能够使两相流产生的动量最大化的两相膨胀装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种装置，其能够使热流体在装置的工作温度下有显著饱和流量的非 常有效的两相膨胀，同时具有低的蒸汽密度。这尤其适用于温差小的热源和冷源之间的热 能向机械能的转换，更特别适于海洋热能转换(0TEC)。
【背景技术】
[0002] 很久以来，温差小的处于中等温度的热源和冷源之间的热能向机械能的转换一直 是一种重要的挑战。
[0003] 有许多种配置，这里可提及的例如有：
[0004] ?地热能
[0005] ?工业余热
[0006] ?海洋热能转换(OTEC)，也就是，海洋表层和深层之间的温差，在热带
[0007] 地区该温差能够达到近20°C。
[0008] 人们已经提出了许多用于将该种热能转换成机械能的装置，但是仍然没有多少工 业应用，主要是因为以下几点：
[0009] ?热源和冷源之间小的温差意味着，热能向机械能转换的非常低的最大理论转换 度(对于OTEC来说大约为7% )。
[0010] ?所提出装置的效能仍然非常有限，其进一步缩减了该转换度。
[0011 ]籲因此，待处理的流体量非常大，需要很大的热交换器。
[0012] ?在OTEC的情况下与大洋环境相关的限制。
[0013] 现有技术中提出的解决方案可以进行如下归类：
[0014] ?采用有机兰金循环的解决方案，也就是，在解决方案中，来自热源的热流体通过 交换器将其热量传给工作流体而使其蒸发。工作流体通过涡轮机膨胀，提供机械功，然后， 在冷凝器中冷凝，与来自冷源的冷流体交换，并且最终通过一个栗加压。该所谓的闭合环路 的优点是，能够使用在所考虑的温度下具有高蒸汽体积密度的工作流体，因此能够使用具 有合理尺寸的涡轮机。然而，它也有主要缺陷，尤其是，热源和冷源之间的热交换器尺寸非 常大，以致工作流体能够处理最小温度夹点的非常高的流速。在OTEC的情况下，这些交换器 具有很大的生物淤积的风险，而且需要使用诸如氨那样的工作流体也对环境有实际的影 响。
[0015] ?某些解决方案，在这些解决方案中，热流体(通常为水）由于其自身的比热（闪 蒸)而被部分蒸发，其蒸汽在涡轮机中膨胀，在此其提供机械功，蒸汽之后由于同来自冷源 (通常为水）的流体进行热交换(通常来说是直接的）而被冷凝。该方案被称为开式循环，其 优点在于避免了不得不依靠两种不同流体之间过大尺寸的热交换器。然而，它也有很大的 限制，特别是在OTEC的情况下。实际上，在这种情况下，热源的温度(大约28°C)对应于大约 三百分之一巴的极低的蒸汽压力。在该压力下，蒸汽密度很低，而且因此有必要使极其大体 积流体穿过涡轮机，这意味着很大的转子直径以及高的圆周速度。涡轮机部件上的离心力 然后从几 Mff(兆瓦)开始变成很大的功率。此外，涡轮机的惯性也变得非常大，这可能造成与 电网连接的问题。这种开式循环因此被设计成越来越小的功率，仅在几兆瓦以上。
[0016] ?还可提到利用所谓的两相涡轮机的许多装置。在这种分类中，我们可能在以下 解决方案之间加以区分：
[0017] 1. -些解决方案，在这些解决方案中，流体以液态引入，膨胀以形成气相和液相， 两相然后通过分离器分隔，而且每相都在适于每个相的独立的装置中膨胀。这些解决方案 具有高度复杂性以及普通的效率。
[0018] 2. -些解决方案，在这些解决方案中，液体通过一个管口膨胀，在其离开管口的时 候部分蒸发，液体和蒸汽然后通过一个适合的管口一起膨胀。考虑到多个液相的存在，具有 流体方向变化的涡轮机中任何的膨胀都是失策的，否则刀片会快速恶化。剩下的解决方案 是"英雄"型单级反动式涡轮机。在这种类型涡轮机中，为了保持良好的效率，有必要使离开 膨胀的流体的绝对速率尽可能低。目前，喷射出的流体按液态重量计算最多为95%，然而蒸 汽部分的质量仍然非常低。然而，正是蒸汽部分，其通过在膨胀过程中将其热含量转变为动 能，远比流体部分加速得多。在提出的装置中具有很少机械耦合的两个相将因此在膨胀的 出口处具有非常不相同的速度，其与涡轮机的高效率不相容。
[0019] 迄今为止，仍没有证据证明这种类型的装置很有效率，而且没有为热源的低温区 域特别设计任何装置，流体为水，考虑到其非常低的蒸汽密度。
[0020] ?-些解决方案，在这些解决方案中，热水经受闪蒸，其蒸汽在垂直扩散部分中膨 胀，在此，蒸汽将其部分能量转移给液态水以便克服重力提升装置中的这些水。这些解决方 案能够避免闭循环类型的热交换器以及上述开循环类型的超大涡轮机。提出的解决方案尤 其是：
[0021] 1.气泡的形式，如美国专利文件3，967，449中描述的，其中，蒸汽的气泡在液相中 产生以便降低整个密度。在该装置中，在维持液相的气泡形成所必须的压力条件方面具有 相当大的困难。
[0022] 2.泡沫的形式，如美国专利文件4，249，383中所述，其中，由蒸汽、热水和发泡剂构 成的泡沫形成而且通过蒸汽被提升起。对使用发泡剂的需求以及维持泡沫稳定性的困难似 乎是令人望而却步的。
[0023] 3.水滴的形式，如美国专利文件4,216,657,美国专利文件4,441，321 (发明人斯图 尔特·里奇韦（Stuart L.Ridgway))或美国专利申请书2013/0031903中所述，其中，水滴或 微型水滴在垂直室中（薄雾抬升技术)通过其自身的蒸汽抬升。能量通过液相简单的液压自 由回转而恢复。
[0024]术语"薄雾抬升"在下文中是指一种方法，通过该方法，热流体的飞沫通过其自身 的蒸汽在装置的热下部分和冷上部分之间的蒸汽压力差的影响下克服重力而被抬起。 [0025]尽管简单，但是采用薄雾抬升技术的所提出的装置具有一定的缺陷，尤其是：
[0026] ?考虑到蒸汽非常低的密度以及其与非常有效高度相关的必要有限初速度，需要 很大的部分用于蒸汽通道。例如，对于OTEC的这种类型的一个4兆瓦的装置其直径将为20 米，高度接近100米，会导致在实施，操作和成本方面相当大的困难。
[0027] ?由于行进的垂直距离非常大，通过飞沫与墙壁的碰撞或者它们彼此之间的碰 撞，导致巨大能量损失。
[0028] ?所提出的迷雾发生器效率很低，在初始闪蒸中具有多个的能量损失而且在加速 阶段具有无效的蒸汽/飞沫耦合，与明显的压力下降相关，这些因素共同导致装置非常有限 的总效率。
[0029] ?恢复在有效转换装置中加速的飞沫能量的困难。
【发明内容】
[0030] 根据本发明的装置，除了其它方面，通过提出一种解决方案，能够对与现有技术中 提出的装置相关的困难作出回应，该解决方案适于流体在低温下的有效的两相膨胀，其中， 离散相包括非常小尺寸的水滴(直径从大约10微米到几毫米），因此被称作飞沫、微滴或甚 至微沫，而且其自身蒸汽的连续相，流体在所考虑的温度下（例如28°C的水)具有很低的蒸 汽密度。其能够获得蒸汽与飞沫之间优质的机械耦合并且能够非常有效地加速飞沫，限制 流体的压力下降。本装置能够利用薄雾抬升技术而并入能量转换装置中，或者利用由于两 相射流而导致的反作用而被并入旋转机器中。
[0031] 在文中，薄雾是指多个飞沫(每立方米几百万或数十亿），分散在通过其自身局部 蒸发而产生的蒸汽中。
[0032] 根据第一方面，本发明提出一种两相膨胀装置，该装置能够使两相流产生的动能 最大化，其源于来自所谓的热源中流体的有效饱和流量的膨胀。两相膨胀装置至少包括：
[0033] -分配器，能够将来自热源的流体分配到多个两相膨胀喷嘴中；
[0034] -带有大体上平行轴的多个相邻的两相膨胀喷嘴，每个喷嘴顺序包括至少一个合 流部分，一个颈部和一个管子，而且喷嘴设置成，以便每个喷嘴都接收一部分来自热源的流 体；
[0035] -工具，其能够将多个两相膨胀喷嘴支撑在适当位置，而且包括两相膨胀喷嘴之间 的非渗透性分离工具。
[0036] 由于使用多个两相膨胀喷嘴，两相膨胀装置因此特别能够对有效流速起作用，同 时控制膨胀期间蒸汽的膨胀、控制压力损失的源头，从而控制效率。
[0037] 两相膨胀装置能够具有以下单独的或组合的特征，：
[0038] -至少一个两相膨胀喷嘴的颈部部分设计用于产生液体射流；
[0039] -至少一个用于生成液体射流的两相膨胀喷嘴的颈部部分是圆形或方形的；
[0040] -至少一个两相膨胀喷嘴的颈部部分设计用于生成液层；
[0041] -至少一个用于生成液层的两相膨胀喷嘴的颈部部分是细长狭缝的形式；
[0042] -两相膨胀喷嘴中的至少一个包含颈部下游的一个混合器元件；
[0043] -饱和流量的所有膨胀都在每个两相膨胀喷嘴中进行；
[0044] -只有一部分饱和流量的膨胀在每个两相膨胀喷嘴中进行，膨胀的其他部分在一 个延伸两相膨胀喷嘴组件的通用分流成型导管中进行；
[0045] -位于管出口处的两相膨胀喷嘴之间的空间通过一个适合的喷嘴出口几何体被最 小化，这样，第一两相膨胀喷嘴的管子的出口便与同第一两相膨胀喷嘴相邻的第二两相膨 胀喷嘴的管出口相接触；
[0046] -来源于温度低于热源温度而且用于凝结所产生的蒸汽的所谓冷源的液体，从两 相膨胀喷嘴之间的可用空间中以喷雾的形式在两相膨胀喷嘴的管出口处被喷射出，并以在 两相流方向上的高速分量离开两相膨胀喷嘴；
[0047] -两相膨胀装置在两相膨胀喷嘴的管出口处包含可变部分的延伸元件，在从两相 膨胀喷嘴的管出口到延伸两相膨胀喷嘴的通用分流成型导管的出口之间提供了两相流部 分变化的连续性；
[0048] -来源于温度低于热源温度而且用于凝结所产生的蒸汽的所谓冷源的液体，以喷 雾的形式从延伸元件中被喷出，以在两相流方向上的高速分量离开延伸两相膨胀喷嘴管子 的导管；
[0049] -使多个两相膨胀喷嘴能够保持在适当位置的工具包括一个板，两相膨胀喷嘴被 加工成适配所述板，或者与板一起模制；
[0050] -使多个两相膨胀喷嘴能够保持在适当位置的工具包括用于将两相膨胀喷嘴焊接 或粘合在一起的工具。
[0051]根据第二方面，本发明提出一种"英雄"型的涡轮机，在其至少一个臂的末端上，其 包括至少一个上述两相膨胀装置。
[0052]根据第三方面，本发明提出了一种脉冲式涡轮机，其包含至少一个上述的两相膨 胀装置，作为一种注射器使用。
[0053]根据第四方面，本发明提出一种能量转换装置，其使用薄雾抬升技术，包含上述至 少一个两相膨胀装置，用于产生和加速热液体的飞沫，所述利用薄雾抬升技术的转换装置 包括用于同一热源流体连接的工具以及用于同一冷源流体连接的工具。热源例如是热水， 在海平面以下的第一深度处，而冷源是冷水，在海平面以下深度大于第一深度的第二深度 处。
【附图说明】
[0054]附图阐明了本发明的特殊实施例：