本申請要求2014年6月30日提交的美國專利申請No.62/019091的權益，該申請全文以引用方式并入本文。

背景技術：

本發(fā)明涉及動能和熱能收集、混合、真空和泵送技術領域，其中可以組織有效的動能和熱能收集的過程，并且通過利用在在封閉或開放回路中的液體粒間動能產(chǎn)生推力和真空。

加熱液體的已知方法包括電或蒸汽驅(qū)動的泵，間接和直接接觸被供應有來自鍋爐或區(qū)域供暖系統(tǒng)的熱能的熱交換器和噴射裝置，其中通過蒸汽或熱水供應來加熱液體(例如參見參考文件1：艾.奧利科所著的“在聯(lián)合愛迪生測試設施處的Fisonic設備的性能和能效的論證(Oliker,I.Demonstration of Performance and Energy Efficiency of Fisonic Devices at the Con Edison Test Facility)”，紐約州能源研究和發(fā)展機構報告第20346號(NYSERDA Report#20346)。加熱的水被輸送到消費者(終端用戶)。在將加熱能量傳遞給使用者之后，在冷凝器中收集的冷卻液體/冷凝物通過泵在閉合回路中輸送返回熱源并且循環(huán)再次重復。當流體未從終端用戶返回時，向系統(tǒng)提供補充流體。該方法消耗相當大量的熱能和泵送能量用于加熱和輸送液體。

在工業(yè)中使用許多用于加熱和輸送液體、蒸汽、氣體和固體材料的噴射型設備。這些噴射型設備包括文丘里去過熱器(Venturi de-superheater)、蒸汽噴射器、噴射排氣器和壓縮機、噴射器和噴射真空泵。

典型的噴射型設備由三個主要部分組成：由抽吸室圍繞的聚集(工作)噴嘴，混合噴嘴和擴散器。工作(運動)和注入(夾帶)的流(stream)進入混合噴嘴，在混合噴嘴中，速度通過能量交換而均衡并且混合物的壓力增加。組合流從混合噴嘴或多個噴嘴進入擴散器，在擴散器中壓力進一步增加。擴散器成形為使速度逐漸降低并以盡可能小的損失將能量轉(zhuǎn)換成排放壓力。噴射型設備在不消耗機械能的情況下通過直接接觸將工作流的動能轉(zhuǎn)移到注入流。噴射型設備以高膨脹和中等或高壓縮比操作，并且需要連續(xù)的動力。

在具有多種速度的兩個流的相互作用期間，發(fā)生混合流的熵的增加(與可逆混合相比)，導致排放流的壓力降低。因此，典型地，噴射型設備的排出壓力高于注入流的壓力，但是低于工作流的壓力。

噴射型設備的缺點是，噴射型設備使用高水平的動力執(zhí)行工作，這降低了出口壓力，顯著降低了初始能量輸入比的有效性并且需要連續(xù)的原動力。因此，這些設備不能用于將壓力提升到更高輸出水平。其他設備諸如基于所謂的Fisonic技術操作的設備可以利用較低能量輸入并提升初始推力和熱負載。這一點是由Fisonic技術設計通過開發(fā)兩相流的非常低的馬赫數(shù)并獲得微量(<0.1％)系統(tǒng)的熱能并將其轉(zhuǎn)換成動力推力而實現(xiàn)的。

在Fisonic設備(“FD設備”)中，注入的水/流體以與工作流的速度平行的高速進入混合室。所注入的水/流體通常通過圍繞工作噴嘴的窄的圓周通道供應。混合室通常具有圓錐形狀。FD設備的經(jīng)優(yōu)化的內(nèi)部幾何形狀使得工作流和注入流混合并加速，從而產(chǎn)生跨音速條件，將流分裂成微小顆粒并將混合流的狀態(tài)改變?yōu)榈入x子體條件，并且最后將流的微小分數(shù)的熱能轉(zhuǎn)換成物理推力(泵頭)，其中排放壓力高于混合流的壓力。這種現(xiàn)象背后的主要原因是均勻的兩相流具有高壓縮性。證明了均勻兩相流比純氣流具有更大壓縮性。因此，在均勻兩相混合物中，特別是在跨音速或超音速模式下，熱能可以更有效地轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功。

在此類系統(tǒng)中的音速遠低于在液體和氣體中的音速。從圖1可以看出，最小音速在流的體積比0.5下發(fā)生。FD設備的重要特征還在于排放流與終端用戶系統(tǒng)下游的改變參數(shù)(例如背壓)的獨立性，指示FD設備產(chǎn)生超音速流并且沒有通過馬赫屏障的下游通信(或上游也是如此)。

參考圖1，可以看出，當沒有液體時——比值等于1，如果沒有氣體——比值β等于零。當有50％的液體和50％的氣體(兩相流)——比率β等于0.5，音速遠低于在氣體中和在液體中。音速公式如下：

其中：k＝等熵指數(shù)，等于比熱比(ratio of specific heat)；P＝壓力；p＝介質(zhì)的密度。為了確定等熵指數(shù)，開發(fā)了以下等式：

其中：k_g＝混合物中氣體的等熵指數(shù)；ε＝壓力的臨界比。

作為工作流和注入流之間的運動脈沖交換的結(jié)果，混合室中的音速降低。在混合室(喉部)的入口處的流具有等于或大于局部音速的速度。作為流減速的結(jié)果，混合室出口處的溫度和壓力增加。在混合物的飽和溫度下，壓力變得高于飽和壓力。在特定的設計幾何形狀下，排放壓力可以比工作介質(zhì)的壓力增加幾倍。混合室中的液相具有泡沫型(等離子體)結(jié)構，其具有非常高度湍流的表面積，因此，與常規(guī)表面型熱交換器相比，F(xiàn)D設備的尺寸非常小。應當指出，F(xiàn)D是恒流設備。

上述過程中的顯著差異在小的注入系數(shù)時發(fā)生。在恒定蒸汽流速下減小所注入的水/流體的流速引起水溫增加到對應于混合室中的壓力的飽和溫度，并且由于用于冷凝所有蒸汽的水的短缺，而FD設備的熱交換操作繼續(xù)，所以其泵送性能成比例地減少。該模式確定最小注入系數(shù)。在這種模式下，操作和幾何因子影響FD設備的特性。隨著注入系數(shù)的增加，當注入的水的流速(作為背壓減小的結(jié)果)增加時，混合室中的水溫減少。同時，由于混合室中的速度增加，水壓減少。增加注入水的流速引起在進入混合室的入口處的壓力減少到對應于加熱的水的溫度的飽和壓力。背壓減少不會導致增加水流速，因為混合室中的進一步壓降是不可能的。不能增加確定注入水的流速的壓降。在這種條件下進一步減少背壓引起混合室中的水閃蒸。

混合室中的水的空化(cavitation)確定最大(限制)注入系數(shù)。應當注意，該操作條件是FD的工作模式。FD以高膨脹和小壓縮比操作。

FD的最近分析和測試得出結(jié)論，即在存在“冷”導熱劑和不存在“冷”導熱劑的情況下，可以實現(xiàn)過熱液體的內(nèi)部(顆粒間)能量到功的轉(zhuǎn)變。此外，在進入裝置的特定壓力值和特定內(nèi)部幾何參數(shù)下，“冷”液體本身在壓力涌升之前變成兩相介質(zhì)。從這種現(xiàn)象遵循一個主要的重要結(jié)論，即在所需條件下，液體的內(nèi)部(顆粒間動力)能量可以轉(zhuǎn)化為有用功。

除了上述內(nèi)容，本文公開的其他主題涉及機械功的生產(chǎn)，特別是生產(chǎn)熱的直接接觸熱交換器，以及用于驅(qū)動發(fā)電機、液壓泵、壓縮機、熱和兩相泵的液壓、氣動和蒸汽渦輪機。

在美國和世界上的許多建筑物使用蒸汽用于空間加熱、冷卻和生活熱水供應。蒸汽冷凝物有時返回到蒸汽生成源或排放到城市下水道系統(tǒng)。為了將冷凝液溫度從220F減少至約110F(城市下水道要求)，冷凝液與冷的飲用水混合。此類系統(tǒng)以相當大的電、熱和水損失以及污水排放速率運行。所有排放速率都經(jīng)過評估和補償。

廢水用于電力生產(chǎn)的現(xiàn)有替代來源包括大型蒸汽(化石和原子能)，往復式內(nèi)燃和柴油發(fā)電廠、化學過程和各種工業(yè)的地熱、太陽能熱和底循環(huán)。通常，沸騰廢水中的能量被傳遞到熱力工作流體(二元循環(huán))以產(chǎn)生電力。因為水或其他廢物流僅處于適度高溫和壓力下，工作流體在兩相區(qū)域中以低能量轉(zhuǎn)變效率(15至20％)操作，并且經(jīng)常遭受差的耐久性。

在2000年，加州能源委員會贊助了一個項目(CEC-500-2005-079)，其簡要地(對于幾分鐘的操作間隔)證明具有長的彎曲反動膨脹噴嘴的兩相渦輪機可以在渦接近50％的渦輪機效率下操作。渦輪機所使用的水加熱至435°F和350psig。所提出發(fā)明與上述渦輪機的主要差別在于使用低溫易得的可再生廢液和氣體，以及應用能夠產(chǎn)生非常高排放壓力推力的先進跨音速噴嘴。

用于獲得機械能的兩相反動渦輪機是已知的，其包括徑向向外流動的渦輪機，該渦輪機具有帶有噴嘴的轉(zhuǎn)子，該噴嘴從內(nèi)部入口通道延伸到轉(zhuǎn)子周邊，其中每單位長度噴嘴具有基本恒定壓降，沿著每個噴嘴表面具有一階表面連續(xù)性，并且在沒有實質(zhì)性橫向加速度情況下噴嘴輪廓允許兩相流。渦輪機還具有外殼，其通過進入殼體開口的流動而旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生額外的機械功。

已知的反動渦輪機具有缺點：不能從其轉(zhuǎn)子獲得用于渦輪機的最大機械能，因為在工作介質(zhì)從其通道流出期間在轉(zhuǎn)子中生成的扭矩受到環(huán)境的排放壓力的限制。

用于獲得機械能的兩相反動渦輪機是已知的，其包括將工作介質(zhì)供應到渦輪機的轉(zhuǎn)子的通道中和在沿著垂直于轉(zhuǎn)子半徑的圓周在一個方向從通道流出期間對工作介質(zhì)加速，并提供轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。

這種已知方法的缺點在于所獲得機械能量的量不足，因為在工作介質(zhì)通過轉(zhuǎn)子的四個通道流出并且工作介質(zhì)供應到由以葉片渦輪機形式的殼體形成的空間中并且通過殼體中的開口渦輪機的瞬間流出期間，在與轉(zhuǎn)子的通道的流接觸的瞬間，位于葉片之間的工作介質(zhì)被排出、“擊倒(knock out)”，從而被加速到來自轉(zhuǎn)子通道的流的速度，其中使用流的一部分能量。在通過徑向葉片式渦輪機的形式的殼體中的開口流出時，由于離心力而對于徑向葉片中的工作介質(zhì)的加速存在損失。此外，由于通過殼體中的開口流出，在葉片之間的工作介質(zhì)的循環(huán)期間存在通風損失。此外，工作介質(zhì)以明顯不同于殼體的旋轉(zhuǎn)速度的速度從以徑向葉片渦輪機形式的旋轉(zhuǎn)殼體流出，這導致能量損失。

還已知一種噴射式反動渦輪機，其具有形成為具有封閉端部的管的工作輪，該管與軸同軸地連接，被布置有旋轉(zhuǎn)的可能性，其中至少一對具有開口端部的管道在相對側(cè)徑向固定在管上，殼體被布置有旋轉(zhuǎn)及圍繞輪的可能性，外殼圍繞輪和殼體并具有用于布置軸的開口，以及噴嘴用于供應和排放工作介質(zhì)。至少一對具有開口端部的管在相對側(cè)固定在殼體上。殼體和工作輪布置在相同軸上。

這種已知渦輪機的缺點在于其固定連接殼體和布置在單個軸上的工作輪，并且在一個方向上旋轉(zhuǎn)工作輪和殼體，這提供僅從一個殼體獲得機械能，而工作輪的管道僅通過渦輪機的元件對工作介質(zhì)供應壓力進行節(jié)流，這導致無用的能量損失和低的渦輪機效率。

具有兩個軸的徑向渦輪機是已知的，其具有形成為管的塞格納(Segner)輪，該塞格納輪具有與軸同軸地連接的封閉端部并且布置有旋轉(zhuǎn)的可能性，至少一對在相對側(cè)上徑向上固定在管上并具有在其軸線的相對側(cè)彎曲的開口端部，其中管道的彎曲開口端部的軸線垂直于延伸通過該對管道的軸線和管的軸線的平面，其中提供了與管道對應的管道開口的壁，殼體與軸同軸地連接并且殼體布置有旋轉(zhuǎn)的可能性并且圍繞塞格納輪，圍繞塞格納輪的外殼和具有用于布置塞格納輪的管和塞格納輪的軸以及殼體的開口，以及用于使工作介質(zhì)流出的噴嘴。殼體形成為葉片渦輪機。

這種已知渦輪機的缺點是，在形成為葉片渦輪機的殼體中，葉片沿該渦輪機端部固定到盤，這因額外力矩而增加了葉片上的離心負載，并且固定葉片的組件不能承受高負載，這需要減少葉片渦輪的圓周速度并降低葉片渦輪的效率。為了在葉片之間通過，來自轉(zhuǎn)子的噴嘴的工作介質(zhì)流體必須以由葉片形狀和來自噴嘴的流的形狀確定的某個角度指向葉片。在已知的渦輪機中，來自噴嘴的工作介質(zhì)流被以不同角度供應到葉片上，這平均導致對于具有獨立噴嘴裝置的渦輪機可接受的增加角度并且導致效率降低。

使用中空轉(zhuǎn)子(塞格納輪)導致因在轉(zhuǎn)子的中空中生成工作介質(zhì)的循環(huán)而產(chǎn)生的摩擦損失，該循環(huán)因壁上粘性和在轉(zhuǎn)子(塞格納輪)的中空部的中間部分中的相反流動(或換句話講，形成一對旋轉(zhuǎn))而被夾帶。因此，損失了從具有中空部的轉(zhuǎn)子獲取的功率。隨著從沿相反方向旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子(塞格納輪)的四個噴嘴向殼體(葉片式渦輪機)部分供應工作介質(zhì)，在與來自轉(zhuǎn)子的噴嘴的流接觸的瞬間，在低壓下位于葉片之間的工作介質(zhì)被排出、被“擊倒”、被加速到從轉(zhuǎn)子的噴嘴供應的流的速度，流的一部分能量用于該速度。

在殼體(葉片渦輪機)中，由于離心力而存在徑向葉片中的工作介質(zhì)的加速損失。此外，由于在通過殼體中的開口流出期間葉片之間的循環(huán)或工作介質(zhì)而產(chǎn)生通風損失(loss for ventilation)。另外，從葉片式渦輪機形式的旋轉(zhuǎn)殼體，工作介質(zhì)以明顯與殼體的旋轉(zhuǎn)速度不同的速度流出，這導致能量損失。

由于使用葉片渦輪機作為殼體，已知的渦輪機還具有復雜的結(jié)構和用于其制造的復雜技術。

從渦輪機獲得機械能的方法是已知的，該方法包括，將工作介質(zhì)供應到渦輪機的轉(zhuǎn)子的通道中，在工作介質(zhì)從通道沿著圓周在一個方向流出時加速工作介質(zhì)，并且通常到達轉(zhuǎn)子的半徑以便使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，將來自轉(zhuǎn)子通道的工作流體供應到在轉(zhuǎn)子上方的殼體內(nèi)產(chǎn)生的空間中，其中在通過殼體的開口流出時，工作流通過摩擦與殼體相互作用，以便在一個方向上加速并且使殼體旋轉(zhuǎn)，從而沿著轉(zhuǎn)子通道的出口開口方向上在殼體中形成封閉并且沿著圓周半徑延伸的空間，并且加速沿著圓周通過殼體的開口流出的工作流體，并且通常到以與從轉(zhuǎn)子流出的方向相反的方向到殼體的半徑。

這種已知方法的缺點在于所獲得的機械能的量不足，因為噴嘴不是跨音速型的并且不提供額外推力。

雖然上述現(xiàn)有系統(tǒng)適用于其預期目的，但是仍然在收集液體的熱能方面、同時改進熱收集的效率以及在寬范圍操作參數(shù)中系統(tǒng)的穩(wěn)定操作上需要改進，并且雖然現(xiàn)有的熱水和冷凝物收集系統(tǒng)適用于其預期目的，但是仍然需要改進，特別是提供改進總循環(huán)熱效率的系統(tǒng)。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實施例包括用于與低溫和高溫流動介質(zhì)一起使用的跨音速兩相反動渦輪機。該渦輪機包括構造成以相反方向旋轉(zhuǎn)的至少兩個輪，該至少兩個輪中的至少一個配備有一個或多個動能收集器。

本發(fā)明的實施例包括跨音速兩相反動渦輪機，該渦輪機具有至少一個轉(zhuǎn)子，該至少一個轉(zhuǎn)子具有多個動能收集器。每個動能收集器設置并構造成在壓力下將第一熱載體或諸多熱載體接收到第一噴嘴中，并且將第二熱載體接收到第二噴嘴中，第二熱載體比第一熱載體更冷，第二噴嘴以至少部分基于該熱載體或多個熱載體的壓力和溫度、流動而限定的距離設置在第一噴嘴下游。每個動能收集器包括在第一噴嘴和第二噴嘴之間的混合室，混合室被構造成將第一熱載體和第二熱載體混合以產(chǎn)生兩相混合物，第二噴嘴被放置在距第一噴嘴限定的距離處產(chǎn)生提升的排放推力。每個混合室被構造成使得兩相混合物的熱載體壓力降低和減速至一速度，在該速度下兩相混合物，或者第一熱載體或第二熱載體中的至少一個或兩者沸騰成具有小氣泡的均勻兩相介質(zhì)，該兩相介質(zhì)為可高度壓縮的介質(zhì)并且具有大于1的馬赫數(shù)的音速條件。每個第二噴嘴被構造成聚集并壓縮兩相介質(zhì)流，從而使小氣泡塌縮并且將兩相混合物改變成具有增加的動力推力的不可壓縮單相流動介質(zhì)。每個動能收集器還包括設置在第二噴嘴下游的排放部，每個排放部設置并構造成排放具有增加的動力推力的單相流動介質(zhì)，以產(chǎn)生比第一熱載體和第二熱載體的輸入壓力都高的反作用壓力，以便以旋轉(zhuǎn)方式驅(qū)動轉(zhuǎn)子，其中，結(jié)果是每個動能收集器產(chǎn)生熱能和動能。

這些和其他優(yōu)點和特征通過結(jié)合附圖的以下說明中將變得更加明顯。

附圖說明

在說明書后部的權利要求書中具體指出并明確要求保護被認為是本發(fā)明的主題。通過下面結(jié)合附圖的具體實施方式中，本發(fā)明的前述和其他特征和優(yōu)點是顯而易見的，在附圖中：

圖1是示出了音速和氣體與液體體積比之間關系的曲線圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的Fisonic型設備的示意圖；

圖3是結(jié)合圖2的設備的系統(tǒng)的示意圖；

圖4至圖16是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的Fisonic型設備的其他實施例的示意圖；

圖17是使用圖1至圖16的Fisonic型設備的熱電聯(lián)供系統(tǒng)的示意圖；

圖18至圖20是使用圖1至圖16的Fisonic型設備的熱泵系統(tǒng)的示意圖；

圖21是根據(jù)本發(fā)明的實施例的以單線流程圖形式描繪的跨音速兩相反動渦輪機和熱交換器的示意圖；

圖22是根據(jù)本發(fā)明的實施例的蘭金循環(huán)的曲線圖；以及

圖23至圖32描繪了根據(jù)本發(fā)明的實施例的直接驅(qū)動的熱力渦輪發(fā)電機的另選實施例。

具體實施方式通過參考附圖的示例解釋了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。

具體實施方式

本發(fā)明的實施例提供超音速動能收集器、熱交換器、混合器、定量器(dozator)、均化器、巴氏消毒器、去過熱器(de-superheater)、泵、流量計/能量計、乳化器、推進器、膨脹器和超冷凝物回收器(在本文被稱為動能收集器，或KEH)。本發(fā)明的實施例通過使用如下文所述的KEH產(chǎn)生動能和熱能收集以及顯著減少熱能和泵送能量消耗的條件。本發(fā)明的實施例提供了一種KEH，其將由變速泵提供的工作流體的動能轉(zhuǎn)換成熱能和泵送能量，并且提供系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定和無氣穴現(xiàn)象的操作。這提供優(yōu)點：顯著減少現(xiàn)有泵和常規(guī)熱能供應的能量消耗。本發(fā)明的實施例還可以配備有脫氣器(deaerator)，其從液體中徹底去除不可壓縮的氣體并且基本上改進熱能收集。KEH也可以在沒有任何外部泵的情況下操作，只要流體存在于反應物混合室中并且存在熱增量或增量壓力，KEH將開始操作并且將泵送流體。

KEH的實施例的性能基于兩相流的性質(zhì)，首先是它們增加的可壓縮性。為了提高KEH的有效性和熱能收集速率，冷液體最初在鍋爐中通過區(qū)域供暖、太陽能、地熱、風、生物質(zhì)、化石、核能、廢物或化學能預熱，并且被泵送(在設備啟動時)到KEH中。在KEH中，在亞音速條件下的單相液體流被轉(zhuǎn)化成均勻的兩相流(等離子體)，兩相流被傳遞到包含多個微觀蒸汽泡的超音速流中；然后在超音速兩相流中的蒸汽混合物的同時塌縮發(fā)生，結(jié)果將兩相流轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗔?，從而提供額外的熱能和一些泵送功率。KEH的能力和多功能性使得可以根據(jù)最終用戶的要求構造KEH的能力以滿足特定的應用。

KEH的實施例由配備有幾何形狀引導肋部的擴散器構成。擴散器連接到配備有在內(nèi)表面上具有螺旋肋部的多個管的環(huán)。肋部生成渦流，從而導致提供有效液體湍流的離心作用。之后，液體進入開放室。在該室中，原始液體流從KEH的排放部注入在同心外管道中再循環(huán)的附加液體流?；旌狭鬟M一步排放到位于拉瓦爾(Laval)噴嘴入口處的同軸噴嘴。在拉瓦爾噴嘴之后，液體壓力減小到不高于對應于液體溫度的飽和蒸汽壓的值。在這些條件下，在液體中形成多個蒸汽泡。拉瓦爾噴嘴的長度是預定長度。

在距拉瓦爾噴嘴預定距離處，液體進入幾何形狀噴嘴，之后施加反壓，從而導致壓力波動出現(xiàn)，其中的兩相流的蒸汽組分崩塌。在壓力波動的過程中，生成一定范圍的振蕩，促進新形成的小蒸汽泡的塌縮，這又生成熱能并且增加液體的溫度和液體的推力。在這一點上，一部分液體與主流分離，并在KEH的入口處再循環(huán)回到混合室。主液體流移動預定距離，并且之后進入幾何環(huán)/篩，在該幾何環(huán)/篩中收集額外熱能。然后，液體進入錐形排放部，溫度升高的液體從該排放部排放到管道系統(tǒng)中。KEH內(nèi)的部分流的再循環(huán)允許在寬范圍的系統(tǒng)參數(shù)(流速、溫度和壓力)下提供系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定的操作模式。

經(jīng)加熱液體輸送到熱用戶。冷卻的液體流可以從用戶處再循環(huán)回鍋爐或其他熱輸入源。返回液體還可以通過脫氣器，在脫氣器中液體被深度脫氣。去除脫氣器中不可壓縮氣體而改進能量收集過程。在重復的再循環(huán)循環(huán)中，主要的熱輸入和泵送功率由KEH提供，并且鍋爐的熱輸入和泵的泵送功率顯著降低。當液體不從客戶返回時，向KEH提供補充液體。

躍變壓力(jump pressure)P2與在躍變(jump)之前設備內(nèi)部的壓力(Pbj)的相關性由以下等式描述：

(3)P₂＝kP_bjM²…

在跨音速或超音速流中，通過減少音速來實現(xiàn)均勻兩相流，這準許在低流速下實現(xiàn)等于或大于一(M≥1)的最大數(shù)。

KEH的工作平衡由以下等式描述：

其中：

k＝Cp/Cv；

Cp＝恒壓比熱；Cv＝定容比熱；w、i、d—表示工作、注入和排放流的以下參數(shù)的下標：P＝壓力，V＝比容；u＝注入系數(shù)，等于注入的流速和工作流速的比率。

KEH的具體特性與混合室的幾何形狀密切相關。在KEH后的排放壓力(Pd)由下式表示：

其中：T_w1＝P_i/P_w；_w1＝工作噴嘴排氣的截面；f₃＝混合室排氣的截面；K₁＝工作流速度系數(shù)；擴散流速度系數(shù)；T_wc＝P_c/P_w＝在工作噴嘴的臨界段中的壓力與工作壓力的比率；λ_w1＝工作流在絕熱流下的速度與臨界速度的比率；f_wc＝工作噴嘴臨界段的截面；u＝注入系數(shù)。

在混合室中的入口處的壓力(P2)與注入系數(shù)之間的關系由以下等式確定：

用于具有任何可壓縮性的介質(zhì)的能量守恒方程為：

(7)dq＝(K/k-1)P du+1/(k–1)*u*dP+dqmp

對于在絕熱通道中移動的不可壓縮流體(k→∞，dv＝0)，唯一的熱源是摩擦。不可壓縮流體不能用作將熱能轉(zhuǎn)變成機械功的工作介質(zhì)。當將等式(7)應用于在壓力涌升邊界處的流的截面時，情況是不同的，其中霧狀結(jié)構的高度可壓縮的兩相混合物位于一側(cè)，而在壓力涌升段的另一側(cè)具有小氣泡蒸汽(氣體)的單相液體被定位。

壓力涌升模式中的熱平衡的條件是：

(8)ρ_1d(1-β)*Δq＝ρ_g*β*_r

(9)Δq＝(ρ_g/ρ_1g)*r^*(M²-1)

其中：r＝相變的潛熱。從等式(9)的分析可以得出幾個結(jié)論。首先，At M<1，Δq<0是液體蒸發(fā)冷卻過程的公知過程。第二，ΔM＝1，Δq＝0-是分別在參考文獻3和參考文獻4中描述的湍流的退化現(xiàn)象，其中參考文獻為Vulis，L.A.所著的“氣流的氣體動力學(Gasodynamics Of Gas Flows)”，Gosenergoizdat M，L.1950，針對以近臨界速度移動靠近圓柱形通道的出口部分的氣體的內(nèi)部問題，參考文獻4為Fisenko,V.V.和Sychikov，V.I.所著的“關于對兩相流的空氣動力學的壓縮性影響(On The Compressibility Effect On The Hydrodynamics Of Two-Phase Flows)”，1977年物理工程期刊第32卷第6期(Journal of Physical Engineering，1977.V.32，No.6)，針對圍繞氣體近音速流動的圓柱體的流動的外部問題。對于均勻的兩相混合物，問題在參考文獻5中解決，參考文獻5為Gukhman，A.A.、Gandelsman，A.F.和Naurits，L.N.所著的“關于在流體超音速區(qū)的液壓阻力(On The Hydraulic Resistance In The Supersonic Zone Of Flow)”，1957年Energomashinostroenie第7期。最后，在M>1，Δq>0時是在參考文獻6中由U.Potapov在一定內(nèi)部幾何形狀對于液流的影響下解決的現(xiàn)象，參考文獻6為Potapov，U.S./Fominskii，L.P.h和Potapov，S.U.所著的“渦流能量(Vortex Energy)”，該文獻見于www.transgasindustry.ru/books。

在對流體流動的受控幾何、熱、費用或組合影響下，由液體的內(nèi)部能量最大可以的熱能釋放通過以下等式描述：

(10)

Δq＝(ΔP/ρ_1d)*(M²/k-1)

其中：ΔP＝在供應所生成能量的涌升中的壓力與系統(tǒng)的背壓之間的差；和ρld＝在KEH出口處的液體密度。

實驗已經(jīng)證明，通過改變KEH的內(nèi)部幾何形狀、溫度、壓力、化學成分、添加聲波、電刺激、管道構造、氣體和液體的組合以及重力，可以改變和增強設備參數(shù)并大體上增加收集的熱能和泵送功率。

KEH 20的一個實施例在圖2和圖3中示出。液體1被泵送并且在設備22中初始預熱，該設備例如但不限于利用區(qū)域供暖、太陽能、地熱、風、生物質(zhì)、化石、廢物或化學能的鍋爐。應當理解，雖然本文所述的實施例引用KEH的線性構造，但是所要求保護的發(fā)明不應受此限制。在一些實施例中，KEH例如以360度環(huán)形圓環(huán)的形狀構造。在加熱之后，液體1被泵送(在啟動期間)到KEH 20中。KEH 20包括配備有幾何形狀引導肋部3的擴散器2。擴散器連接到環(huán)4，該環(huán)配備有多個管5，多個管在內(nèi)表面上具有螺旋肋部。肋部被構造成生成引起離心作用的旋流，以提供液體的湍流。然后，液體進入開放室6?；旌鲜业拈L度可以根據(jù)終端用途應用而改變。在室6中，原始液體流1的一部分作為額外液體流7注入。液體流7在同心外管道8中通過KEH 20的噴嘴11的出口再循環(huán)。

混合流進一步排放到壓縮單相液體流7的第一拉瓦爾噴噴嘴9中。在一個實施例中，一個或多個壓力傳感器36聯(lián)接到第一拉瓦爾噴嘴9。壓力傳感器36被構造成將指示第一拉瓦爾噴嘴9中的壓力的信號提供至液體流量計量設備38。將液體流7排放到第二拉瓦爾噴嘴10中。在離第二拉瓦爾噴嘴10預定距離處，流體進入噴嘴11。在一個實施例中，經(jīng)過拉瓦爾噴嘴之后的單相液體流體的壓力減小到不高于與液體溫度對應的飽和蒸汽壓的值。在這些條件下，在液體中形成多個蒸汽泡。經(jīng)過噴嘴11之后，部分液體流被分離并貫穿同心管8再循環(huán)到室6。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，KEH 20內(nèi)部的部分流的再循環(huán)允許提供在廣泛范圍的系統(tǒng)參數(shù)(流速，溫度和壓力)下的系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定操作模式。

在一個實施例中，噴嘴11對兩相流提供制動效果并產(chǎn)生反壓力，該反壓力引起壓力波動的出現(xiàn)，其中兩相流的蒸汽成分崩塌，并將兩相流轉(zhuǎn)變成單相流。在壓力波動的過程中，生成一定范圍的振蕩，促進微觀蒸汽泡的塌縮，這又收集熱能并增加液體的溫度和液體的推力。

主液體流移動一定預定距離并進入環(huán)/篩12中。在之后，主液體流進入配備有肋部14的錐形排放段13，升高溫度和推力的液體從該排放段排放到管道系統(tǒng)中。在一個實施例中，管道系統(tǒng)包括使來自KEH 20的排放流的一部分回流到泵送設備34的導管。在示例性實施例中，泵送設備34是水力渦輪泵或Fisonic噴射泵。

應當理解，KEH 20可以包括用于供應額外液體和氣體的額外噴嘴或輸入件，該額外液體和氣體用于與主液流混合并產(chǎn)生均勻混合物和乳液。

在一個實施例中，管道系統(tǒng)15可配備有閃蒸分離器24，在閃蒸分離器中閃蒸加熱的水，蒸汽被分離并供應到終端用途應用26諸如建筑物蒸汽加熱系統(tǒng)。分離器連接到KEH 20，減少了分離器中的壓力并提供水閃蒸條件。

然后，將加熱的液體或蒸汽輸送到終端用途應用26。一旦在終端用途應用中從經(jīng)加熱的液體或蒸汽中提取熱能，則將冷卻的液體或冷凝物流再循環(huán)回到鍋爐22或其他熱量輸入源。返回再循環(huán)管線還可以連接到脫氣器28，在脫氣器中液體被深度脫氣以提供去除不可壓縮氣體，補充和液體膨脹功能。在一個實施例中，脫氣器還用作膨脹設備。在經(jīng)冷卻的液體不從終端用戶應用26返回的實施例中，補充水30被供應到系統(tǒng)32。在重復的再循環(huán)循環(huán)中，由KEH 20提供的熱輸入和泵送功率以及鍋爐的熱輸入使系統(tǒng)32的泵34的要求顯著降低。

在一個實施例中，KEH利用顆粒間力(一種二相和多相介質(zhì)的動能)，并用于混合、溫度升高以及產(chǎn)生液體和氣體的推力和真空。該系統(tǒng)可以包括以鍋爐、區(qū)域供暖、太陽能、地熱、風、生物質(zhì)、化石、廢物或化學能的形式的熱輸入設備，連接到KEH的泵(用于初始啟動)，該泵產(chǎn)生用于能量收集的條件并且將加熱的液體推動到在液體介質(zhì)的開放或封閉回路循環(huán)中連接到消費者的管道系統(tǒng)，并且其可以包括脫氣器。技術效果包括構造用于特定操作范圍的KEH。在一個實施例中，熱能收集溫度范圍應在110℃和250℃之間。KEH適用于各種行業(yè)、交通、灌溉、消毒、滅火、水/油分離、混合、烹飪、加熱、冷卻和低質(zhì)量能源利用。

實驗已經(jīng)證明，通過改變KEH的內(nèi)部幾何形狀，溫度、壓力、化學成分、添加聲波、電刺激、管道構造、氣體和液體的組合以及重力可以改變和增強設備參數(shù)并顯著增加收獲的動能和熱能以及泵送功率。

圖4至圖17示出了KEH的不同實施例。圖4的KEH 20示出了其中KEH 20作為兩相或多相熱動力學放大器執(zhí)行的實施例。在該實施例中，KEH 20具有單個拉瓦爾噴嘴9和制動噴嘴11。在圖4的實施例中，沒有用于再循環(huán)一部分流體流的同心管道。而是，導管40在拉瓦爾噴嘴9的入口和噴嘴11的入口之間注入流體流，諸如冷液體熱載體。

現(xiàn)在參考圖5，示出其中KEH 20作為超音速動力學放大器執(zhí)行的實施例。在該實施例中，單個拉瓦爾噴嘴9布置在擴散器2的下游。排出拉瓦爾噴嘴9的液體與來自同心導管8的再循環(huán)液體混合并進入制動噴嘴11。在排出噴嘴11時，液體流通過同心導管11再循環(huán)，而剩余部分通過錐形排放段13排出。

現(xiàn)在參考圖6，示出其中FD 20作為多級高動力性放大器執(zhí)行的實施例。在該實施例中，液體流1經(jīng)由擴散器2進入室6。在擴散器2的下游預定距離處，同心導管8的出口使再循環(huán)的液體流入室6，從而引起兩個流體流混合。經(jīng)混合的流然后進入單個拉瓦爾噴嘴9和制動噴嘴11。同心導管8的入口布置在噴嘴11的出口處，從而使得一部分液體流再循環(huán)，而流的其余部分經(jīng)由排部13排放段排出。

圖7示出了作為用于混合和多流應用的多相熱動力學放大器執(zhí)行的KEH 20。液體流1由擴散器2接收并傳遞到室6中，在那里液體流1與來自同心導管8的再循環(huán)液體混合。經(jīng)混合的液體流入拉瓦爾噴嘴9。第二液體流通過導管40注入。第二液體在拉瓦爾噴嘴9的入口和出口之間注入。該組合的液體流進入制動噴嘴11、同心導管8的入口布置在噴嘴11的出口處，以引起一部分流體流的再循環(huán)流。混合的流體流的其余部分經(jīng)由排放段13排出。

圖8示出了作為超能推進器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1被接收在擴散器2中并且通過多個噴嘴42進入室6。液體通過拉瓦爾噴嘴9并與來自同心導管8的再循環(huán)液體組合。同心導管在排出口44上游在拉瓦爾噴嘴9外部注入再循環(huán)液體。來自拉瓦爾噴嘴9的液體和再循環(huán)的液體在制動噴嘴11的入口處混合。在該實施例中，排出口44和噴嘴11的入口基本上是共同定位的。同心導管8的入口布置在噴嘴11的排出口處，以使一部分流體流的再循環(huán)。經(jīng)混合的流體流的其余部分經(jīng)由排放段13排出。

圖9示出了作為多輸入能量收集器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1通過擴散器2并由肋部3引導到具有多個管5的環(huán)4中。液體通過管5進入室6。導管40將第二液體流以及來自同心導管8的再循環(huán)液體注入室6。該組合的液體流進入拉瓦爾噴嘴9。從導管46注入第三液體流，使得液體1、再循環(huán)液體、第二液體流和第三液體流在排出口44混合并進入制動噴嘴11。在該實施例中，噴嘴11的入口和排出口44共同定位。同心導管8的入口布置在噴嘴11的排出口處，以引起一部分流體流的再循環(huán)?；旌系牧黧w流的其余部分經(jīng)由排放段13排出。

圖10示出了作為具有外部進料的兩級熱能收集器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1通過擴散器2被接收到室6中。然后液體流動通過拉瓦爾噴嘴9。外部進料導管40在排出口44上游的拉瓦爾噴嘴9外部注入第二流體流。液體1和第二流體流在排出口44處混合并進入制動噴嘴11。在噴嘴11的排出口處，具有多個管的環(huán)48接收液體流，從而允許液體流經(jīng)由排放段13排出。

圖11示出了作為較低質(zhì)量的能量利用器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1經(jīng)由擴散器2接收到拉瓦爾噴嘴9的入口54。第二流體流在入口54處與液體1同軸地注入。在該實施例中，入口54基本上與擴散器2的出口共同定位。組合的流體流流動通過拉瓦爾噴嘴9并進入制動噴嘴11。噴嘴11的入口基本上與出口44共同定位。液體流經(jīng)由排放段13排出KEH 20。

圖12示出了作為組合的能量收集器和推進器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1通過擴散器2，并由肋部3引導到具有多個管5的環(huán)4中。液體通過管5進入室6。液體從室6流入第一拉瓦爾噴嘴。第二液體流由在第一拉瓦爾噴嘴9外部的導管40注入。來自第一拉瓦爾噴嘴9的液體1和第二液體流在出口44處混合。在距排出口44預定距離處，第二拉瓦爾噴嘴10接收混合的液體流。第二拉瓦爾噴嘴10的排出口56布置成與制動噴嘴11的入口基本上共同定位。同心導管8在排出口56處注入再循環(huán)液體。同心導管8的入口布置在噴嘴11的排出口56處，以使得一部分流體流的再循環(huán)。混合的流體流的其余部分經(jīng)由排放段13排出。

圖13示出了作為廢熱利用洗滌器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，第一液體1經(jīng)由擴散器2接收并且第二液體從同軸布置的導管57接收。這兩個液體流被引導到具有多個管5的環(huán)4中，進入室6。這兩個液體流引導通過與來自室6中的導管40的第一廢熱液體流混合。組合的混合物通過第一組輪葉58，進入到第二室59中，在第二室中液體流與來自導管46的第二廢熱液體流組合。該流體的組合被引導通過第二組輪葉60到達排放段13。

圖14示出了作為用于例如巴氏消毒和均質(zhì)化的氣/液混合裝置執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1由擴散器2接收并進入室6。液體從室6流入拉瓦爾噴嘴9。在拉瓦爾噴嘴9外部注入第二液體流。從拉瓦爾噴嘴9流動的液體在排出口44處與第二液體流混合。然后，組合的液體流入制動噴嘴11。噴嘴11的入口基本上與排出口44共同定位。在通過噴嘴11之后，組合的液體經(jīng)由排放段13排出。

圖15示出了作為空化發(fā)熱膨脹器執(zhí)行的KEH 20。在該實施例中，液體1經(jīng)由具有第一直徑的第一導管72進入。液體的流動沖擊位于圓錐形入口段74中的空化設備76。然后，液體流入具有第二直徑和預定長度的第二導管78。第二導管78的直徑小于第一導管72的直徑。在通過第二導管78之后，液體經(jīng)由擴散器2進入室6。室6具有預定長度并終止于排放段13。

圖16示出了作為熱能收集器和放大器工作的KEH 20。在該實施例中，液體1通過擴散器2并且由肋部3引導到具有多個管5的環(huán)4中。液體通過管5進入室6，在室6中與來自同心導管8的再循環(huán)液體混合?；旌系囊后w從室6流入第一拉瓦爾噴嘴9?；旌系囊后w在進入第二拉瓦爾噴嘴10之前從第一拉瓦爾噴嘴9排出并流動第一預定距離?；旌弦后w然后在進入制動噴嘴11之前流動第二預定距離。同心導管8的入口布置在噴嘴11的排出口處，以使得一部分流體流再循環(huán)。在噴嘴11的排出口處，具有多個管的環(huán)48接收液體流，從而允許液體流經(jīng)由排放段13排出。在該實施例中，排放段13包括引導流的肋部62。

現(xiàn)在參考圖17，示出了使用本文描述的KEH 20實施例中的一個或多個的系統(tǒng)100的示例性實施例。系統(tǒng)100是組合的熱和電力系統(tǒng)，該系統(tǒng)向應用(諸如制造公司或商業(yè)辦公建筑物)提供熱能和電能。

水乳液部分102將來自燃料箱100的燃料與跨音速乳化裝置112中的蒸汽混合。經(jīng)乳化的燃料通過泵116傳送到鍋爐114。燃料被燃燒以產(chǎn)生蒸汽。蒸汽通過泵118傳遞到熱利用和氣體凈化跨音速設備120。設備120將來自鍋爐114的高溫煙道氣組合，以在其輸出部122處產(chǎn)生高壓高溫蒸汽混合物。該輸出部122的性質(zhì)適用于在水蒸汽跨音速渦輪發(fā)動機124中。發(fā)動機124使發(fā)電機126旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生電力。應當理解，在發(fā)動機124的出口處的蒸汽混合物的條件可以大于馬赫數(shù)1(Mach 1)。

發(fā)動機124的輸出部128將蒸汽混合物傳遞到跨音速冷凝器128。在冷凝器128內(nèi)，來自發(fā)動機124的兩相蒸汽被加速，在之后實現(xiàn)了蒸汽和冷凝物的混合形成兩相混合物，其中兩相混合物流被傳遞到超音速流。在兩相超音速流中實現(xiàn)壓力改變，在壓力改變期間通過蒸汽氣泡的塌縮和通過強烈的蒸汽冷凝將兩相流傳遞到單相液體亞音速流中。同時，冷凝物通過在冷凝物中的強烈蒸汽冷凝和在壓力改變期間蒸汽泡的塌縮而被加熱，以形成單相高溫液體。在一個實施例中，通過添加減速階段在冷凝器128內(nèi)附加地加熱液體。

該單相高溫亞音速液體流入具有氣體/水容量的熱交換器130中。熱交換器將熱能從單相液體傳遞到熱傳遞介質(zhì)，例如水。然后該熱傳遞介質(zhì)可以用于例如空間加熱、家用熱水或過程熱。冷卻的單相液體從熱交換器傳遞到脫氣器132，諸如旋風式脫氣器，脫氣器將夾帶的空氣和氣體與液體分離。將分離的氣體過濾并排到大氣中。

液體被從脫氣器132去除并經(jīng)由泵134傳遞到冷凝物段108。在冷凝物段108中，液體流通過跨音速化學反應器設備136并進入渦流反應器138。在傳遞回鍋爐114用于重新使用之前，冷凝的液體可以使用歧管式過濾儀器140過濾。

現(xiàn)在參考圖18至圖20，示出了使用諸如用于加熱住宅206的具有熱泵204的KEH 202的系統(tǒng)200的示例性實施例。在示例性實施例中，系統(tǒng)200耦接到地熱封閉環(huán)路式地表水系統(tǒng)208。應當理解，雖然本文的實施例涉及地熱系統(tǒng)，但是要求保護的本發(fā)明不應受此限制。該系統(tǒng)包括接收來自熱泵204的熱傳遞介質(zhì)或冷卻劑的地熱部分208。冷卻劑從地熱部分208排出，并且經(jīng)由泵210傳遞到KEH 202中。冷卻劑的溫度和壓力借助KEH 202增加，如在本文中以上所述的。冷卻劑從KEH 202排出而進入導管212。膨脹箱214耦接到導管212。冷卻劑進入熱泵204。當處于冷卻操作模式(圖19)時，熱泵204經(jīng)由熱交換器216將熱量傳遞到冷卻劑。然后冷卻劑被傳遞到地熱部分208，在那里熱能被傳遞到地面。當處于加熱操作模式(圖20)時，冷卻劑經(jīng)由熱交換器216將熱量傳遞到熱泵204。然后，經(jīng)冷卻的冷卻劑被傳遞到地熱部分208，在那里冷卻劑被地面加熱。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供耦接到一個或多個熱生成設備的KEH。提供具有多個輸入部的第一裝置，該多個輸入部包括流體耦接到熱生成設備的第一輸入部和第二輸入部。可變速度的第一泵被流體地耦接以將來自熱生成設備的流體供應到第一設備。脫氣器流體地耦接以從第一設備接收流體。在一個實施例中，該裝置包括流體耦接到第一設備的第二泵。第二設備流體地耦接到第二泵的入口。第三設備流體地耦接到第二泵的輸出。KEH改進了流體進入泵葉輪的流動，由此減少了電消耗并且增加流體體積。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供包括流體地耦接到第一輸入部的擴散器的KEH。擴散器具有引導肋部，其中泵使液體流入擴散器中，其中擴散器連接到具有多個管的環(huán)，該管在內(nèi)表面上具有螺旋形肋部。肋部生成旋流，導致使得液體產(chǎn)生湍流的離心作用，其中第一設備包括鄰近環(huán)的開放室。多個輸入部被布置成在第一裝置的排放部分的同心外管中注入另外的液體再循環(huán)流。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供一種KEH，在該KEH中在經(jīng)過開放室之后混合的流體被進一步排放到位于拉瓦爾噴嘴入口處的同軸噴嘴中。單相液體在拉瓦爾噴嘴中被壓縮。在經(jīng)過拉瓦爾噴嘴之后單相液體流的壓力減小到不高于與液體溫度對應的飽和蒸汽壓的值以在液體內(nèi)形成多個蒸汽泡。該設備包括與拉瓦爾噴嘴鄰近的制動噴嘴。制動噴嘴被構造成對兩相流產(chǎn)生制動作用并產(chǎn)生反壓力，該反壓力引起壓力波動的出現(xiàn)，其中兩相流的蒸汽組合物的坍塌并將兩相流轉(zhuǎn)變成單相流，其中在壓力波動期間，生成一定范圍的振蕩，從而促進微小蒸汽泡的塌縮，這增加了液體溫度和液體推力。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種KEH，在該KEH中液體的一部分在制動噴嘴的下游被分離并且再循環(huán)回到室的入口。主排放液體流移動預定距離且隨后進入環(huán)/篩段，由此液體的溫度進一步增加，并且其中主排放液體流移動一定預定距離并且之后進入圓錐形排放段。在一個實施例中，拉瓦爾噴嘴包括連接到外部液體流量計量設備的壓力傳感器。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種KEH，在該KEH中拉瓦爾噴嘴的出口與排放段之間的距離具有預定尺寸。拉瓦爾噴嘴的入口配備有穿孔。從排放段排出的一部分流體被泵送回到水力渦輪泵中，該水力渦輪泵提供進入泵送設備的流體。在一個實施例中，第一設備還包括用于供應與主液流混合并產(chǎn)生均勻的混合物和乳液的額外液體和氣體的額外噴嘴。在另一個實施例中，閃蒸分離器流體地耦接到排放流，并且其中第一設備被構造成360度環(huán)形圓環(huán)的形狀。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種KEH的操作方法。該方法包括在壓力下將至少一種液體熱載體供給到噴嘴中，供給冷液體熱載體，以及混合液體熱載體和冷液體熱載體。其中利用液體熱載體混合物的液體流進行兩種轉(zhuǎn)變中的一種。第一轉(zhuǎn)變包括將熱載體混合物加速到該熱載體混合物或該混合物中的至少一種熱載體沸騰的速度，并形成兩相流，其中將后者轉(zhuǎn)變到馬赫數(shù)大于1的條件，然后在兩相流的后者中轉(zhuǎn)變到熱載體混合物的亞音速液體流的情況下改變壓力，并且在壓力改變期間執(zhí)行熱載體混合物的液體的加熱。第二轉(zhuǎn)變包括將熱載體混合物的液流加速到熱載體混合物或混合物的熱載體中至少一種沸騰的速度，并形成兩相流，其中將后者轉(zhuǎn)變到馬赫數(shù)等于1的條件，然后減速兩相流，從而流體被轉(zhuǎn)換成具有蒸汽泡的熱載體混合物的液體流，此外，通過該流的轉(zhuǎn)變，熱載體混合物的液體流被加熱；然后以任何順序進行熱載體混合物的液體流的上述兩種轉(zhuǎn)變，熱載體混合物的經(jīng)加熱液體流在噴射裝置中獲得的壓力下供給至消費者。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，KEH可用于乳化、均質(zhì)化、加熱、泵送和改進其流變性質(zhì)，防止在低于石蠟結(jié)晶點的溫度下形成空間體積結(jié)構，以及各種烴的結(jié)構。該應用還允許破壞導致異常粘度的瀝青/石蠟分子間鍵。KEH還降低了高分子化合物的濃度，主要是作為超分子聚集體的中心的瀝青質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，KEH可以用于氣體/烴強化采油(EOR)，增加氣/油生產(chǎn)，增加液體和氣體分離和生產(chǎn)，同時加熱、分解油顆粒，用一層油包封水，以及防止導致油管線破裂的水包池的濃縮。該應用還允許生成強空化沖擊波和壓力，以驅(qū)動待泵送的污泥油囊或從井中抽對油/氣進行抽真空。該應用還允許石蠟分解和重質(zhì)原油形成。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，KEH可以用于通過由KEH生成的受控內(nèi)部沖擊波和剪切能量引起的微粉化而增強基于纖維素和藻類的生物燃料生產(chǎn)和其他基于有機物的產(chǎn)物的生產(chǎn)，以用于更徹底和節(jié)能快速管內(nèi)熱煉(in-line cooking)，包括在較低溫度下的淀粉發(fā)酵的活化和需要使用較少的添加劑。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，KEH可以用于使用核反應堆腔中的多余熱量的應用中，以維持冷卻劑的再循環(huán)，直到反應器溫度下降到安全水平，并防止熔化反應器桿。只要有ΔT或ΔP，KEH就會工作。KEH沒有移動部件且不需要電力。KEH將使用任何水源來循環(huán)冷卻液。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了蒸汽區(qū)域供暖系統(tǒng)的操作方法，由此蒸汽被引入蒸汽/水的熱交換器中，并且熱水被泵送通過用戶的液體循環(huán)系統(tǒng)。KEH替代常規(guī)熱交換器和電驅(qū)動泵，節(jié)省能量和在排放之前的抑制冷凝液的要求。KEH用于替代家用熱水供應的常規(guī)蒸汽/熱水器交換器，具有更高效的自主的水/熱水供應回路。KEH回收來自蒸汽加熱的建筑物的排放冷凝物，并利用少量蒸汽將冷凝物升級為可用蒸汽，以在建筑物加熱系統(tǒng)中循環(huán)。KEH回收排放的冷凝水或用冷水抑制廢蒸汽，并作為廢物處理，被循環(huán)到建筑物用于熱水系統(tǒng)或用作多種用途的灰水。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種利用KEH對水進行加熱以操作熱水桶、游泳池或任何大容量水體同時破壞水中任何微生物或細菌成分的方法，從而消除要求大量抗菌添加劑，比如氯。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了通過在單個通過操作中使用KEH的對牛奶乳制品和其他液體或半液體消耗品同時進行巴氏消毒和均質(zhì)化的方法。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了一種通過由KEH生成的受控內(nèi)部沖擊波和剪切能量引起的微粉化而增強麥芽汁加工中的啤酒生產(chǎn)、系統(tǒng)維護和節(jié)能的方法，以便更徹底的混合、管內(nèi)熱煉瞬時能量效率、在較低溫度下活化淀粉發(fā)酵、對于操作后的系統(tǒng)清洗需要使用較少添加劑和抗菌作用。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，提供了利用KEH的高壓霧化、消毒混合、霧化和精確控制能力來增強工業(yè)清潔、洗滌、除污、防火和預處理制備的方法。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，一種通過利用KEH改進空氣、燃、水或用于增強燃燒和減少排放物的添加劑的混合物、輸入壓力及比率來增加發(fā)動機(包括柴油和渦輪機)燃料效率的方法。

現(xiàn)在參考圖21，以單線流程圖形式示出了本發(fā)明的實施例的操作。冷凝物、廢熱水、廢蒸汽和/或氣體420(溫度從40F至540F)通過任選初始KEH 422(類似于上述KEH 20)，其用于增加水或氣體的壓力和溫度，從而引起在排放末端的單相流介質(zhì)。在一個實施例中，KEH 422可以與共同擁有的美國專利公開2012/0248213或共同擁有的美國專利公開2012/0186672中描述的FD裝置相同，這些專利通過引用全文并入本文。

在KEH 422之后，單相或多相流介質(zhì)通過內(nèi)部或外部通道424被引入到軸的中心并且通過一個或多個渦輪機輪426的輪的側(cè)面，該輪在本文中通常稱為轉(zhuǎn)子。下面參考圖23至33更詳細地描述根據(jù)本發(fā)明的實施例的具有兩相流輸入的示例渦輪機輪426。輪426的每段配備有一個或多個KEH 428。在利用任選KEH422的實施例中，來自KEH 422的單相排放流體流提供了被供給到輪426中的兩個熱載體中的一個，第二熱載體也以下面結(jié)合圖23至圖33詳細描述的方式被供給到輪中。在KEH 428的最后段中，以上文和下文詳細描述的方式將兩相超音速流轉(zhuǎn)換成更高壓力的反作用力，這引起輪轉(zhuǎn)動和加速。因此，高壓介質(zhì)將從噴嘴以600ft/sec至1000ft/sec的速率噴射到直接接觸冷凝器430中，從而產(chǎn)生反作用推力，并且利用耦接在軸上的發(fā)電機440使軸轉(zhuǎn)動。所產(chǎn)生的電力可以立即使用，或者存儲在電存儲設備(諸如電池)442中。

然后，可以進一步諸如在區(qū)域供暖和冷卻系統(tǒng)432中或用于家用熱水434上使用冷凝器430內(nèi)的介質(zhì)。在一個實施例中，KEH 436(諸如在美國專利公開2012/0248213或共同擁有的美國專利公開2012/0186672中公開的前述設備)可以接收來自冷凝器430的介質(zhì)和冷補充水438以生成家用熱水。

在任何熱源、低等級液體或任何壓力和溫度的氣體下操作和以高熱效率發(fā)電的輪426與旋轉(zhuǎn)KEH 428的集成有利地提供可再生的先進清潔綠色電力。該系統(tǒng)可用于建筑、工業(yè)、太陽能等廢能回收。KEH是超音速冷凝熱泵，具有使蒸汽、水或其他氣體和液體混合并加速的內(nèi)部幾何形狀，從而將流體熱能的一小部分轉(zhuǎn)換成物理推力(泵頭)，其中出口壓力比在噴嘴入口處的工作介質(zhì)的壓力高。

本發(fā)明的實施例通過基本上增加發(fā)電效率而克服現(xiàn)有系統(tǒng)的限制，如圖22所示，其呈現(xiàn)了所提出的循環(huán)與利用常規(guī)蒸汽輪機的現(xiàn)有循環(huán)的比較。

在圖22中表示為“a-b-c-d-d'”是沒有過熱的理想的蘭金(Rankine)循環(huán)。點“b”的位置由蒸汽的最大允許干燥度決定。

本發(fā)明的實施例克服了現(xiàn)有蒸汽渦輪機的限制。眾所周知，對于具有現(xiàn)代葉片的蒸汽渦輪機，所需的蒸汽干燥度應為88％至92％。在較高濕度下，不可逆損失迅速增加，并且與非平衡流動相關的葉片上的動態(tài)載荷也增加。因此，渦輪機以低內(nèi)部效率操作。因此，蒸汽渦輪機中的飽和蒸汽的膨脹受曲線X和BC限制。在示例性實施例中，膨脹過程從下邊界曲線(對應于圖22中的d'-b')開始。渦輪機運行的熱力循環(huán)對應于d'-b'-c-d-d'的輪廓。如果渦輪前面的工作流體未被加熱到飽和溫度，則工作過程將對應于線e-k-m，并且首先該設備將作為純液壓設備操作，并且在達到點‘k’的狀態(tài)之后，作為水-蒸汽設備操作。如果忽略熱容量的改變，則在T-S圖中的理想提出循環(huán)以直角三角形c-k-m-c的形式表示。熱力學分析表明，該循環(huán)的發(fā)電效率可以達到60％至70％。

本發(fā)明的實施例允許在不使用化石燃料和產(chǎn)生相關污染的情況下利用廢水或氣體發(fā)電。來自目前向環(huán)境排放的各種行業(yè)的大量廢水和氣體將成為環(huán)境凈化、可再生發(fā)電和供熱的來源。

本發(fā)明的實施例還可以用作過熱降溫器設備，將工作流與各種廢蒸汽流結(jié)合，引起相對于現(xiàn)有過熱降溫器設備的顯著能量優(yōu)點。

本發(fā)明的實施例還可以用作水冷卻器，為發(fā)電廠和各種工業(yè)預加熱水，同時發(fā)電。

本發(fā)明的實施例還可以用作用于在核電站中的緊急電力供應或冷卻的可靠發(fā)電設備。

本發(fā)明的實施例還可以用作泵，該泵附接到使用泵的功率的軸并且具有泵送代表在發(fā)電行業(yè)中使用的大部分流體的兩相液體的能力，并且在冷凝器中最小化能量損失。

在一個實施例中，低溫或高溫介質(zhì)從(但不限于)以下項接收：廢水(來自冷卻塔、冷凝器、來自工業(yè)的廢氣流和廢蒸汽的熱回收)、蒸汽、氣體、各種流體、化學品、顆?；蛩鼈兊慕M合。

本發(fā)明的實施例可用于獲得具有最小熱力學損失的綠色機械能，用于驅(qū)動發(fā)電機、泵、壓縮機、熱泵和產(chǎn)生熱能，減少排放熱到環(huán)境。

實施例還可以與產(chǎn)生作為加熱水副產(chǎn)品的電的主動力諸如蒸汽和水輪機、燃氣渦輪機和往復式發(fā)動機。

在另一些實施例中，發(fā)動機和熱交換器可以用于針對泵送和冷卻的電、加熱、冷卻、泵送、計量、混合、燃燒、清潔、深層頁巖的水力壓碎、乳液、太陽能系統(tǒng)、環(huán)境保護、化學和核反應堆應用。

在一個實施例中，當通過KEH中的反應部時，工作介質(zhì)的內(nèi)部分子鍵被破壞。在一個實施例中，工作介質(zhì)通過KEH增加了介質(zhì)排放壓力和溫度。此后，介質(zhì)通過內(nèi)部通道被引入輪的中心或者通過密封側(cè)噴嘴連接部被引入到輪的滾筒中。輪的每個分支被提供有KEH。輪開始轉(zhuǎn)動，從而增加進入輪滾筒的流體的離心力，從而產(chǎn)生滾筒的更高壓力和KEH的速度。輪分支中的工作介質(zhì)壓力上升、流體加速，進入KEH的膨脹部分中的低壓區(qū)并且劇烈沸騰。因此，以600ft/sec至1000ft/sec的速率加速以高壓和高速從KEH排出的超音速單相射流與冷凝器直接接觸，產(chǎn)生反作用推力，使單個或多個軸轉(zhuǎn)動。冷凝的蒸汽產(chǎn)生真空并且外殼低于大氣壓力，引起渦輪機中摩擦損失減少。渦輪機的輪作為泵操作，去除水以完成渦輪循環(huán)，或者向熱交換器、鍋爐、區(qū)域供暖系統(tǒng)和其他用戶供熱

在一個實施例中，通過由于從渦輪機的KEH流出的有用工作介質(zhì)的熱能和動能的多種廢氣流的最大使用而提高效率，以最小熱動力損失實現(xiàn)獲得機械能。該實施例還可以包括圍繞輪、配備有凹形或其他形狀的葉片并且通過進入殼體開口的流動而旋轉(zhuǎn)的外殼，從而提供額外的機械能。由于施加在輪上的反作用力，輪將沿相反方向旋轉(zhuǎn)?？梢酝ㄟ^施加在兩個渦輪機輪上的電負載系數(shù)來控制能量，以使得外部輪以比內(nèi)部輪低的速度旋轉(zhuǎn)。為了識別最大效率，主內(nèi)輪軸連接到發(fā)電機轉(zhuǎn)子，并且第二外輪連接到發(fā)電機定子。

本發(fā)明的實施例通過因在從KEH拋出工作介質(zhì)期間最小的能量損失而增加效率，進一步解決了在渦輪機中獲得的機械能增加的問題，并且還簡化了渦輪的構造。所描述的系統(tǒng)可以使用垂直或水平的渦輪機裝置。

本發(fā)明的實施例可以進一步與太陽能系統(tǒng)、熱泵或輔助鍋爐集成在一起以有效地生成熱、家用熱水、冷卻和電力。

本發(fā)明的實施例可以進一步用作用于凈化來自顆粒和煙中的各種液體和氣體的洗滌器。

本發(fā)明的實施例還可用作預熱器、發(fā)電廠的過熱器、鍋爐室、冷凝器、給水加熱器、壓力調(diào)節(jié)閥(PRV)和流量計。

本發(fā)明的實施例可進一步在各種化學工藝中用于分離各種組分和乳液。

本發(fā)明的實施例還可以用于離心分離器的組合，以便通過地熱流體發(fā)電和生成熱能。

本發(fā)明的實施例可以進一步用于排放控制設備的操作。

本發(fā)明的實施例還可以操作為：用于增加低壓蒸汽流的壓力的蒸汽壓縮機；用于冷卻核反應堆的兩相泵；混合反應器；用于在生成熱能的兩相混合物中產(chǎn)生氣泡的設備；太陽能啟動泵；用于冷卻供應物的膨脹器；用于發(fā)電廠操作的冷凝器；用于發(fā)電廠操作的壓縮機；煤漿反應器；煤漿反應器；乳化混合器；低污染物排放的燃燒噴嘴；脫氣器；水回收設備；煤氣化設備；以及在用于組合各種組分和乳液的各種化學工藝中操作。

現(xiàn)在參考圖23至圖32，它們示出了根據(jù)本發(fā)明的實施例的直接驅(qū)動熱動力學渦輪發(fā)電機的示例實施例，其中相同的元件編號相同。

一般來講，渦輪發(fā)電機具有構造成以第一方向(例如順時針方向)旋轉(zhuǎn)的內(nèi)輪和構造成沿與第一方向相反的第二方向(例如逆時針方向)旋轉(zhuǎn)的外輪。內(nèi)輪具有輪輻狀流體流動通道，該通道外端配備有一個或多個KEH，類似于上述KEH 20的實施例。水和蒸汽經(jīng)由靠近內(nèi)輪旋轉(zhuǎn)軸線的流動端口進入輻條狀流體流動通道，在KEH中以上述方式結(jié)合以形成單相流，并且以升高的推力從各自的KEH排出，從而使得內(nèi)輪響應于排出的單相流的經(jīng)升高推力而旋轉(zhuǎn)。外輪具有緊鄰一個或多個KEH的排出口區(qū)域的圍繞外輪內(nèi)表面分布的多個葉片、輪葉。為進一步應對撞擊在多個葉片上的一個或多個KEH的所排出單相流的升高的推力，外輪相對于內(nèi)輪的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)。內(nèi)輪和外輪分別連接到相應的軸，軸可以進一步連接到能夠產(chǎn)生機械能和/或電能的發(fā)電機、壓縮機、泵或其他設備。

在圖23的實施例中，水301和蒸汽302經(jīng)由側(cè)向密封軸承324從相對側(cè)進入渦輪機滾筒室325。之后，蒸汽和水經(jīng)由獨立輪輻狀流體流動通道318進入兩相KEH 316(類似于上述KEH 20的實施例)。KEH排放沖擊外輪322的周圍葉片的單相流體。反作用力引起外輪322在主渦輪機(即，內(nèi)輪)的相反方向上的旋轉(zhuǎn)。所得的加熱的排放水在箱309的底部被收集并經(jīng)由管道310供應到客戶的加熱系統(tǒng)。在一個實施例中，軸313連接到能夠產(chǎn)生機械能和/或電能的發(fā)電機、壓縮機、泵或其他設備。渦輪機位于外殼317中。滾筒325通過側(cè)向密封軸承324與流體源互連。

在圖24的實施例中，水和蒸汽通過滾筒密封軸承303進入內(nèi)輪，進入外殼304。外殼304配備有穩(wěn)定支架和肋部305。外輪307通過連接法蘭315耦接到定子311。在一個實施例中，外輪307配備有改進的佩爾頓(Pelton)葉片308。所得的經(jīng)加熱排放液體收集在罐309中，并且經(jīng)由管道310供應到加熱系統(tǒng)。發(fā)電機312由轉(zhuǎn)子314、定子311和軸313構成。渦輪機內(nèi)輪318配備有兩相KEH 316(類似于上述KEH 20的實施例)。由內(nèi)輪和外輪構成的渦輪機位于外殼317中。

在類似于圖24的圖25的實施例中，外輪307是靜止的，而軸312被構造成驅(qū)動能夠生成機械和/或電能的發(fā)電機、壓縮機、泵或其他設備。

在圖26的實施例(類似于圖24的實施例)中，渦輪機輪的旋轉(zhuǎn)軸線相對于水平方向豎直地定向，其中發(fā)電機的旋轉(zhuǎn)軸線也是豎直定向。

圖27的實施例類似于圖25的實施例，但是其中靜止外輪307具有改進的佩爾頓葉片308。

在圖28的實施例(其也類似于圖25的實施例)，外輪307構造成旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動耦接到連接法蘭315的壓縮機、泵或其他機械設備，而內(nèi)輪318被構造成旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動聯(lián)接到軸313的另一個壓縮機、泵或其他機械設備。

在圖29的前視圖實施例中，更清楚地示出內(nèi)輪323配備有多個切向兩相KEH 321，其具有設置成沖擊外輪322的葉片的相應排出口流動流。

圖30的正視圖實施例類似于圖25的實施例，但是其中收集箱309的底部安裝有用于加熱建筑物用水的管狀熱交換器323。

圖31的實施例類似于圖25的實施例，但是外輪配備有具有不同形狀的反射葉片。

圖32的實施例類似于圖23的實施例，但具有與渦輪機的密封軸承耦接的蒸汽302的中心供應源。供水件301具有側(cè)向密封軸承324和直接驅(qū)動軸313。

圖33A、圖33B和圖33C的實施例示出了渦輪機的各種設計構造。

圖34的實施例描繪了供給渦輪機的各種熱源，包括太陽能熱量340、儲箱341、化石燃料鍋爐342和蒸汽系統(tǒng)，并且還描繪了終端用戶：電、加熱和空調(diào)系統(tǒng)。

圖35的實施例描述了經(jīng)由兩相噴嘴、渦旋式脫氣器、過程控制泵和板框式熱交換器供應蒸汽的間接熱水系統(tǒng)。

上述跨音速兩相反動渦輪機的實施例可操作以通過因最大使用從渦輪機的動能收集器流出的有用工作介質(zhì)的熱能和動能的多種廢物流而增加效率從而獲得以最小熱動能損失實現(xiàn)的機械能量。

上述跨音速兩相反動渦輪機的實施例可操作以通過因最小化來自KEH的工作介質(zhì)拋出期間能量損失而增加效率從而解決在渦輪機中獲得的機械能增加的問題，并且也簡化了渦輪機的構造。

從上文可以看出，本發(fā)明的范圍不限于一個特定實施例，而是涵蓋落入權利要求的范圍內(nèi)的所有實施例。

雖然已經(jīng)結(jié)合有限數(shù)量的實施例詳細描述了本發(fā)明，但是應當容易理解，本發(fā)明不限于這些公開的實施例。相反，可以修改本發(fā)明以結(jié)合此前未描述但與本發(fā)明的精神和范圍相稱的任何數(shù)量的變型、改變、替換或等同布置。另外，雖然已經(jīng)描述了本發(fā)明的各種實施例，但是應當理解，本發(fā)明的方面可以僅包括所描述實施例中的一些。因此，本發(fā)明不被視為受前述說明的限制，而是僅由所附權利要求的范圍限制。