关于闭式燃气轮机循环的有限时间热力学研究

关于闭式燃气轮机循环的有限时间热力学研究

：

关于闭式燃气轮机循环的有限时间热力学研究

燃气轮机是一种以连续流动的气体为工质来带动叶轮高速转动，能将

燃烧燃料产生的能量转化为有用功的一种内燃式动力机械，也是一种

旋转的叶轮式热力发动机。由于其功率密度大、重量轻、自动化程度

相对较高等特点，已经被广泛运用到改革领域的发动装置中。而当前

实现燃气轮机高性能、提高循环参数以及有效利用热力循环的目标一

直以来都是行业研究的方向。

1.有限时间热力学的概述

有效时间热力学本身就是经典热力学的一种延生与推广，是现代热力

学理论出现的一个全新的分支，主要研究的内容就是非平衡系统，在

有限时间内能流与熵流的规律。与20世纪30年代建立的不可逆热力

学相比，有限时间热力学有自己较为鲜明的理论特征，已经被广泛运

用在各种不同的学科领域，并建立了一系列的理论。伴随着有限时间

热力学理论研究的不断深入和完善，已经由原来的内可逆循环逐渐扩

展到不可逆循环方向，可以实现理论型循环几乎适用于实际中所有的

过程与循环。

与宏观的热机、制冷剂等设备的热力系统类似，有限时间热力学还能

够在微观层次内存在着能实现热机功能并进行微观的能量转换系统的

功能。当前，也已经有研究者利用有效时间热力学的理论，研究出了

量子电热机、马达、布朗微热机等等的微观系统性能。对于热力循环

过程的工质上，也由传统的工质逐渐拓展到了非传统的工质上。

2.对于闭式燃气轮机循环有限时间热力学的研究

闭式循环燃气轮机是一种不需要依赖空气就可以正常运行的燃气轮机，主要由产生高温燃气的回路与工质二回路两部分组成。其工作原理是

当工质进入压气机设备准备增压，然后再通过回热器利用设备做功后

的余热来加热，再利用起一回路的热量，让工质进入热发生器进行进一步的加热，最后利用燃气轮机进行膨胀做功，从而带动同轴压气机和发电机。通常，做工后的工质，从燃气机排出，再通过回热器释放部分余热，在进行冷却，然后再次进入压气机从而实现循环利用。

通常的闭式燃气轮机循环主要有简单循环、回热循环、中冷循环与复杂循环。在早些年就有关于闭式燃气轮机的简单循环研究，也留下了不少关于简单循环的研究成果。后来也陆续发表了一些研究成果，主要以优化恒温热源内可逆与不可逆简单燃气轮机循环研究的磁流体发电机设备的功率以及效率为基础，研究还表明了理论，在不同的最佳压气机温比下，分别使用发电机输出功率最大与效率最大这一理论是存在的。

简单循环主要由一个简单的压缩过程、加热过程与膨胀过程以及一个冷却过程组成。而对复杂循环而言，主要是指在压缩的过程中，采用了中间冷却技术，在膨胀过程中再利用中间加热循环的过程。中间冷却的作用是为了减小压缩功，但压缩终了的空气温度一旦降低，就使加热过程中必须增加热量。而中间再热过程可以增加设备的膨胀功，但也需要增大加热量。不过，可以通过平在中间冷却环节与回热环节结合起来的方式，但这两种措施在实际的运用中会大大增加机器的重量与尺寸，因此很少拿来利用到实际的循环工作中。

在实际的闭式燃气轮机循环运行中，首先，透平配出的工质，已经不用进行大气中等效冷却等操作，而可以通过冷却器进行冷却后重新被压气机吸入，再次参与循环过程。在实际的闭式循环过程中，工质是可以用空气或者其他种类的气体代替的，压缩后的气体工质要在气体锅炉中被加热。闭式循环的缺陷在于气体锅炉等设备的换热器尺寸相对较大，因此造成成本就会很高，因此对于闭式循环的应用也不是很多。另外，对于闭式的燃气轮机循环而言，有部分的能量损失是不可避免的，而能量损失产生于传热过程中的热阻损失，因此，对于能量损失的优化主要是要在装置换热器中的总热导率或者总面积一定的的前提下，充分考虑功率、效率、功率密度以及生态学函数或者热经济

学性能等的方面，以优化各设备换热器的热导率与换热面积的分配，从而减少能量的损失。

3.结语

事实上，有限时间热力学作为一种新型的技术研究，在理论与应用方面还存在着很大的潜力。就燃气轮机循环的分析和利用来看，要进一步全面的考虑设备的性能，进一步优化中冷回热循环与再热循环的传热面积分配或者热导率分配，追求最大化的功率、效率与性能，以此更好的运用到实际工程中。