改进的涡流发动机的制作方法

专利名称：改进的涡流发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及电能行业并用于获取当通过大气对流以向上输送热量 时所产生的能量。本发明涉及可再生能，特别是太阳能烟自。本发明涉 及废弃热量处理行业，尤其是冷却塔和翅扇式冷却器行业。本发明涉及气象学领域并涉及类似于自然龙巻风的涡流的生产。本发明能够产生降 水并减轻全球变暖。
AVE2-背景技术-现有技术的回顾
输入到电厂的超过一半以上的热能作为低温废弃热量而浪费掉了。 废弃热量处理是电力生产中很昂贵的一部分。冷却选择包括一次性将热 量废弃为水体，并将热量再循环到大气之中。 一次性冷却仅仅在大的水 体是可用的且回收的热水不被环境排斥的情况下是实用的。冷却塔和翅 扇式冷却器通常用于大气中废弃热量的处理。将废弃热量传递到大气中 的最常用的设备是湿冷却塔。有两种主要类型的湿冷却塔自然通风冷 却塔和机械通风冷却塔。自然通风冷却塔设置在最大结构的建筑物中并 且造价很高。自然通风冷却塔高达200m。机械通风冷却塔比自然通风 冷却塔造价便宜，但是需要风扇来循环穿过滴落的水的空气，也需要电 能来驱动风扇。电厂产生的电能中高达1%的部分被消耗用于驱动冷却 塔风扇。本发明将自然通风冷却塔的物理组套替代为消除了双曲线型组 套和风扇动力需求的涡流。
太阳能烟自是一种获取在向上热对流期间产生的能量的太阳能发 动机。太阳能烟囱需要有非常大面积的太阳能收集器环绕的非常高的物 理烟囱。本发明将物理烟自替换为涡流，并通过利用废弃的工业热量、 热湿空气或者热海水作为其热源而消除了对太阳能收集器的需求。
人￥￡2-背景技术-目的和优点
涡流发动机是对常规废弃热量处理系统的重要改进。本发明用于 将常规冷却塔替代为高级装置。本发明通过获取在大气中向上输送废弃 热量时所产生的机械能来增加热电厂的输出。此外，本发明通过降低冷 却水的温度来增加热电厂的输出。本发明用于产生降水、降低表面温度、 减少暴风雨的不稳定性和严重性、通过清洗或提升表面空气来减少污 染、或者通过加速向上热量传输和减少矿物燃料的消耗来緩解全球变 暖。
本发明在高日晒率和低风速的期间内产生其最大动力。当常规风能 不可用时，其最大动力的产生期间与高电载荷期间和低风速期间相对 应。湿冷却塔为大型的水体消费者，这是因为，冷却是通过蒸发一小部分在冷却塔中循环的水来实现的。水源的匮乏迫使某些热电厂使用效率 较低且造价较高的干冷却塔。对于常规的湿冷却塔，向上的热对流和相 关联的降水远离冷却塔发生，并不有助于局部降雨。涡流冷却塔可在局 部流域产生降水，因而补偿冷却塔中蒸发的水。
AVE2-

发明内容
大气涡流发动机利用类似龙巻风的涡流来获得当在大气中通过对 流向上输送热量时所产生的机械能。涡流是通过允许空气在垂直轴圆筒 壁的基部切向进入而产生的。圆筒壁内形成涡流的空间称之为"工作 区"。进入工作区的空气可具有自然热焓，并可在位于切向入口的上游 和圃筒壁外侧的外围热交换器中被加热，或者可通过位于圆筒壁周围的 太阳能收集器中的太阳辐射被加热。用于外围热交换器的热源可以是废 弃的工业热量或热海水。涡流可以^_用多种装置来启动，其中包括使 用燃料或蒸汽加热工作区中的空气，使用蒸汽喷嘴将空气带入切向入口 同时增加空气的温度和蒸汽含量，或者通过经由具有强制通风的风扇的 切向入口将空气推入工作区。 一旦涡流已经形成，启动装置可以停止。 机械能通过位于切向入口上游的涡轮发电机被获取。本发明经济地将废 弃热量处理为有价值的能源。
a)冷却塔
热交换器可以为工业中所使用的多种热交换器类型的任何类型。 优选热交换器装置为交叉流动湿冷却塔。热交换器的可选种类包括其 他种类的湿冷却塔、干冷却塔、翅管冷却器和直接蒸汽冷凝器。本发明 可结合现有技术冷却塔行业发明的任何发明。冷却塔所公知的特征因此 在本说明书中不再具体描述。给定热负荷，冷却企业可以设计适合的冷 却塔。
冷却塔的通常目的是降低水或其他流体的温度。通常为水的过程 流体通过将过程流体的热量传递到大气中来冷却。冷却塔是在减少所要 冷却的流体的热焓的同时增加空气的热焓的热交换器。热交换器将焓从 水传递到空气中；水中焓的减少等于空气中焓的增加。冷却塔是水冷却 器，也是空气加湿加热器。在冷却塔行业中，冷却塔的主要目的是冷却 过程流体。在大气涡流发动机中，冷却塔的主要目的是加热空气。术语 "冷却塔"的保留是因为它广泛应用于工业中。本说明书中在适用的情况下采用标准冷却塔术语。"冷却单元，，是冷却塔的最小部分，它可用
作关于空气和水流动的独立单元。"冷却单元，，包括单元填充物、漂 浮物清除器、气窗、热水和冷水池、和相关风扇。"涡流发动机扇形体" 是冷却单元和不位于冷却单元内的相关设备，诸如涡轮发电机、切向 进口管、和相关流动限制器。
可替代地，用于加热空气的装置可以是覆盖有同太阳能烟囱的太阳 能收集器相同的透明顶篷的太阳能热量收集器。太阳能热量收集器位于 圆筒壁周围。周围空气可进入太阳能收集器的开口外部边缘。加热的空 气离开太阳能收集器的内部边缘并通过切向入口进入圆筒壁。涡流发动 机的圆筒壁保护太阳能收集器免于涡流的损害。可替代地，太阳能收集 器为太阳能池，太阳能加热的水从太阳能池抽送到冷却单元以将热量从 水传递到空气中。
b)膨胀器
气体在其内部膨胀以产生功的装置通常称为膨胀器。膨胀器的类 型包括涡轮机和正位移活塞。涡轮机可具有轴向流动或径向流动。轴 向流动涡轮机为更加常用的类型。给定空气流和压力差，膨胀器企业可 以设计合适的膨胀器。涡轮发电机可以与任何现有技术中的涡轮发电机 行业发明相结合。术语膨胀器、涡轮膨胀器、膨胀涡轮机和涡轮机将可 以互换地使用。涡轮发电机是附有发电机的涡轮机。理想化的膨胀器具 有100%的效率，并且它的输出熵等于它的输入熵。现实中的膨胀器具 有80%到卯％的效率，其输出熵稍微高于输入熵。效率降低与熵的增 加相关联。
优选膨胀器为轴向涡轮机。存在两种类型的轴向涡轮机
具有进口喷嘴和与燃气轮机的膨胀部分的最后几段相同的固定节 距旋转叶片的涡轮机。在涡流发动机中，燃气轮机的压缩机部分是不需 要的。空气流通过覆盖和打开固定入口喷嘴被控制。膨胀器不需要耐受 燃气轮机中所遇到的高温。在涡轮机压差适当地超过lkPa的情况下， 具有入口喷嘴的涡轮机为优选膨胀器。在涡轮机压差超过5kPa的情况 下，多于一个段是适合的。没有入口喷嘴而具有与直升机转子类似的可 变节距叶片的涡轮机。没有入口喷嘴，并且空气流通过改变叶片节距和 电载荷被控制。在低于大约lkPa的压差下，没有入口喷嘴的涡轮机可以是优选的。
具有和没有入口喷嘴的涡轮机都具有显著高于常规的风力涡轮机 的压差。转子叶片的每单元面积所产生的机械能同压差一起增加。具有 给定机械能额定值的涡流发动机涡轮机的直径要比具有相同额定值的 常规风力涡轮机的直径小很多。通过将发电机用作马达，没有入口喷嘴 的涡轮机可以充当风扇。具有入口喷嘴的涡轮机不能用作风扇。 一旦涡 流形成，用于启动涡流的强制通风风扇可变为涡轮机。
AVE2的特定改进将在给出和描述新附图之后在新元件部分中进 行描述。
AVE2-附图i兌明
当结合以下附图考虑优选实施例的以下详细描述时，会获得对本 发明更好的理解，其中
图7是具有切向进口管的大气涡流发动机的平面图。
图8是具有切向进口管的大气涡流发动机的正视图。
图9是在塔的入口处具有强制通风的风扇的圃形冷却塔的平面图。


图10是在塔的入口处具有强制通风的风扇的圆形冷却塔的正视图。
图11是可在涡流或非涡流模式下操作的圆形冷却塔的平面图。 图12是可在涡流或非涡流模式下操作的圆形冷却塔的正视图。 图13是具有不间断的前表面和圆形冷却水通道的涡流发动机的平面图。
图14是冷却单元的断面图。 图15是具有升高的地板的涡流冷却塔的平面图。 图16是具有升高的地板的涡流冷却塔的断面图。 AVE2附图标记-图7和8401冷却单元
403工作区地板
404工作区
405圆筒壁
406环形环间空气进口
407热水入口
408冷却水出口
411涡轮发电机(输出到冷却单元)412强制通风的风扇(可任选)
415涡轮发电机(可任选)(输出到切向进口管)
421线性切向进口管
422切向进口管限制器
423反循环空气进口
426蒸汽喷嘴
431用于中间半径地板切向空气进口的地下气道(直接) 432气道弯曲出口 433气道蒸汽喷射器
434用于中间半径地板切向空气进口的地下气道(间接)
435地下空气通道
441圆形地下室
442圆形室顶篷
445圆形室顶篷开口
451汇聚顶篷AVE2附图标记-图9和10 301冷却单元 304工作区 305圆筒壁 325径向空气进口 326强制通风的风扇 340汇聚顶篷 342汇聚顶篷开口 346组套 350冷却水池 351泵井
352冷却水平衡管路
AVE2附图标i己-图11和12 501冷却单元 505圆筒壁
521线性切向进口空气管
525径向或反向旋转空气进口
526强制通风的风扇或者涡轮发电机
540汇聚顶篷
541汇聚顶篷开口
550冷却水池
551泵井552水平衡线路
AVE2附图标记-图13 702圆筒壁
704冷却塔不间断的前部 706冷却单元 712涡轮发电机 714线性切向进口管 716汇聚顶篷 718汇聚顶篷开口 732热水入口管路 734地下冷却水管路 736圆形冷却水通道 738冷却水泵井
AVE2附图标记-图14 802圆筒壁 804冷却单元 805冷却单元空气入口壁 806冷却空气出口壁 807冷却单元亚大气封闭件 810热水入口管路 812暖水分配盘 813交叉流动喷嘴814冷却塔填充物 816气窗
818漂浮物清除器 820冷却水排出管路 822冷却水密封口 824圆形冷却水通道 826冷却水泵 828泵马达 830冷却水管路 840外部基准面 842工作区地板 850涡轮膨胀器 852发电机 854折流板 856线性切向进口管 858汇聚顶篷
AVE2附图标记-图15和16 901冷却单元 902基准面基部 903升高的地板 卯4工作区 卯5圆筒壁906地下气室
卯7暖水入口
908冷却水出口
911涡轮发电才几
916地下空气进口限制器
917圆形室进口外围壁或导向环
921线性切向进口管
925蒸汽喷嘴
932中间半径地板切向空气进口
941圃形中间室
942圆形室顶篷
945圆形室顶篷开口
951汇聚顶篷
952环形环
953环间空气进口
955汇聚顶篷开口
描述-图7和8
图7和8表示了具有主要切向进口管421的大型大气涡流发动机 的平面图和正视图，该主要切向进口管位于圆筒壁405的内侧。整个系 统被称之为"工作站"，圆筒壁405内的体积被称之为"工作区"404。 圆筒壁为正20边形。热交换器是单侧交叉流动湿冷却塔，该冷却塔由 10个冷却单元401组成。每个冷却单元401具有进入工作区404的线性 切向进口管421。每个线性切向进口管421可具有空气入口流动限制器 422，巻吸蒸汽喷嘴426,和出口整流叶片425。每个冷却单元401具有入口涡轮发电机411,并且可具有入口强制 通风的风扇412。另外的涡轮发电机415寸以直接在切向进口管421中 放电，而无需经过冷却单元401。使用蒸汽喷嘴426在切向进口管421 中喷射蒸汽是启动涡流的优选方法。替代的涡流启动装置包括:位于冷 却单元入口中的强制通风的风扇412，或者使用燃料或蒸汽加热工作区 404中的空气。冷却单元401在亚大气压力下工作，这是因为，空气出 口经由线性切向进口管421连接于涡流的基部，并且位于涡流基部的压 力小于周围压力。贴近于工作区地板403的空气层充当通道，这是因为 在该层中摩擦力减少了切向速度，并且不存在较高水平的类似切向速度 减少。也可以具有摩擦力增强装置，包括工作区地板403上的小凸起、 粗糙的表面、或者摩擦翼。在工作区地板403的中心也可以具有与图4 所示的隆起85相似的隆起，以协助保持工作区404中心的涡流的基部。 冷却单元401中的空气速度由位于冷却单元401入口的可以是涡轮机 411的一部分的限制物限制并且由位于冷却单元401出口的线性切向进 口管421中的限制器422限制，用以防止过大的速度损害图14所示的 冷却单元填充物814。穿过填充物的空气速度限制为约3m/s。
圆筒壁405直径为200m，高为100m。为了清楚，可以减少冷却 单元的数量，如图7所示的10个。200m直径的大气涡流发动机可以具 有40个单元，每个单元具有5MW的涡轮机411，用以200MW的电能 产生。
工作区404上方是具有中心开口 455的汇聚顶篷451。在工作站的 中心具有圆形地下室441;地下室包括具有可调整开口 445的顶篷442。 线性切向进口管421是进入工作区404的主要空气进口 ，反向旋转空气 进口 423可以用于以反向旋转将空气带入工作区404。通过关闭在主要 切向空气进口 421中的限制器422和打开反向空气进口 423，可减少或 者反向工作区中空气的循环。
涡流发动机中的空气旋转可以是顺时针的也可以是逆时针的。由 主要切向进口 421产生的旋转方向称之为直接旋转。由反向空气进口 423产生的旋转方向称之为间接旋转。在图中，直接旋转已经显示为逆 时针方向；因而间接旋转为顺时针方向。在北半球逆时针旋转为气旋的， 而顺时针旋转为反气旋的。涡流发动机中的直接旋转可以是气旋的也可 以是反气旋的；优先于其他而使用一个方向可能具有优点，但是两个方向都可以工作。
地下气道431和434可以用于使空气以减小的半径穿过工作站地 板403切向进入。地下气道431和434可具有弯曲的逐渐上升的端部432 或者可切向进入圆形地下室441。直接旋转的地下气道431用于帮助形 成涡流并可具有蒸汽喷射器。逆向旋转的地下气道434用于停止涡流并 且没有蒸汽喷射器。来自冷却单元401的周围空气或暖湿空气可经由通 道435被送至地下圆形室441。图中只示出了一条通道435;可以具有 多个通道。通道435可以如图所示切向进入圆形室441，也可以径向进 入。当升高地板时，如图16所示，气道431和434以及通道435可不 必位于地下。此处，不管地板是否升高，术语"地板之下"都是用于指 示位于地板下面的通道、隔墙、部件等等。
冷却单元401为交叉流动湿塔。冷却单元是一种热交换器。冷却 单元401具有热水入口 407和冷却水出口 408。在图13和图14中更详 细地描述了水流动。
过渡环452抑制周围空气沿着圆筒壁405的内侧向下被向下巻吸， 为了简便，只示出了其中的一个过渡环。不旋转的周围空气的巻吸能够 减小涡流转动。位于在环之间的过渡区域中的环间空气进口 406允许以 适当的切向速度引入空气。环间空气进口 406可具有限制器和蒸汽喷射 器。
操作-图7和8
在使用时，涡流发动机可以通过一个或多个冷却扇形体来工作。 在使用中，通过以仅仅少数扇形体形成涡流，可以启动涡流发动机。还 有很多使涡流发动机进入工作状态的替代方法。涡流发动机可以具有遥 控室，该遥控室具有能够监视多个程序参数并操控阀和限制器的精密控 制系统。为了启动，不使用的单元上的空气入口和出口将被关闭，通向 不使用的单元的水流也被关闭。涡流通过具有水的图4所示的装填池55 或者图13所示的冷却水通道736来启动，可能通过启动冷却单元其中 之一泵送暖水。穿过启动单元的气流是通过在它们的切向进口管421内 喷射蒸汽来启动的。可替代地，气流可以通过使用强制通风的风扇412 或者使用地下中间切向空气进口 431来启动。蒸汽的质量和数量通过使 用蒸汽阀和过热降温器水阀来控制。在工作站中心，在冷却单元内和其他位置上，可以监视压力。可以通过摄像机来观测涡流。
涡流的形成需要启动时间。 一旦涡流形成，需要快速限制气流以 防止损坏单元填充物。接着，在单元入口上的涡轮发电机被启动并加载。 每个冷却单元中的气流通过位于单元进口或者切向进口管中的流量计 来检测。通向每个冷却单元的水流和进入和离开单元的水温将被监视。 一旦涡流形成，通过首先形成穿过单元的水流并随后形成穿过单元的空 气流，可使另外的冷却单元进入工作状态。
监视在涡流基部减少的压力，并且在冷却单元入口涡轮机或者在 切向进口管限制气流，以便将涡流保持在所需的强度。通过减少直接空 气流并且在必要时打开反向空气流来停止涡流。
描述图9和10
图9和IO表示了具有四个冷却单元301的交叉流动圆形冷却塔 的平面图和正视图。这些图是用于四个小的单元冷却塔；工作区304的 内部直径可达50m。圓筒壁305具有八边形的形状。大型强制通风的圆 形冷却塔具有更多的冷却单元301,并且也具有更近似圆的形状。术语 "圆形"应该解释为"非线性"和非"严格地圆形"。工作区304为圓 筒壁305内的体积。
在每个单元的空气入口上的强制通风的风扇326穿过单元填充物 推动空气；暖空气经由径向进口 325进入工作区304。位于径向空气进 口 325之上的汇聚顶篷340在其中心具有圆形开口 342。工作区304(即 汇聚顶篷340下方的体积)形成集合管，来自多个径向进口 325的空气 在通过公共组套346离开之前在该集合管中聚集在一起。冷却水池350 位与每个单元301的下方。该冷却水泵位于冷却塔水池350中的两个的 延伸部分351中。冷却水池350通过地下平衡线路352连接。
中心开口 342上方的组套346可具有渐收和渐扩的部分。组套 346可支撑在薄的支柱上。实体组套346延伸得足够高以减少成雾和再 循环。喷嘴中的暖空气的浮力减少了将空气推过冷却塔所需的能量。一 旦流动已经形成，借助足够高的组套可以关闭强制通风的风扇326。物 理组套346可以是在上端部具有受限制的开口的织物管。
操作-图9和10圆形冷却塔的操作同常规交叉流动强制冷却塔的操作相同。不必
所有单元301都处于工作状态。没有运行的单元301可通过位于强制通 风的风扇326的入口中或者位于径向进口 325中的挡板被隔离。通过首 先形成暖水流并随后形成空气流来启动圃形冷却塔。单元301在接近于 大气压力的状态下操作，并且暖水分配盘无需设置在单元内部。通向单 个单元的水流通过阀来调整。通过操纵强制通风的风扇的速度或节距可 监视和控制单个单元处的水温和气流。
描述-图11和12
图11和12表示了能够在涡流或者非涡流模式下操作的强制通风 圆形冷却塔的平面图和正视图。强制通风的风扇526将空气推过冷却单 元501并向上通过工作区顶篷540中的开口 541。圆筒壁505比图10 所示的圆筒壁305延伸得更高；不需要图10所示的组套346。
通过打开切向进口 521和关闭径向进口 525，圆形冷却塔能够从 非涡流模式切换到涡流模式。切向进口 521和径向进口 525具有限制器。 限制器可以是旋转叶片。切向进口 521中的旋转叶片可以绕着水平轴线 沿向反方向旋转。径向进口 525中的旋转叶片可以绕着垂直轴线沿着相 同方向旋转，以允许工作区中的空气以径向或反向旋转的方式进入。替 代地，当不需要在非涡流工作模式下工作时，径向进口 525可以通过可 移动的面板来关闭。当形成涡流模式时，强制通风的风扇526的入口处 和切向进口管521处的限制器防止气流变得太大。
在每个单元501的下方具有冷却水池550。冷却水泵位于冷却塔 水池中的两个的池延伸部分551中。冷却水池由地下平衡线路552连接。
操作-图11和12
这种圆形冷却塔可以设计为单模式操作或者双模式操作。在单模 式操作模式中，不论是径向进口 525还是切向空气进口 521，只要是未 使用的空气进口，都通过可移动的面板来关闭。如果拥有者不想在涡流 模式下操作，非涡流模式可以作为备用。非涡流模式的操作将类似于图 9和10所示的非涡流圆形冷却塔的操作。涡流模式的操作将类似于图7 和图8所示的涡流冷却塔的操作。
在双模式中，通过渐渐关闭具有绕着垂直轴旋转的叶片的径向进口 525和渐渐打开具有旋转叶片的切向进口 521，模式可从非涡流模式 切换到涡流模式。在过渡期间，可能有必要减少 一些单元501中的流量。
描述-图13
图13表示了涡流冷却塔的平面图，其中空气入口不由冷却单元 之间的间隙中断。涡流发动机冷却塔具有不间断的前部表面704。在图 7和11中，多边圆筒壁的每一个第二侧都具有冷却单元。在图13中， 多边形的每一侧都具有冷却单元。冷却单元之间间隙的不存在降低了冷 却塔的造价。具有不间断的表面和在多边形的每一侧上具有冷却单元对 于圆形冷却塔来说具有经济上的优点。
周围的空气通过涡轮机712进入冷却单元706。暖空气经由线性 切向进口管714进入圃筒壁702。圆筒壁702内的区域具有汇聚顶篷716， 在汇聚顶篷中心具有圆形开口 718。暖水经由暖水入口管732进入冷却 单元的顶部。来自位于冷却单元下方的冷却水收集器的冷却水经由地下 冷却水管路734排入开口圆形通道736。冷却水流入泵井738，由此， 在经由暖7jc入口管路732返回到冷却塔706之前，该冷却7jc抽送穿过过 程冷却器。圆形冷却水通道736是位于冷却单元下方的图4所示的冷却 水池55的一种替换。圓形水通道736便于脱离冷却单元706使用位于 井738中的共享冷却水泵。
操作-图13
图13所示的冷却塔的操作同图7和8所示的冷却塔的操作相同。 描述-图14
图14表示了冷却单元804的侧视图。冷却单元804邻接圆筒壁 802的外侧。冷却单元804具有亚大气封闭件807。周围的空气通过驱 动发电机852的涡轮机850进入冷却单元。有孔的折流板854跨越单元 填充物814的表面均匀分配空气。空气水平流过填充物814;通过漂浮 物清除器818从暖空气分离巻吸的液体。填充物814朝内部倾斜以对应 于落下的水上的空气的拉回效果。入口气窗816将没有被空气流充分拉 回的水向着填充物814带回。暖空气经由切向进口 856进入工作区。汇 聚顶篷858迫使暖空气在其可以上升之前汇聚。冷却单元804具有空气入口壁805和空气出口壁806。圆筒壁802 的外侧用作冷却单元804的出口壁806。线性切向进口管856位于圆筒 壁802的内侧。圆筒壁802的内侧用作切向进口管856的外侧壁。冷却 单元804的空气出口通过圆筒壁802中的开口直接连接于线性切向进口 管856的空气入口。切向进口管856平行于多边形圆筒壁802的侧面， 该侧面邻近相关冷却单元804沿其邻接的侧面。
暖水经由暖水管路810进入冷却单元804。之后，暖水进入暖水 分配盘812。暖水分配盘812类似于常规交叉流动冷却塔中的暖水分配 盘。暖水分配盘812在其底部具有大量的交叉流动喷嘴813。交叉流动 喷嘴813广泛地应用于交叉流动冷却塔。平均每个暖水分配盘上可具有 超过一千个的交叉流动喷嘴。交叉流动喷嘴813位于约为30cm间隔的 栅格上。交叉流动喷嘴813可具有1到2cm的内部直径，并且在喷嘴的 下游具有内置的目标以将水喷出为微小液滴。分配盘812中的水位可以 为2-20cm。交叉流动喷嘴813的流量取决于在交叉流动喷嘴813入口 和交叉流动喷嘴813的出口之间的压力差。交叉流动喷嘴813的压力差 受到分配盘中的水位和分配盘812的顶部和底部之间的压力差的影响。 暖水分配盘812必须位于亚大气封闭件807的内部，以确保暖水分配盘 812的顶部和底部的压力相同，并确保冷却单元804压力不影响穿过交 叉流动分配喷嘴813的暖水流。如果在暖水分配盘812的顶部和底部上 具有相同的压力，影响水穿过交叉流动喷嘴813的唯一因素是暖水盘 812中的水的高度。
在母案申请AVE1的图4中，暖水分配盘53位于亚大气压力封 闭件23的外侧。当周围压力通常为100kPa时，冷却单元61中的压力 可在80kPa到100kPa之间变化。在分配盘位于亚大气封闭件61的外 部的情况下，在交叉流动喷嘴813流动上的冷却单元压力的小变动的效 果可大于分配盘53中的水位的小变动的效果。基于此，暖水分配盘812 必须设置在冷却单元804内。将暖水分配盘安装在冷却单元804中确保 了交叉流动喷嘴813的流动仅仅是分配盘812中的水位的函数，并确保 交叉流动喷嘴中的流动独立于冷却单元804的压力。
冷却水自冷却单元804的底部的收集区域经过排出管路820排出， 并流向开口冷却水通道824。冷却水通道824的水位比冷却水管路820 的顶部高约l米。冷却水通道824中的水位形成密封822，该密封防止周围空气经由冷却水排出管路820进入冷却单元。排出管路820中的水 位比冷却水通道824的水位稍微高些，这是因为，冷却单元中的压力为 亚大气压力。工作区842的地板的高度接近基准面840。通道824中的 水位保持在基准面840下方数米处，并在排出管路822的顶部之上大约 一米处。由马达828驱动的冷却水泵826通过管路830循环冷却水。冷 却系统的冷却水主要保持在圆形冷却水通道824及其图13所示的泵井 中。
操作画图14
图14所示的塔的操作与图7和8所示的塔的操作是相同的。
描述-图15和16
图15和16表示了具有升高的地板903的涡流冷却塔的平面图和 正面图。地下气室卯6可替代图7和8中的地下气道431用于在中间半 径处切向引导启动空气或者替代图7和8中的地下通道435将空气引导 到涡流中心。地下气室卯6可分成具有径向壁的隔室，或者可以为除支 撑柱之外的敞开空间。图15和16表示了 AVE2的优选实施例。
垂直轴圆筒壁905具有多边形的形状。工作站具有多个单侧交叉 流动湿冷却单元901。每个冷却单元具有进入工作区卯4的切向进口管 921。切向进口管921具有可调整的入口流动限制器922、巻吸蒸汽喷嘴 925、以及可具有未示出的出口整流叶片。每个冷却单元具有入口涡轮 发电机911，并且可具有未示出的入口强制通风的风扇。
圆筒壁直径可以为200m高可以为100m。 200m直径的大气涡流 发动机可具有40个单元，并且每个单元可具有5MW的涡轮发电机911 ， 用以产生200MW的总电能。
工作区卯4之上存在具有中心开口 955的汇聚顶篷951。切向进 口管921是进入工作区904的主空气进口。工作区卯4内的空气循环可 通过关闭主要限制器922和打开反向限制器927来减少。升高的地板903 中的中间半径空气进口 932可用于使空气从气室卯6以减少的半径切向 进入工作区904。中间半径切向进口 932可具有直接旋转以帮助形成涡 流或者可具有反向旋转以帮助停止涡流。直接旋转的中间半径进口可具 有蒸汽喷射器。位于工作站中心的地下圃形室941包括具有圃形开口 945的顶篷 942。开口 945可具有可调整的直径。来自冷却单元的暖湿空气可经由 限制器916被送至地下气室卯6。周围空气也可被送至地板开口 945而 无需经由未示出的地下气室卯6穿过冷却单元卯l。周围空气可穿过位 于气室卯6上游的涡轮机。在气室卯6和圆形室941之间可存在具有空 气进口的外围壁917。替代地，外围壁917可为允许径向或切向导入空 气的可调整的限制器的环。替代地，外围壁917可省去。
冷却单元901具有暖水入口 907和冷却水出口 908。在图13和图 14的说明中更详细地描述了水流。
过渡环952禁止周围空气沿着圓筒壁的内侧被向下巻吸。位于汇 聚顶篷951和过渡环952之间的过渡区域中的环间空气进口 953允许以 适当的切向速度引入空气。环间空气进口 953可具有限制器和蒸汽喷嘴。
AVE2-新元件
AVE1已经描述了普通的涡流发动机。AVE2描述了对原发明的 改进和元件的新组合。该AVE2新元件部分描述了 AVE2的新特征。
(a)线性切向进口管
图15的线性切向进口管921相对于图1的切向进口偏转器103 是改进的。借助管比借助偏转器使得工作区中的空气进入角度可更接近 切向方向。借助偏转器获得尽可能切向的进入，每个冷却单元需要大量 的偏转器叶片。而对于线性进口管方法，每个冷却单元仅需要一个管。 对于偏转器方法，每个冷却单元需要大量的叶片。必须为每个偏转器复 制诸如图15的蒸汽喷口 925和限制器922的附件，而使用线性切向进 口管时每个冷却单元只需要一份附件。
线性切向进口管位于圆筒壁的内侧。多边形圆筒壁的直边允许具 有直的进口管。管沿着多边形的内侧定位。热交换器的空气出口经由圆 筒壁上的开口直接连接至线性切向进口管的空气入口。
内部线性切向进口管布置具有如下优点1. 使进口角度可能更接近切向方向。
2. 需要大量偏转器叶片才能达到与单个线性切向进口管可达到的效果 相同的切向进入效果。
3. 将切向进口管定位在圆筒壁的内侧，而将冷却单元定位于圆筒壁的 外侧，这最小化管的长度和造价。
4. 多边形圆筒壁允许使用直的切向进口管。
5. 限制器可以设置在入口管的内部。
6. 可以具有多于一个用于阻塞管的装置以确保流入工作区的空气流能 够在紧急情况下被切断以停止涡流。
7. 蒸汽可被喷入管中以巻吸和加热空气，因而启动涡流。
8. 进入工作区的空气中的紊流可以通过在管中设置整流叶片或者多孔 筛网来减少。
9. 进入工作区的空气的速度可以通过调整管的横截面积来操控。
10. 无须停止涡流，而只需关闭管就可维修管上游的设备，即冷却塔和 涡轮机。
11. 工作区中的空气循环可以通过关闭经由切向进口管的直接进入空气 进口和通过打开反循环的空气进口而反向。
12. 切向进口管可分为上部和下部，其中，下部用于恰好在地板水平面 上方附近带入空气，而上部用于在较高的水平面上带入空气。
13. 通过关闭切向进口和打开径向进口 ，本发明可在非涡流模式下工作。
(b)地板中心开口
在工作区地板的中心上可具有圆形开口 ，由此空气可被输送到涡 流的中心。开口的直径可以是可调整的。周围空气或来自冷却单元的暖 空气可经由地下通道或经由升高的地板下面的气室被输送到中心地板 开口 。经由中心空气进口进入涡流的空气的量可通过限制器控制。(C)地下圓形室
在地板中心开口下方可具有圆形室。在圆形室的外围周围可具有 环形布置的多个偏转器，由此可控制空气的切向速度。因而，空气可径 向或切向地进入圆形室。允许空气径向进入涡流的中心消除了离心力， 因而增加涡轮机压差和机械能产生。
在AVE1中，工作区中的空气进入的角度通过调整偏转器朝向或 者选择具有适当朝向的偏转器来控制。在AVE1中，经由上部偏转器进 入工作区的空气可以比通过下部偏转器进入工作区的空气具有更加切 向的进入角度。在AVE2中，进入工作区的空气的切向速度通过使用切 向进口管而最大化。在AVE1和AVE2中，恰好在地板上方的空气的切 向速度可通过表面粗糙度或者表面摩擦翼被表面摩擦减小。在AVE2中， 位于较低进入平面的空气的切向速度可通过经由地板中心开口将空气 送入涡流中心而被消除。在AVE2中，通过改变切向进口管和中心地板 开口之间的流体分布来控制切向速度剖面。
(d)升高的地板
称之为地板的涡流下方的表面在对流涡流中是非常重要的元件， 这是因为，与较高的高度处相比，靠近地板区域处切向速度由于摩擦力 减小得更多。在更高高度处，水平压力梯度由离心力平衡。靠近地板的 减小的离心力使空气在靠近地板处比较高区域更容易汇聚。结果，空气 汇聚主要发生在靠近地板的层上。汇聚可通过增加地板表面的粗糙度或 者通过提供诸如粗糙表面、摩擦翼或地板上的小凸起的摩擦增强装置来 得到增强。涡流发动机的地板可以位于基准面，如图8所示的地板403， 或者可以升高，如图16所示的地板903。
升高的地板具有如下优点
1. 进入工作区的空气优选地来自冷却单元的上部，在这里空气是最热 的。
2. 来自冷却单元顶部的空气必须行进以到达涡流地板的向下距离减小。
3. 用来提供导向叶片以防止空气优选地从冷却单元的底部被取得的需 要减少了。4. 升高的地板下方的区域可以用作气室以便将空气输送到中间室。
5. 通过关闭切向进口管和打开冷却单元和地下气室之间的可调整限制 器，来自冷却单元的暖空气可经由地下气室被径向输送到涡流中心。
6. 汽轮机废气可经由地下气室被输送到涡流中心，需要或不需要经过 冷却单元。
7. 位于涡流中心的经由地下气室的径向进口消除了离心力并增加了涡 轮机可用的压差。
8. 混凝土的升高的地板的造价小于大量地下管道和通道的造价。
9. 地下气室可分为由径向壁分开的隔室或者除了支撑地板所需的柱以 外保留敞开。
(e)新型涡流冷却塔特征
优选热交换器为单侧交叉流动冷却塔。该冷却塔与常规的交叉流 动冷却塔的不同之处在于它在亚大气压力下工作。冷却塔在顶部包括具
有分配喷嘴的暖水分配盘，并在底部可包括冷却水池(图4的池55)。 替代地，冷却水可经由水密封排放到外围圆形通道(图13的通道736, 图14的通道824)。暖水分配盘位于亚大气封闭件内部，以提供跨越分 配盘喷嘴的恒定的压差。环形暖水池自冷却水池向外径向延伸。填充物 自顶部到底部向内倾斜以配合由空气流产生的对滴落的水的拉回作用。 冷却塔前表面具有气窗，以捕获未由空气流拉回的任何水并将其送回到 冷水池。填充物可以是搅棒类型或者薄膜结构。位于填充物下游的漂浮 物清除器清除巻吸的水滴并将它们送回冷却水池。
具有相关入口气窗、漂浮物清除器、暖水分配池、冷却水池、和 漂浮物清除器以及它们的封闭件的填充物称之为"冷却单元"。具有相 关涡轮机膨胀器、可任选的强制通风的风扇、和切向进口管的冷却单元 称之为"扇形体"。包括冷却水泵送系统的冷却单元的集合称之为"冷 却塔"。在其中心具有涡流的圆形冷却塔称之为"涡流冷却塔"。通用术 语"大气涡流发动机，，是指用来产生对流涡流的装置。热交换器和涡轮 机对于大气涡流发动机来说是不必要的。当周围空气具有足够的温度和 湿度时，热交换装置是不需要的。当没有热交换器时，涡轮机废气直接进入切向进口管。
大气涡流发动机冷却单元必须完全封闭以便允许在亚大气压下 工作。冷却单元需要在常规交叉流动冷却塔中不存在的入口壁。空气通 过单元空气入口壁中的开口进入冷却单元。入口折流板在填充物的设有 气窗的表面上方均匀地分配空气。暖湿空气通过切向进口管离开冷却单 元。切向进口管位于圆筒壁内侧。冷却单元的切向进口管沿着多边形圆 筒壁的邻近侧延伸。可提供导向叶片以确保进入切向进口管的空气取自 冷却单元的所有水平面。自冷却单元到工作区可以具有另外的可调整的 空气进口。这些另外的空气进口可以是径向空气进口或者是反向旋转空
气进口。
无须所有扇形体都处于工作状态。通过关闭它们的切向进口管， 扇形体可以单独停止工作。通过关闭其暖空气出口、关闭其水入口和打 开其空气入口，冷却单元和其涡轮机可以停止工作。
扇形体在空气侧和水侧上必须分开。在冷却水侧上必须进行密封
以防止空气在单元之间流动。可通过下述多种方法来实现密封
(a)将单元间壁延伸到冷却水池的底部(图4的空气密封壁49)，
(b )通过使冷却水进入底于冷却水池中的水平面的冷却水通道来提供 水密封(图14的冷却水密封822 )，
(c)迫使来自冷却单元的冷却水向下流过直立的U型结构，该U型结 构位于冷却水通道的上游，图中未示出。
优选的冷却水系统替代位于具有倾斜的冷却水收集地板的冷却 单元下方的常规冷却水池。该冷却单元地板通过地下管路将水排入开口 圆形冷却水通道。通道中的水形成密封并防止空气通过冷却水回路进入 冷却单元。冷却水流入设置有循环水泵的泵井中。冷却水主要位于泵井 和圆形冷却水通道中。
必须防止空气通过冷却水回路进入冷却单元，这是因为冷却单元 中的压力低于大气压力。通道中的水位应当在冷却水管路的顶部上方足 够高，以防止空气通过冷却水出口进入单个单元。圆形通道中的水位通 过常规的冷却塔构成技术来控制。可具有多于一个的泵池，该泵池允许部分圆形冷却水通道停止工作以便维修而不需要停止涡流。循环水通常 不进入工作区。在工作区的低位上有排水管以去除可能意外进入工作区 的水。(f)汇聚顶篷。
大气涡流发动机和圆形冷却塔在主要空气进口上方都可具有在其 中心具有开口的汇聚顶篷。在顶篷中心的开口直径可以是可调整的。在 涡流模式下，汇聚顶篷产生汇聚区域，其中切向速度必须随着空气汇聚 而增加，以便保存角动量。在非涡流模式下，汇聚顶篷用于使大量冷却 塔空气输出聚集成单个巻流。在非涡流圆形冷却塔中，汇聚顶篷开口的 上方可能有组套。
图16中的汇聚顶篷951类似于母案说明书AVE1中图4的环形顶 篷ll，但目的不同。母案专利环形顶篷的目的是使通过偏转器下层和上 层进入的空气保持分离。母案说明书环形顶篷必须位于图4中的下部偏 转器3的紧邻上方。图16的新汇聚顶篷951的目的是迫使汇聚因而迫 使切向速度增加以便保存角动量。图16的汇聚顶篷951可以设置在切 向进口管921的顶部的上方一定距离处。
汇聚顶篷虽然在图中示出为扁平，但它可以具有其他形状，包括
自边缘向中心开口以恒定斜度向上倾斜的斜坡，
由自边缘向中心开口以逐渐增大的斜度向上倾斜的斜坡组成的喷
嘴，
具有中心开口的圆顶。
(g) 过渡环
大气涡流发动机在主要汇聚顶篷和圆筒壁的顶部之间可具有多 个过渡环。当涡流自汇聚顶篷中的开口向上移动到自由大气时，涡流自 受限涡流过渡至自由涡流。过渡环使得这种过渡更容易。过渡环减少了 沿着圆筒壁的内侧被向下巻吸的周围空气的量。涡流中周围空气的巻吸 能够减少角速度。在汇聚顶篷和过渡环之间以及在过渡环之间可设置有 切向空气进口，以在过渡期间使空气旋转以便涡流中的巻吸。这些环间 空气进口可以具有限制器和蒸汽喷口 。
(h) 巻吸和加热蒸汽存在多种用于起动涡流的选择方案:
1. 在加热并加湿空气时，用切向进口管中的蒸汽喷嘴将空气巻吸到工 作区内。
2. 用燃料或蒸汽加热工作区内的空气。
3. 用定位在冷却塔入口或出口处的强制通风风扇将空气推过切向进口。
切向进口管中的蒸汽喷嘴是优选的起动方法，因为蒸汽通常在冷 却塔处可获得并且蒸汽喷射设备的购买和维护成本低于风扇的成本。可 以使蒸汽过热从而使混合物可见或水能够在减温器中被喷射到蒸汽中 而4吏涡流可见。
(i)中间半径地板切向空气进口
中间半径空气进口能够通过工作区地板沿切向引入空气。空气可 经由地下气道或经由升高的地板的下方的气室被引入中间半径地板切 向空气进口。地下气道可沿切向进入工作区内并在其下游端处可具有弯 曲的上升部分。该弯曲部分以大约30度到120度的弧逐渐上升。中间 半径地板空气进口可具有直接和间接旋转。将设置用于控制地板空气进 口中的空气流的装置。具有直接旋转的中间半径地板切向空气进口可具 有蒸汽喷嘴。通过位于圆筒壁处的空气进口起动涡流仅可需要一段长的 起旋时间。在中间半径处以切向直接旋转引入空气将有助于通过减少起 旋时间来起动涡流。具有间接旋转的气道将被用于帮助停止涡流并且不 会有蒸汽喷射。
(j)非涡流圆形冷却塔
具有风扇的冷却塔被称为"机械冷却塔"。机械冷却塔中的风扇可 设置在两个位置中的任一个位置。强制通风冷却塔在通常位于基准面处 的空气入口中具有风扇。诱导通风冷却塔在通常位于冷却塔的顶部的空 气出口中具有风扇。诱导通风冷却塔比强制通风冷却塔更常见，因为具 有强制通风塔的冷却塔的低排出速度导致产生水雾和再循环。诱导通风 冷却塔中的风扇总是竖向轴线的轴流风扇。强制通风冷却塔中的风扇通 常是水平轴线的离心式风机。
有两种使空气与水接触的方法。在逆流塔中，水向下流动，而空气向上流动。在交叉流塔中，水向下流动，而空气穿过落下的水水平地 流动。
机械冷却塔的冷却单元可以布置成线性或圆形阵列。机械圆形冷 却塔通常具有多个顶部安装的诱导通风风扇。圆形设置减少了再循环和 雾化，因为单个大巻流保持其浮力的时间比多个小巻流更长，并且圆形 形状通过允许风绕冷却塔流动而緩解下风侧的再循环。
机械圆形冷却塔通常具有诱导通风风扇。机械圆形冷却塔是在线 性冷却塔中已经展示出诱导通风风扇比强制通风风扇更优越的优点之
后开发出来的。似乎人们还没有考虑具有中央空气出口的圆形冷却塔可 以允许回到早期的强制通风风扇方法的想法。
非涡流圆形冷却塔的圆形冷却塔中的风扇可定位在冷却单元的 出口中，冷却单元的径向出口中或者切向进口管中，但不是组合冷却塔 的出口中。将风扇定位在组合出口中会阻碍获得单个大巻流。如图9中 所示的风扇326,将风扇定位在冷却单元的空气入口中是优选的设置。 定位在冷却单元的入口中的风扇具有如下优点风扇易于被接近以便维 护，风扇位置适合于非涡流或涡流模式。定位在冷却单元出口处的风扇 不需要进入壁，并且消除流动阻力，但是其不太容易被触及。
诱导通风圆形冷却塔中的风扇被集中设置在冷却塔的顶部。所述 风扇能够集中设置在冷却塔的中央或者可定位在从热交换区域向内的 圆周上。需要设置多个风扇并且在风扇之间需要设置水平间隔的事实增 大了巻流直径、减小了巻流的平均上行速度并增大了周围空气被巻吸到 巻流中的几率。Fordyce的美国专利3743257中描述了圆形冷却塔技术。
Kelp的美国专利4，164，256描述了具有强制通风扇的逆流自然通 风冷却塔。存在由短而粗的风扇辅助的自然通风交叉流冷却塔，该冷却 塔具有集中设置在其中央区域的顶部的竖向轴线的风扇。圆形湿冷却塔 包括交叉流单元、位于单个单元入口处的强制通风风扇或位于单个单 元出口处的水平轴线风扇，以及直径显著小于未被使用的冷却单元的环 的内直径的中央组套。
具有位于冷却单元入口或出口处的风扇的圓形冷却塔具有下列优
点1. 单个大巻流比多个小巻流保持浮力的时间更长。
2. 圆形冷却塔比线性冷却塔引起较少的雾化和再循环，因为它们的形 状为再循环提供较少的机会。在圆形冷却塔中，巻流被沿着下风向带动 并离开冷却塔；在线性冷却塔中，冷却塔阻塞引起再循环的横向风。
3. 交叉流冷却单元在中央工作区中沿径向排放。
4. 在其中央具有圆形开口的汇聚顶篷使来自多个冷却单元的空气输出 变为单个大巻流。
5. 类似于诱导通风风扇的筒体的组套可设置在中央开口的上方。该组 套减少周围空气被巻吸到巻流中。该组套通过使巻流的基部上升而减少 雾化。该组套的出口处的空气上行速度与单个诱导通风风扇的出口速度 相当并且高于成组诱导通风风扇的平均上行速度。该组套使巻流的基部 上升，从而减少雾化和再循环。
6. 在产生循环的过程中在组套中上升的空气的浮力帮助强制通风风扇， 从而减小风扇功率需求。在不需要时，例如在冷天或低冷却负载的情况 下，可关闭所述风扇。
7. 组套可以是高的织物管道。织物管道可套在短的物理组套上并逐渐 升高。织物管道的上端的开口的尺寸可以是可调节的。织物管道可通过 用强制通风风扇在管中吹气而升高。织物管道可延伸得比物理管高并且 成本较低。织物管道可以由诸如涤纶或尼龙之类的帆布材料制成。
8. 定位在地平面处的强制通风风扇不需要诱导通风风扇所需的强支撑 结构，从而减少结构成本。支撑定位在圆形冷却塔中央附近的诱导通风 风扇需要复杂且成本高昂的结构。
9. 具有单个风扇的诱导通风圆形冷却塔是不实用的，因为受到风扇尺 寸的限制。强制通风圆形冷却塔允许将来自多个强制通风风扇的气流组 合在单个大巻流中。该组套的直径可以为20到50m。
10. 圆形冷却塔可设置有径向空气进口和切向空气进口管，通过关闭径 向进口并打开切向进口而允许操作模式从非涡流模式切换到涡流模式。
11. 在涡流模式中，风扇仅需要被用于进行起动并且在涡流建立起来之后可转化为产生功率的涡轮机。
12.在不使用涡流模式的情况下，强制通风圆形冷却塔本身可能是实用 且经济的装置。
AVE2-热力学基础
(a)作为散热器的对流层
热力学或热发动机是将热转化为功的装置。太阳能发动机是热发 动机，其中热源是太阳。热发动机通过将从热源传递到冷源的热或热能 的一部分转化为机械能来工作。冷源通常称为冷散热器或简单地称为散
热器。被称为效率的热输入转化为功的系数随着热源与散热器之间的温 差而增大。热发动机的最大可能效率是通过如下公式限定的卡诺效率 (n):
n = l- (Tc/Th)
其中Th和Te分别是热源和冷源的以绝对温度为单位的温度。热源温度
为300k (27n )且冷源温度为240k ( -33X:)的发动机的卡诺效率为 20%。可通过升高热源温度或降低冷源温度来增大卡诺效率。绝大部分 热发动机的散热器温度是发动机所在位置可以获得的最低温度，该温度 通常接近发动机所在位置的空气或水的温度。
卡诺效率仅仅是给定温度差的最大可能效率。发动机的实际效率 通常显著低于卡诺效率。热发动机需要在涉及压缩和膨胀气体或蒸汽的 过程中传递热。如果在没有使用膨胀器的情况下通过传导、液体对流或 气体对流来传递热量，则该效率会减小到接近O。
对流层是大气的底部10到20km的层，在该大气层中温度通常随 着高度的增加而降低。对流层中的温度通常沿上行方向以大约6K/km 的速度降低。对流层底部的温度通常为290K。对流层顶部的温度通常 为220K。对流层以大约250K左右的平均温度将热量辐射到空间中。向 空间中的热量辐射使对流层以大约每天1到2K的速度冷却。对流层的 底层被称为边界层并且通常从地球表面延伸至通常在0.5至3km高度的 晴空积云的底部。
在描述本发明时，术语"下对流层"指的是大气底部1000m,并且术语"上对流层"指的是1000m高度上方的大气。本发明涉及将热 量从对流层的下层传递至对流层的上层。与仅使用大气底部的空气相 比，将对流层用作散热器能够提供相对较低的散热器温度。以前还没有 考虑过将高对流层用作冷散热器，因为通常认为使冷空气下行或者使要 被冷却的流体向上是不现实的。
热发动机涉及将热量传递到热源、将热量从冷源带走以及将热 量从热源传递到冷源。当热量从热源传递到冷源时会产生功，但是当热 量传递到热源或者冷源释放出热量时不一定会产生功。在大多数发动机 中，这三个过程同时发生，但是它们并不需要同时发生。筒单地添加热 量到储层或从储层移除热量不产生功。通过发动机将热量从热源传递到 冷源是产生功的过程。无需在热量传递的过程中同时进行热量转移。由 大气涡流发动机传递的热量可以长时间积聚在边界层中，并且从冷的上 对流层向空间中的热量辐射能够在上行热量传递很久之后发生并且其 发生位置可远离上行热量传递的位置。在上升空气下沉的过程中其能够 通过向空间中辐射热量而被逐渐冷却。
可获得显著冷于大气底部的温度的冷源的事实使得可以通过诸如 自然暖湿空气的低温热源来产生功。绝大多数热发动机使用气体或蒸汽 将热量从热源传递到冷源。气体和蒸汽发动机通常包括压缩机和膨胀 器。压缩机和膨胀器通常具有在80%至95%范围内的效率，这降低了 总体循环效率。压缩低密度气体需要大的机器并且成本非常高。在大气 中，下沉空气在下行过程中被压缩。该大气压缩机的效率可接近100%。 当下沉空气慢速下行时，几乎没有摩擦损耗。当空气被压缩时，其温度 升高。通过大气下沉而压缩空气时的温度增量小于在常规压缩机中压缩 空气时的空气增量，因为摩擦较小并且热量在压缩过程中会向空间中辐 射。空气通常大约花费30天从对流层的顶部下降到底部，同时通过向 空间中辐射热量而被冷却。在不向空间中辐射热量的情况下，当下沉空 气到达大气底部时其会 达到340K的温度。在向空间中辐射热量的情况 下，当下沉空气到达大气底部时其会达到大约290K的温度。
将对流层用作散热器的工业场合包括
太阳能烟囱，
自然通风冷却塔, 飞行器发动机(往复式及喷气发动机)，
■大气涡流发动机o
自然通风冷却塔用于避免必须供应机械能以驱动风扇，但是其还 没有被用于产生能量。飞行器发动机产生的机械能必须在现场使用，而 不能被传递到地面。太阳能烟自是能够在基于地面的固定位置产生机械
能的现有的唯一的应用。高于lkm的太阳能烟囱在目前是不实用的，因 此太阳能烟自不能将lkm以上的那部分对流层用作散热器。大气涡流发 动机是能够将上对流层用作散热器的唯一的静止发动机。当散热器的温 度降低时，其效率随着高度的增大而增大。200m高的太阳能烟囱的最 大效率是0. 7% 。涡流延伸到20km高度的涡流发动机的最大效率可高达 30%。大气涡流发动机是将对流层的非常冷的上层用作散热器的第一种 实用的方法。
(b)未改变的自然热量收集器
产生轴功形式的机械能的发动机通常需要大大超过100匸的温 差。通常不产生轴功的诸如自然通风冷却塔、再沸器和咖啡过滤器的对 流设备在较低的温差下进行操作。由于冷源温度通常是大气底部的温 度，因此用于产生轴功的发动机的最小热源温度通常大大高于100^。
产生轴功的发动机在膨胀过程开始时通常需要高于ioot:的最小工作流
体温度。
大气涡流发动机中的工作流体是暖湿空气。空气上升时产生的功 取决于空气的温度和湿度。焓是空气的组合热含量的度量。301C的相对
湿度为100%的空气的焓高于4or:的相对湿度为40%的空气的焓。30 x:的水可用于增大低湿空气或低温空气的热含量。将水用作热源还增加 了使用低温热源的能力。3ox:的水能够用于增大4or;的空气的焓。
通过将上对流层用作冷源，大气涡流发动机能够使用温度接近大 气底部温度的热源。能够获得低温散热器的事实使得在膨胀过程开始时 可以使用低温热源，包括使用温度接近大气底部温度的工作流体。大气 涡流发动机是能够使用温度低于50C的热源来产生轴功并具有5 %或更 高的热功转化效率的唯一的热发动机。大气涡流发动机是能够将状态没 有改变的地面和海面用作热量收集器的唯一的太阳能发动机。单独太阳能收集器的成本就使太阳能发动机的竟争力低于传统动 力源。大气涡流发动机使得无需使用成本高昂的太阳能收集器。通过使 用低温散热器，大气涡流发动机使得无需使用太阳能热量收集器。大气 涡流发动机是能够将状态没有改变的地面用作太阳热量收集器的唯一 的太阳能发动机。
AVE2 -替4戈性i殳置
尽管已经参照具体实施方式
描述了本发明，但是在不偏离权利要 求限定的本发明的范围的情况下，可以构想出本发明的各种改型和变 型。
无需使每个部分都具有带有进入工作区的切向进口和进入气室的 进口的冷却单元。在图15和图16中，每个冷却单元901都具有进入工 作区904的切向进口 921和进入气室卯6的地下空气进口 916，该两者 都具有限制器。无需使每个冷却单元都具有两种进口。某些冷却单元可 仅具有切向进口 921，另外一些冷却单元可仅具有地下进口 916，而其 它冷却单元则可具有切向进口 921和地下进口 916。该设计可以允许每 二个或四个冷却单元901的暖空气出口通向工作区卯4且剩余冷却单元 卯l的暖空气出口仅通向地下气室906。可能存在没有热传递单元卯l 的部分。没有热传递单元的部分可具有经由切向进口管921排入工作区 904内或排入地下气室卯6中的涡轮机。在图15和图16中，可以有定 位在冷却单元卯l之间的空间中排入地下气室卯6的涡轮机。这些涡轮 机可经由定位在切向进口 921下方的径向通道排入地下气室卯6中。还 可以有没有冷却热交换单元或涡轮机的部分，这些部分用于未来可能出 现的涡流发动机容量扩展。没有热交换单元或涡轮机的部分可用于提供 用于操作、观察或维护的通路。
制作所有附图的目的仅仅是为了有助于说明本发明的基本教导； 就构成优选实施方式的部件的附图标记、位置、关系和尺寸而言，在参 阅并理解了本发明的下面的教导之后，附图的延伸将会被理解或者将处 于本领域的知识范围内。此外，在参阅并理解了本发明的下面的教导之 后，与具体力、重量、强度以及类似条件相一致的具体尺寸和尺寸比例 将处于本领域的知识范围内。在各个附图所使用的附图标记中，相同的
附图标记指代相同或相似的部件。再者，当本文中使用术语"顶部"、"底 部"、"第一"、"第二"、"内侧"、"外侧"、"边缘"、"侧部"、"前部"、"后部"、"长度"、"宽度"、"内部"、"外部，，以及类似术语时，应该理解的 是，这些术语仅用于标示读者观察附图时所看到的图中所示的结构，并 且这些术语仅用于帮助理解本发明。
尽管已经结合优选实施方式描述了本发明的方法和设备，但是本 发明不限于本文所述的具体形式，相反，其旨在覆盖理所当然会落入所 附权利要求限定的本发明的精神和范围内的各种替代方式、改型和等同 体。
本申请的摘要是为了满足C.F.R第37条第1.72 (b)节，该节规 定摘要必须使读者能够迅速获得相关发明的要旨。递交该摘要时申请认 为其不会被用于解释或限制权利要求的范围或意义。另外，从上文的详 细描述可以看出，将各个技术特征集中在一个实施方式中是为了使本发 明更流畅。本发明的方法不应当被解释为反映了如下倾向，即要求保护 的本发明的实施方式需要比每个权利要求中所列的特征更多的特征。相 反，如所附权利要求所反映的，体现本发明的创造性主题的特征比所公 开的单个实施方式的所有特征少。因此，所附权利要求在此被结合到具 体实施方式部分，每个权利要求本身都作为独立的优选实施方式。
权利要求
1. 一种用于产生涡流的热力发动机，包括(a)具有上端和下端的竖直轴线圆筒壁，(b)所述上端处的开口，(c)所述下端处的空气进口，(d)所述圆筒壁内的具有地板的工作区，(e)用于朝切线方向导引进入所述下端的空气的装置，(f)控制进入所述下端的空气的量的限制器。
2. 如权利要求1所述的发动机，其中，用于朝切线方向导引进入 所述下端的空气的所述装置包括具有空气入口和空气出口的直线切向 进入导管。
3. 如权利要求2所述的发动机，其中，所述直线切向进入导管包 括流动限制器。
4. 如权利要求2所述的发动机，其中，所述直线切向进入导管包 括蒸汽喷嘴。
5. 如权利要求2所述的发动机，其中，所述圃筒壁的形状呈多边 形；所述直线切向进入导管位于所述圆筒壁内部；并且，所述直线切向 进入导管抵接所述圆筒壁的一个直边。
6. 如权利要求5所述的发动机，还包括热交换装置；其中，所述 热交换装置具有冷空气入口和暖空气出口；并且，所述热交换装置的所 述暖空气出口抵接所述圆筒壁外侧。
7. 如权利要求6所述的发动机，其中，所述圆筒壁具有开口；并 且，所述暖空气出口和所述直线切向进入导管空气入口通过所述壁开口 连接。
8. 如权利要求6所述的发动机，其中，所述热交换装置为交叉流 动的湿式冷却塔，所述交叉流动的湿式冷却塔包括(a)亚大气封闭件，(b)位于所述亚大气封闭件内的暖水分配盘。
9. 如权利要求8所述的发动机，还包括冷却水出口 ；并且还包括 位于所述冷却水出口上的水密封件，以防止空气通过所述冷却水出口进 入所述亚大气封闭件。
10. 如权利要求8所述的发动机，还包括位于所述工作区上游的风扇。
11. 如权利要求2所述的发动机，还包括多个逆向循环空气进口， 由此通过限制所述切向进入导管中的流动且不限制所述逆向循环空气 进口来控制所述工作区内的空气的净切向速度，并且反之亦然。
12. 如权利要求1所述的发动机，还包括各自具有入口和出口的多 个周边涡轮机；其中，涡轮机入口压力为周围空气压力；涡轮机出口压 力小于周围空气压力；涡轮机入口压力与涡轮机出口压力之间的差用来 向所述涡轮机提供动力；并且，涡轮机出口压力通过所述涡流而减小。
13.如权利要求1所述的发动机，进一步包括太阳热量收集器，所 述太阳热量收集器带有围绕所述圆筒壁的透明顶篷，其中所述太阳热量 收集器具有敞开的外缘和内缘，周围空气进入所述敞开的外缘，并且已 加热的空气离开所述内缘并经由所述圆筒壁的所述下端处的所述空气 进口进入所述工作区。
14. 如权利要求1所述的发动机，进一步包括汇聚顶篷，所述汇聚 顶篷带有位于所述空气进口上方的中央开口，由此所述中央开口引起切 向进入所述圆筒壁的空气汇聚并形成所述涡流。
15. 如权利要求14所述的发动机，进一步包括位于所述汇聚顶篷 上方的多个环形环，由此所述环形环减小沿着所述圆筒壁内侧的下行气 流。
16. 如权利要求15所述的发动机，进一步包括位于所述汇聚顶篷 和所述环形环之间和两个所述环形环之间的环间空气进口 。
17. 如权利要求1所述的发动机，其中所述地板相对于基准面被升高。
18. 如权利要求1所述的发动机，进一步包括位于所述地板中心的 地板开口。
19. 如权利要求18所述的发动机，进一步包括在所述地板开口下 方的圆形空间，偏转器位于所述圆形空间的外围附近。
20.如权利要求18所述的发动机，进一步包括位于所述地板下方 的空气通道，由此空气被送至所述地板开口。
21. 如权利要求1所述的发动机，进一步包括在所述地板中的中间 半径地板空气进口，其中空气能够经由所述中间半径空气进口在多个半 径处切向进入所述工作区。
22. —种热力发动机，包括热源，其位于邻近对流层的底部的固 定位置处；以及冷却散热器，其位于上部对流层，其中涡流用于由热产 生机械能。
23. —种热力发动机，包括(a) 工作流体，在膨胀前其温度低于501C;(b) 接收所述工作流体的涡流；其中当所述工作流体经由所述涡流被升高时，由热产生机械能。
24. —种具有热量收集器的太阳能发动机，其包括地球表面的在其 未改变状态下的若干部分以及位于这种表面上方的空气，其中当通过对 流将热向上输送时，涡流用来由热产生机械能。
25. —种圆形交叉流动冷却塔，包括(a) 具有空气入口和空气出口的冷却单元；(b) 工作区；(c) 从所述冷却单元的所述空气出口到所述工作区的径向空气进口 ；(d) 位于所述工作区上游的风扇；(e) 位于所述工作区上方的汇聚顶篷；(f) 位于所述汇聚顶篷的中心处的开口，由此所述工作区用作歧管，其中来自多个所述径向空气进口的气流 在升高通过所述开口之前结合在一起作为单个巻流。
26. 如权利要求25所述的塔，进一步包括位于所述汇聚顶篷的开 口上方的《且套。
27. 如权利要求25所述的塔，进一步包括切向进口管，其中操作 模式能够通过关闭所述径向空气进口和打开所述切向进口管而从非涡 流径向进入模式改变到涡流切向进入模式，并且反之亦然。
28. —种从涡流获取能量的方法，包括以下步骤(a) 通过引导空气以经由线性切向进口管进入圆形区域来使空气 沿切向朝所述涡流的基部汇聚；(b) 通过用竖直轴线圆筒壁遮蔽所述涡流的基部来防止周围环境 状态干扰所述涡流；(c) 确保朝着所述涡流的基部汇聚的空气具有足够的热焓以当其 升高经过周围空气时能够浮游；(d)控制进入所述圃形区域的空气的量。
29.如权利要求28所述的方法，进一步包括(a) 通过提供在其中心带有开口的环形顶篷来确保朝着所述圆筒 壁的中心汇聚；(b) 经由中央地板开口将空气传送至所述涡流的中心。
全文摘要
本发明涉及对大气涡流发动机的改进。通过使空气经由切向进口管道在圆筒壁的基部进入，龙卷风式的对流涡流便得以产生。维持该涡流所需的热量由定位在圆筒壁外部的外围热交换装置提供。用于外围热交换装置的热源可以是工业废热或暖海水。优选的热交换装置是交叉流湿冷却塔。机械能在多个涡轮机中产生。空气可经由切向入口或经由工作区地板中心处的开口进入工作区。本发明可用于产生机械能、降低冷却水的温度或产生降水。本发明包括圆形强制通风冷却塔，其能够在涡流或非涡流模式下操作。
文档编号F03G7/00GK101535638SQ200780032298
公开日2009年9月16日 申请日期2007年7月17日 优先权日2006年8月4日
发明者路易斯·马克·米肖 申请人:路易斯·马克·米肖