣與蒸汽均勻混合來實現(xiàn)的。均勻混合降低了燃料－空氣混合物中氧的濃度，增大了混合物的熱容量，從而降低了燃燒器的溫度與NOx的生成?，F(xiàn)場試驗表明，加入重量與燃料相同的蒸汽可將NOx的排放量降低的可接受的程度。遇到的最大問題是腐蝕，與腐蝕相關(guān)的研究項目正在進行之中。這種系統(tǒng)最吸引人之處在于它不需對現(xiàn)有系統(tǒng)做大的變動即可達(dá)到想要的效果。如何確定蒸汽噴射器的位置是這種系統(tǒng)或循環(huán)正常運行的關(guān)鍵。蒸發(fā)回?zé)嵫h(huán)這種循環(huán)，如圖223所示，是帶有水噴射的回?zé)嵫h(huán)。從理論上講，這種循環(huán)具有蒸汽噴射循環(huán)與回?zé)嵫h(huán)兩者的優(yōu)點，NOx排放量低，熱效率高。這種系統(tǒng)輸出的功與蒸汽噴射系統(tǒng)所達(dá)到的相同，但熱效率更高。高壓蒸發(fā)器布置在壓縮機與回?zé)崞髦g，用于向空氣中增加水蒸氣，同時在這個過程中降低混合氣體的溫度。然后混合氣體以較低的溫度進入回?zé)崞?，增大回?zé)崞鬟M出口的溫差。增大溫差顯著地降低了乏氣的溫度，這樣，便可將原本因直接排放而損失的乏氣中的熱能做為蒸發(fā)水的熱源。不僅空氣還有水都流過回?zé)崞?、燃燒室與透平。水以80176。F(176。C)、（1Bar）的狀態(tài)通過泵進入蒸發(fā)器，并變?yōu)樗魵馀欧懦鰜?，其溫度與壓縮機排氣溫度相同，壓力比壓縮機排氣壓力高60 psia（4Bar）。然后以非常細(xì)小的霧滴噴射進空氣中，并與之完全混合?？刂品匠膛c前門透平循環(huán)部分的相同，但是由于采用回?zé)崞魇篃崃康募尤敕绞桨l(fā)生了改變。由熱力學(xué)第一定律，混合溫度（T4）由關(guān)系式給出：離開蒸發(fā)器的焓由關(guān)系式給出：與回?zé)嵫h(huán)類似，蒸發(fā)回?zé)嵫h(huán)在較低壓比下具有較高的效率。圖224與圖225給出了系統(tǒng)在不同蒸汽噴射率與透平入口溫度時的性能曲線。與蒸汽噴射循環(huán)相似，蒸汽噴射的壓力要比壓縮機出口壓力高60 psia（4Bar）。在這個系統(tǒng)中，回?zé)崞鞯母g是個需要面對的問題。當(dāng)（氣體）不是完全潔凈時，回?zé)崞髦锌赡軙a(chǎn)生熱斑（hot spots），可能會導(dǎo)致失火。這個問題可以通過對回?zé)崞鬟M行相應(yīng)的設(shè)計加以解決。這種循環(huán)的NOx排放量低，達(dá)到EPA標(biāo)準(zhǔn)。布雷頓－朗肯循環(huán)燃?xì)廨啓C與蒸汽輪機的聯(lián)合應(yīng)用是一個有吸引力的建議，尤其是對于發(fā)電廠或是使用蒸汽的過程工業(yè)。在這種循環(huán)中，如圖226所示，從透平中排出的高溫氣體被引入輔助鍋爐，用于為蒸汽透平生產(chǎn)過熱蒸汽。燃?xì)廨啓C的相關(guān)計算與前面所述的簡單循環(huán)相同。蒸汽輪機的相關(guān)計算如下：蒸汽發(fā)生器的熱量透平的功泵的功聯(lián)合循環(huán)的功等于燃?xì)廨啓C的凈功與蒸汽輪機的功之和。排出氣體設(shè)計氣量中的1/3至1/2可以做為能量加以利用。透平排出的乏氣被用來給余熱鍋爐提供熱量。下列公式給出了整個循環(huán)的功和熱效率：整個循環(huán)的功整個循環(huán)的效率這種系統(tǒng)，如圖227所示，凈功與蒸汽噴射循環(huán)相當(dāng)，但效率要高得多。這種系統(tǒng)的缺點是其初始投資高。然而，如同蒸汽噴射循環(huán)一樣，排放氣體中的NOx含量一樣，取決于燃?xì)廨啓C的使用情況。這種系統(tǒng)由于效率高而被廣泛應(yīng)用。 53