在闭式循环燃气轮机中，进入压缩机的空气的温度和压力都会增加。高压和高温的压缩空气进入热交换器，在热交换器中，外部来源对空气进行加热。高温高压的空气被送入涡轮机以引起膨胀。

由于高压工作流体流过涡轮机，闭式循环燃气轮机产生电力。排出的工作流体不被释放到大气中，而是被冷却室冷却并重新循环，以保持系统的连续运行。由于工作液体在循环完成前返回压缩机，因此被称为闭式燃气轮机发动机。

为了解决与开式循环燃气轮机工艺相关的缺点，开发了闭式循环燃气轮机方法。开式循环燃气轮机的主要缺点是涡轮叶片的腐蚀和侵蚀。解决这个问题的方法是使用一种优越的工作介质（空气、氦气、氩气、氢气或氖气），它不会与燃烧室内的燃料混合。

闭式循环方法还具有通过再冷却器、再加热器或热交换器从废气中排除热量的优势。

本文概述了闭式循环燃气轮机、其工作原理以及其优缺点。

闭式循环燃气轮机的基础知识

从本质上讲，闭式循环燃气轮机是一个使用气体（如空气、氮气、氦气、氩气等）作为工作流体的热力学系统。它使用来自外部来源的热量。这种循环式轮机适用于布雷顿循环。热力学循环意味着工作流体被反复使用而不离开系统。

一个压缩机、一个热室、一个燃气轮机和一个冷却室一起工作，在这种类型的燃气轮机内连续循环空气。在这种类型中，压力、温度和空气速度的比值将是恒定的。

此图详细显示了闭式循环燃气轮机的简单示意图。燃气轮机驱动发电机、压缩机和冷却室。下图解释了这个循环。

闭式循环燃气轮机的工作原理

闭式循环燃气轮机在布雷顿循环或焦耳循环的基础上工作。在这种类型的燃气轮机中，气体由压缩机等熵压缩，然后流入加热室。在这种类型的燃气轮机中，转子式压缩机是首选。在压缩空气通过涡轮叶片之前，外部热源被用来加热压缩空气。

当气体流过涡轮叶片时，它膨胀并进入冷却室，在那里它被冷却。通过在恒定压力下的水循环，气体被冷却到初始温度。继续这个过程，气体再次进入压缩机。

这台燃气轮机重复地循环相同的气体。使用空气以外的流体/介质使系统更加复杂和昂贵。这可能导致难以解决的问题。

简而言之，运行闭式循环燃气轮机所需的顺序步骤是。

1.压缩机压缩气体。

2.然后在加热室中加热。

3.燃气轮机产生机械动力。

4.发电机然后将机械动力转换为电力。

5.通过冷却室，从涡轮机通过的气体被冷却。

热力学循环

在下图中，你可以看到闭式循环燃气轮机的P-V和T-S图。

在这个涡轮机中，使用了以下过程。

过程1-2

它指的是在加热室中以恒定压力加热气体。由于压力恒定，P1=P2，而且在这个过程中温度从T1增加到T2，气体中的熵增加。

过程2-3

在这个过程中，气体的等熵膨胀通过涡轮叶片发生。压力从P2下降到P3，体积从V2增加到V3。T-S图中的熵保持不变，而温度从T2下降到T3。

过程3-4

在这个过程中，气体在恒压下被冷却。在P-V图中压力是恒定的，这意味着P3=P4，而体积从V3减少到V4。

过程4-1

在压缩机中，发生等熵压缩。在P-V图中，压力从P4增加到P1，体积从V4减少到V1（即气体恢复到原始体积）。在T-S图中，熵保持不变（S4=S1），而温度从T4增加到T1（T1代表气体的初始温度）。

功和效率

闭式循环燃气轮机产生的净功如下：

其中wT是涡轮机对单位质量空气所做的功，wC是压缩机对单位质量空气所消耗的功。

在上面的表达式中，cp的单位是kJ/kgk。

利用T-S图，也可以解释闭式循环燃气轮机的效率是多少。

术语qin表示每公斤空气的输入热量，等于：

与开式循环燃气轮机相比，闭式循环燃气轮机的效率更高。

提高闭式循环燃气轮机效率的方法

由于再生、再热和中冷，闭式循环燃气轮机的效率提高了。

重构

在再生过程中，热量从工作流体转移到热能储存装置（称为再生器），并通过循环的下一个部分转移回工作流体。燃气轮机的再生发生在涡轮机的出口和压缩机的空气出口之间。

再生过程减少了供应给气体的热量，但不影响涡轮机或压缩机的工作。这意味着，再生不会增加涡轮机的功率，但会增加再生过程的效率。

再加热

再加热的目的是提高受热的平均温度。燃气在燃气轮机中膨胀后，再次被加热。通过保持压缩机以相同的速度工作，涡轮机的工作输出增加。根据再热压力条件，排热的平均温度可能增加或减少。因此，效率可能增加或减少。在相同功率输出的情况下，燃料消耗率降低。

中冷

由于在压缩机的各级之间进行了中间冷却，压缩机的工作投入减少了。这也将有助于提高燃气轮机厂的功率，导致热效率下降，但再生范围扩大。

闭式循环燃气轮机的应用

闭式循环燃气轮机可用于以下应用：

-发电

-工业应用

-船舶、机车和汽车应用中的推动力

-为航空业的喷气发动机提供动力

闭式燃气轮机的优势和劣势

闭式循环燃气轮机具有以下优点：

-在所有温度和压力比下都有很好的热效率

-使用任何低热值的工作流体，如氦气

-无腐蚀性

-不需要清洗内部

-在家庭和工业环境中，再热器可用于加热供应的水

-燃气轮机的体积小

-压力越高，交换器的传热系数越高

-流体摩擦损失少

闭式循环燃气轮机的缺点：

-整个系统在高压下工作，工作流体（介质）增加了成本。

-燃烧室在开式循环中使用时，不足以加热空气，这里的闭式循环需要一个非常大的空气加热器。

-这种类型的燃气轮机不适合用于航空发动机，因为它使用水进行冷却。

-需要一个复杂的系统，以便能够承受高压力。

闭式循环燃气轮机的类型

最初，闭式循环是根据工作流体和热源来分类的。

工作流体

可用作工作流体的气体有：

-空气

-氦气，以及其他惰性气体

-氮气

-S-CO2

热源

热源分为以下几种：

-太阳能

-核能

-化石燃料

-生物质

开式循环和封式循环的区别

开式循环燃气轮机和闭式循环燃气轮机之间，在热源、工作流体、循环空气、涡轮叶片的容量以及维护和安装成本方面存在着差异。最重要的区别是工作液体的循环。

热源

在开式循环燃气轮机中，燃烧室用于加热压缩空气。由于燃烧室中的产品和加热的空气混合，气体不会保持恒定。

在闭式循环燃气轮机中，空气首先被压缩，然后被加热室加热。当外部热量应用到空气中时，气体保持恒定。

循环

开式循环燃气轮机将气体排入大气。

从闭式循环燃气轮机出来的气体进入冷却室。

工作流体

开式循环燃气轮机的工作流体是空气，流体也是不断更换的。

为了获得更好的热力学特性，在闭式循环燃气轮机中使用氦气作为工作流体。工作流体的循环是持续进行的。

叶片的磨损

由于开式循环燃气轮机燃烧室中的空气被污染，会导致涡轮叶片的早期磨损。

然而，在通过闭式循环燃气轮机的加热室时，没有气体污染。因此，不会发生涡轮片的早期磨损。

应用

一般来说，开式循环燃气轮机用于移动的车辆，而闭式循环燃气轮机则用于固定装置和船舶应用。

维护成本

开式循环燃气轮机的维护成本比闭式循环燃气轮机低。

安装质量

开放式循环燃气轮机每千瓦的安装质量比闭式循环燃气轮机低。

闭式循环燃气轮机的历史

第一个闭式循环燃气轮机的专利是在年颁发的，这项技术在年首次投入商业使用。到年，在瑞士和德国已经建造了七台闭式循环燃气轮机。

由于更高的效率（特别是联合循环）和清洁燃料的可用性，如轻型石油和天然气，闭式循环燃气轮机大多已被开式循环燃气轮机取代。闭式循环燃气轮机主要使用烟煤、褐煤和高炉煤气。事实证明，基于空气的闭式循环燃气轮机是非常可靠和高度可用的。

闭式循环燃气轮机在美国并不像在最初开发该技术的欧洲那样出名。

预计闭式循环燃气轮机将被用于未来的太阳能发电和核聚变发电中。也有人认为它们可以用于长期的太空探索。

基于超临界二氧化碳的闭式循环燃气轮机的开发正在进行中；二氧化碳超临界循环与氦气布雷顿循环相比，在较低的温度下（℃对℃）具有相当的效率；然而，它在较高的压力下（20兆帕对8兆帕）却有缺点。

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