【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(shí)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(shí)，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(shí)，間降低級間余速損失。另一個(gè)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(jī)的輸出功中間冷卻與再熱可以增大燃?xì)廨啓C(jī)的輸出功。中間冷卻與再熱的效果。燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)的凈功由下式計(jì)算：可見，減少壓縮機(jī)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(jī)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(shí)，最佳的級間冷卻壓力為：因此，如果簡單燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)采用具有級間冷卻的兩級或多級絕熱壓縮過程進(jìn)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(gè)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(gè)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(jī)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(jī)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?yàn)樵趫D27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(jī)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(jìn)行，并在每次膨脹之前進(jìn)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(shí)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(jī)、燃燒器及透平效率，還有系統(tǒng)中壓力損失的影響，實(shí)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(shí)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(jī)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(jī)的效率為hc，透平的效率為h1，則實(shí)際的壓縮機(jī)耗功與透平功為：因此，實(shí)際的總輸出功為將溫度從2a增加到3a實(shí)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(jì)算：通過對循環(huán)進(jìn)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(shí)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(shí)，最佳壓比為30:1。:1，則需要1624級。采用一臺22級的壓縮機(jī)達(dá)到30:1的壓比個(gè)比較保守的設(shè)計(jì)。: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(gè)透平驅(qū)動壓縮機(jī)；第二個(gè)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(jì)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(jī)，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(gè)軸支撐壓縮機(jī)和驅(qū)動壓縮機(jī)的透平，第二個(gè)軸支撐負(fù)責(zé)能量輸出的動力透平。兩個(gè)軸能夠以完全不同的速度轉(zhuǎn)動。分軸式燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)提供了很大便利，但是對于普通的發(fā)電裝置，沒有什么價(jià)值。它的用處通常局限在機(jī)械驅(qū)動應(yīng)用中?；?zé)嵫h(huán)隨著燃料價(jià)格的上升，回?zé)崾窖h(huán)越來越受到重視。在回?zé)崞髦?，利用高溫的燃?xì)廨啓C(jī)廢氣對壓縮機(jī)與燃燒室間的空氣進(jìn)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(jī)出口的實(shí)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(diǎn)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(jì)燃?xì)廨啓C(jī)時(shí)，選取的壓比必須使得兩種循環(huán)都能獲得最大的收益，因?yàn)槎鄶?shù)情況下都提供回?zé)徇x項(xiàng)。分軸回?zé)崾饺細(xì)廨啓C(jī)與分軸式循環(huán)非常相似。這種類型燃?xì)廨啓C(jī)的優(yōu)點(diǎn)與前面提到的相同，即能在低轉(zhuǎn)速時(shí)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(jī)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(jìn)行評價(jià)分析時(shí)引入以下假設(shè)：（1）壓縮機(jī)級間冷卻后的溫度與入口溫度相同（2）兩級壓縮機(jī)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(jī)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(jī)的耗功。壓縮機(jī)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(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)這個(gè)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(jī)，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(jìn)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(jìn)行中間冷卻和在膨脹過程中進(jìn)行再熱的方式提高熱效率。圖2－18所示為一優(yōu)化后實(shí)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(jī)與燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的下游噴入不會增加驅(qū)動壓縮機(jī)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(jìn)入回?zé)崞鳎蛊鋲毫Ρ葔嚎s機(jī)排氣壓力高60psia （4Bar），溫度與壓縮機(jī)排氣溫度相同。蒸汽在壓縮機(jī)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(jì)算：進(jìn)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(jī)輸出的總功為整個(gè)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(shí)，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(jī)排氣壓力高60psia （4Bar），并且所有的蒸汽都由透平廢氣產(chǎn)生。計(jì)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(diǎn)。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(jī)排氣擴(kuò)散壁上，使得這一區(qū)域的空氣與蒸汽均勻混合來實(shí)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(yàn)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(xiàng)目正在進(jìn)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(yùn)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(diǎn)，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(jī)與回?zé)崞髦g，用于向空氣中增加水蒸氣，同時(shí)在這個(gè)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(jìn)入回?zé)崞?，增大回?zé)崞鬟M(jìn)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(jìn)入蒸發(fā)器，并變?yōu)樗魵馀欧懦鰜?，其溫度與壓縮機(jī)排氣溫度相同，壓力比壓縮機(jī)排氣壓力高60 psia（4Bar）。然后以非常細(xì)小的霧滴噴射進(jìn)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(shí)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(jī)出口壓力高60 psia（4Bar）。在這個(gè)系統(tǒng)中，回?zé)崞鞯母g是個(gè)需要面對的問題。當(dāng)（氣體）不是完全潔凈時(shí)，回?zé)崞髦锌赡軙a(chǎn)生熱斑（hot spots），可能會導(dǎo)致失火。這個(gè)問題可以通過對回?zé)崞鬟M(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(jī)與蒸汽輪機(jī)的聯(lián)合應(yīng)用是一個(gè)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(jī)的相關(guān)計(jì)算與前面所述的簡單循環(huán)相同。蒸汽輪機(jī)的相關(guān)計(jì)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(jī)的凈功與蒸汽輪機(jī)的功之和。排出氣體設(shè)計(jì)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(gè)循環(huán)的功和熱效率：整個(gè)循環(huán)的功整個(gè)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(diǎn)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(jī)的使用情況。這種系統(tǒng)由于效率高而被廣泛應(yīng)用。 53