径向逆流蒸汽剥离器的制作方法

专利名称：径向逆流蒸汽剥离器的制作方法
径向逆流蒸汽剥离器发明领域本发明应用于废汽处理装置，应用于用于蒸发冷却的装置、真空蒸馏以及应用于 用于在发电厂的节能和节水的装置。
背景技术：
热电厂的水和能量浪费现代的蒸汽发电厂的热效率只有约35%。其燃料的大部分能量被浪费。低效率主 要是由于冷却塔中的散热，其中来自汽轮机排气的废热作为冷却水中蒸汽的潜热被排出到 大气中。出自冷却塔的蒸汽是损失的水以及损失的能量。被用于热电厂冷却水的淡水 (fresh water)正成为推动电力用水和人用水之间的选择的宝贵商品。被常规的热电厂 浪费的水量是巨大的。美国地质勘探局(USGQ估计热电发电每天需要3. 6X 101°立方米 (m3)或者1360亿加仑的淡水。在2000年，在美国，其是淡水排出的39%，略少于农业灌溉 (40 ，而比其他工业和住宅使用多得多。存在对用于冷凝废汽的改进的装置的需要，以防止冷却塔和常规的蒸汽冷凝的水 和能量的浪费。本发明的目的是满足该需要。涡轮废汽电厂涡轮废汽是湿的(wet)，即，其具有高重量百分比的冷凝物。涡轮叶片侵 蚀的关注提出对于0.88的质量(蒸汽的重量百分比)的较低的限制，关于多数涡轮在 0. 90-0. 95的范围内操作。甚至在涡轮内的工作完成之后废汽仍具有高的能量含量或焓 (kj/kg)，但是其能量主要是冷凝潜热(hfg)。潜热必须被吸取以使得水可以冷凝并被裂回 到锅炉中以在兰金循环中被再利用。通过汽轮机的质量流被锅炉的高压推进并同时被蒸汽冷凝器的低压牵引。蒸汽冷 凝器中的蒸汽的冷凝产生通过涡轮牵引更多蒸汽的真空(一般0. 03-0. 4巴(bar))。常规的蒸汽冷凝器(表面冷凝器)包括壳和布置在壳内的管。管是冷却水线路的 一部分。涡轮废汽被注入到壳中，并且通过管循环的冷却水带走废热至冷却塔。冷凝物滴 入热井(hotwell)中并被泵回到锅炉中。冷却水被喷入冷却塔中，其中蒸发冷却抛弃涡轮 排出的废热到大气中。从冷却塔出来的蒸汽是损失的水。冷却水线路中的水量必须通过补 给水来补充，其必须被小心地预处理以防止在管内结垢和生物淤积。冷却水的再利用及其连续的蒸发浓缩所溶解的固体，因此定期排出一些泄料 (blow-down)以净化系统。在冷却水中蒸发积累高浓度的石灰石(碳酸钙，CaCO3)、硫酸盐 及其他成附着物的化合物。附着物是通过管的内壁上的热能沉淀的坚韧且绝缘的结皮层。 泄料具有高百分比的全部所溶解的固体并且是水污染问题以及宝贵资源的浪费。与壳连通的蒸汽喷射器净化任何非可冷凝的气体并还有助于维持壳内的非常低 的气压。冷凝器中的低压是对最优的兰金循环效率的关键。冷却塔被壳和管表面冷凝器的冷却水吸收的废热可以通过将冷却水排出到环境中(一次通过过程)被立即排放，但是因为环境的热污染通常是不可接受的，所以该选择并不被 支持。空气冷却是另一个选择，但是对于大型发电厂，由于散热片和周围空气之间的低热通 量，其并不令人满意，即使是当空气被吹动时。当热负荷大且周围空气热时，例如在炎热的 夏天当很多空调正运转时，空气冷却可能失效。用于可靠的散热的优选的方法是通过蒸发冷却吸取热负荷，以使得冷却水可以通 过管再循环。常规的蒸发冷却方法涉及冷却塔。在冷却塔内，空气的上升气流遇到热冷却 水的喷雾，蒸发使喷雾冷却。一般地，所喷入的冷却水的3-6%通过在冷却塔中的蒸发而损 失，水以及能量的巨大浪费。在一般的具有71，600m7hr的循环速率的700丽燃煤发电厂 中，水的浪费是每小时3，600立方米。核电站和煤气厂在来自其汽轮机废汽的散热中也浪费水，不少于煤厂。关于核电 站的主要选址约束是淡水的短缺。当然，海水或碱性水不为冷却水线路工作，这是因为其含 有在高温下沉淀并将快速堵塞管的形成附着物的所溶解的固体。石油炼油厂具有很大的冷却水系统。每天处理40，000公吨的原油(每天约 300，000桶)的一般的大型炼油厂通过其冷却塔系统每小时循环大约80，000立方米的水， 蒸发和浪费巨大量的宝贵的淡水。将蒸汽排出到大气中不是可持续的做法，并且存在对于 用于不浪费水的散热的可选方法的需要。除了浪费水之外，淘汰冷却塔的另一个原因是其对公共健康造成的威胁。冷却塔 中的温暖、潮湿的环境为引起军团杆菌病的军团病菌提供良好的生长环境，军团杆菌病是 一种通常被称为军队战士疾病的肺炎。研究表明冷却塔的40%到60%被感染有军团病菌。 在离开排气管的漂流物中带走的被感染的雾滴为这些细菌提供输送以与数千米远的人接 触。在美国每年有8，000到18，000人被感染。因此杀菌处理是必要的，并有严格的管理监 督。从冷却塔涌出的被感染的蒸汽是对社区的健康的可见的威胁。发电厂的存在的公 众接受度是选址中的重要考虑因素。其外形与三里岛上的核灾难相关联并发出大量的看起 来像烟的东西的冷却塔不益于公共关系。它们是任何发电厂的突出且令人厌恶的特征。由 于淡水已成为稀有资源，煤、煤气和核发电厂有对冷却塔的替代方案的需要，并且本发明意 图满足该需要。Ranque-Hilsch 涡流管涡流管是不具有移动部分的径向逆流设备，其中进料压强将热分离驱动为冷流和 热流。见Ranque的第1，952，281号(1934)美国专利。涡流管的长度一般在30到50倍管径 之间。在涡流管中热分离如何发生还没有解决，并且感兴趣的推测大量存在。见Chengming Gao 的"Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube，，(Eindhoven 2005) http://alexandria. tue. nl/extra2/200513271. pdf。在操作中，在涡流管的冷端的切向进料嘴喷入加压的气体进料，其沿着管打旋到 部分地堵塞相对端即热端的锥形管阻。锥形管阻是指向冷端的阀，并且围绕锥形管阻存在 通道，锥形管阻中热流以比进料高的温度和比进料低的压强离开。冷流在进料涡流内以轴 向射流从锥形管阻返回，并以比进料低的温度和比进料低的压强离开冷端。因而热流和冷 流都在较低的压强下从进料流中分离出。在非常简单且易于升级的设备中进料压强驱动热 分离。涡流管的商业应用包括用于焊接和机械加工的现场冷却(spot cooling)。
涡流管的级联有在级联的每个接连的级的进料压强减小的问题，带有随之发生的 分离的损失，除非在级之间存在一些进料压强的提高。本发明提供用于在涡流管的多标度 级联中的级间提高的装置。对蒸汽冷凝器的涡流管的应用已经作了一些研究。khwieger的第6，516，617 号美国专利公开使用静态涡流管的级联来分离废汽、级联的每一级产生热流和冷 流的系统。在^^^叩吐系统中，冷流带走冷凝物。在每一级，冷流中的冷凝物被泵加压 并且然后被热流加热，成为次级汽轮机的进料。然而，在天然气分离的现场测试中，在热 流中发现冷凝物，而在冷流中没有发现。lK.Hellyarm“feis Liquefaction using a Ranque-Hilsch Vortex Tube :Design Criteria and Bibliography，，(MIT 1979)http:// dspace. mit. edU/bitstream/handle/1721. 1/16105/07771761. pdf 的第 16 页。该实验结果 是有意义的，这是因为冷凝物比气体浓得多，因此其将在涡流中被离心力分离出并将与热 流一起从涡流被吸取。与该实验结果相符合，本发明教导远离khwieger中所公开的冷凝 物的冷流平流。Nicodemus的第4，037，414号(1977)美国专利也在兰金循环设备中使用涡流 管，其中热流为锅炉的喷嘴上流提供动力，其接收冷流并将冷流与热流混合。Cosby的 4，479，354号(1984)美国专利教导用于在废汽中吸取能量以便改进涡轮的热效率的涡流 管。同样见 Promvonge 等人的 Science Asia 31 :215-223(2005) 发明_既述在其共同的旋转轴处进料涡流废汽的反向旋转空间分离径向流盘涡轮，在其间的 切变层中产生多种尺度的动态涡流管的级联。在是分形紊流的涡流管级联中，两股流从进 料被连续分离出(1)低焓饱和蒸汽的流，其前进到蒸汽冷凝器，以及( 包括高焓饱和蒸 汽、冷凝物和不可冷凝气体的蒸汽。高焓蒸汽损失焓做有用功并远离蒸汽冷凝器冷凝。蒸汽 冷凝器仅须从冷的蒸汽的减小的质量流中吸取潜热，并且不负载不可冷凝物和冷凝物。冷 却水不负载高焓蒸汽中的能量。动态涡流管的级联连接在导管网络中用于轴向吸取低焓饱和蒸汽(第一股流)。 低焓蒸汽从小尺度涡流径向向内流入较大尺度的涡流中并最终流入蒸汽冷凝器中，其沿着 由盘涡流的切变和冷凝器的吸收所建立的低压梯度被汲取。当第二股流(高焓蒸汽、不可冷凝物和冷凝物)径向向外流到在盘涡轮间的空间 的外围之时，第二股流推动盘涡轮，在此处第二股流形成为冷凝物和不可冷凝物。由高焓 蒸汽所做的功减小高焓蒸汽的焓，并且由该功产生的低焓蒸汽落到涡流核心中并被轴向吸 取。常规的方法是将高能量分子和低能量分子都排出到冷凝器中，连同冷凝物和不可 冷凝物一起。本发明剥离出低能量分子并只将它们传递到冷凝器，留下高能量分子、冷凝物 和不可冷凝物在冷凝器外并做有用功用来维持径向逆流推动体制且甚至转动发电机。蒸汽剥离器工作于要不然会完全被浪费在冷却塔的涡轮排出能量。发电机可通过 连接在盘之间的外围驱动轮来运转，从而增加发电厂的效率。通过推动盘，高焓蒸汽损失焓 并冷凝，从而减小在冷凝器上的负载并允许冷却水冷却的更智能的系统。本发明还提供用于在没有冷却塔的情况下再循环冷却水的装置。为了冷却冷却水 并将废热从冷凝器中排出的热分离发生在由径向逆流推动体制驱动的分型紊流中。在轴向进料反向旋转叶轮之间的低压梯度的树形径向阵列提供动态导管网络用于从高紊流中的 冷却水中吸取废热并将蒸汽传送到冷凝器，在此处纯净水被回收。水不会以将蒸汽排出到 大气中的方式而被浪费。在盘之间的切变层中是径向涡流树的阵列，其是分形紊流。小尺度涡流的核心与 较大尺度的径向涡流的核心连通，并同样继续到盘的旋转轴的轴向排出端口。在每个涡流 中，由于密度差异，发生冷水与热水的离心分离。冷的部分前进到紧靠盘的边界层，以及温 的部分留在切变层中。来自盘的动量交换优先地前进到冷水中，其被径向向外平流输送以 收集和再循环。盘由在其之间转动的外围驱动轮来驱动。用于蒸发冷却的大表面区域被在反向旋转离心叶轮之间的切变层中的涡流树的 导管网络呈现。因为密度较低而在涡流核心处收集的冷却水的温的部分通过涡流-壁的相 互作用径向向内被挤到叶轮轴，并且然后被通向具有与冷凝器连通的蒸汽核心的越来越大 的涡流。冷凝器的低压促使温的部分蒸发并排出其在蒸汽中的潜热。带走冷却水的热负载 作为蒸发的潜热的冷的、低焓蒸汽的连续流，径向向内流经涡流核心到盘的旋转轴并从该 处进入到蒸汽冷凝器中，在此处其作为蒸馏水被回收。附图的简要描述

图1示出依照现有技术的Ranque-Hi Isch涡流管。图加示出依照现有技术的关于涡流管中的涡流的旋转轴的速度分布。图2b示出依照现有技术的平行于涡流管中的旋转涡流轴的速度分布。图2c示出依照本发明的动态涡流管中的蒸汽涡流的截面，以及关于旋转轴的速 度分布。图2d示出依照本发明的平行于动态涡流管的旋转轴的径向逆流速度分布。图3示出依照现有技术的兰金循环的示意图。图4示出依照本发明的涡流管级联。图5示出用作径向逆流蒸汽分离器的本发明的优选实施方式的大约一半的示意 性截面视图。图6示出底部叶轮及其转子以及围板壁(shrouding wall)的详细顶视图。图7示出通过工作区的截面，其示出紧靠盘的边界层和在边界层之间的切变层 (shear layer)中的相干涡流。图8示出当切变层的涡流遇到盘的外围处的围板壁时涡流-壁的相互作用。图9示出用作径向逆流蒸发冷却器的本发明的优选实施方式的大约一半的示意 性截面视图。图10示出图9中所示的冷却水冷却器的叶轮的详细顶视图。图Ila示出涡卷状冷凝器的可选实施方式的顶部截面图。图lib示出涡卷状冷凝器的侧视图。附图参考标号1——涡流管2——冷端3——热端4——进料端口
5——锥形管阻6-喷管7-泵8——锅炉9-涡轮10——冷凝器11——底部径向流盘涡轮12——顶部径向流盘涡轮13——反向旋转的径向流盘涡轮11、12之间的工作区14——轴向进料导管15——轴向进料端口16——轴向排出端口17——轴向排出导管18——低焓饱和蒸汽的蒸汽冷凝器19-转子20——隔板21-外围22——外围驱动轮和相关联的驱动轴以及发电机/发动机23——环形围板壁24——冷凝物排放口25——不可冷凝物出口发明的详细描述图1示出依照现有技术的Ranque-Hilsch涡流管。见Ranque的1，952，281号 (1934)美国专利，Chengming Gao, Experimental Study on the Ranque-Hilsch Vortex Tube (Eindhoven 2005) alexandria. tue. nl/extra2/200513271. pdfD 其没有移动部分。涡 流管1包括冷端2、热端3和在冷端和热端之间的切向的进料端口 4。在热端3，锥形管阻5 部分地阻挡流。在冷端2处的是喷管6。加压气体被注入到进料端口 4并在进料涡流中沿 着管壁打旋到锥形管阻5，在此加压气体被分成两个流由箭头所示的冷流和热流。热流绕 过锥形管阻5流出以作为比进料热且压强比进料低的气体离开，并且冷流向冷端回流并作 为比进料冷且压强比进料低的气体流出喷管6。由压降驱动热分离。图加示出依照现有技术的静态涡流管中的蒸汽涡流的截面，以及其关于旋转涡 流轴的速度分布。对于静态壁，如此处所示出的，速度分布从涡流轴径向向外减小到零，涡 流轴由在涡流的中心处的χ示出。虚线示出涡流核心内的径向向内的流(出纸面)从何处 与涡流外围处的径向向外的流(入纸面)分离。图2b示出图加中所示的蒸汽涡流的纵向截面。涡流轴b_b是在涡流的中心。冷 流与进料分离并通过涡流核心的中心向左流，而同时热流向右流并流出涡流管。进料压强 驱动所述逆流，这由与涡流轴b_b平行的速度分布示出。图2c示出依照本发明的动态蒸汽冷凝器中的蒸汽涡流的截面，以及关于由χ示出 的旋转轴的速度分布。视图是从旋转盘轴方向看的。在粘滞动量扩散发生的紧靠(against)叶轮的边界层之间，是包括涡流的切变层。由涡流轴处的吸收推动的汇流通过拉伸涡流轴 增加涡度。撞击叶轮的蒸汽损失焓并且冷凝做功使叶轮转动。在涡流中发生低密度部分(低焓饱和蒸汽)和高密度部分(冷凝物、不可冷凝气 体和高焓饱和蒸汽)的离心分离。低密度部分集中在涡流核心，而高密度部分集中在涡流 外围。在涡流外围处，高密度部分接收来自反向旋转的盘表面的径向向外的动量推进(入 纸面)。所述径向向外的流的粘滞动量扩散不延伸到涡流核心中心处的低密度部分。所述 低密度部分通过涡流轴处的所述吸收以相反的方向即出纸面被平流输送。图2d示出图2c中所示的涡流的纵向截面，以及由盘旋转和轴吸收的所述推动体 制导致的径向逆流。盘的旋转轴a-a在左边示出，且为低压降(low pressure sink)。涡流 轴b-b近似垂直于盘轴a-a。朝着盘轴a-a的低密度部分的从右向左的流是汇流，其发生在 涡流核心的中心。由作为离心式叶轮的盘平流输送的进料的源流和高密度部分是从左向右 的。低焓饱和蒸汽的低密度冷流从源流中分离并通过涡流核心的中心朝着盘轴a-a平行于 涡流轴b-b向左流动，而同时高密度部分的热流向右流动并以尺度越来越小(fine)的动态 涡流管进入级联的下一级中。从轴a-a延伸到外围的低压梯度的导管网络分叉为变成非 常小尺度的有序的紊流的网络。在动态涡流管级联的每一级，低焓蒸汽的冷质量部分从前一级的热流中被剥离。 来自后面的级的冷流与先前的级的汇流在导管网络中合并，并且组合的流流向轴a-a并进 入蒸汽冷凝器18中。蒸汽冷凝器维持驱动质量流通过导管网络的低压。James Clerk Maxwell，同名的电磁基本方程的作者，通过提供公式以图示气体中 分子速度的分布，对气体的动力学理论作出重要贡献。气体的麦克斯韦速度分布是在其χ 轴上具有分子速度和在y轴上具有该速度的分子的数量的钟形曲线。曲线的峰顶是通过以 下公式找到的最可能的速度(Vp) :vp= ORT/M)"2[其中R是8.31J/mol.K;M是单位为kg 的摩尔质量；以及T是单位为开的温度]。气体中的分子平均速度由公式χ= (SRT/πΜ)172 给出，并且均方根速度由公式ν·= (3RT/M)"2给出。对于所有的温度，Vp <χ< ν·。本发明的涡流管级联剥离级联的每一级的麦克斯韦分布的缓慢的尾部，留下剩余 部分作为级联的随后的级的进料。来自反向旋转盘的动量交换驱动质量流通过级联的后面 的级，该盘作为存储来自先前的质量流的动量的惯性轮(flywheel)。废汽的涡流包括冷凝物，其自湿蒸汽进料、不可冷凝的气体和蒸汽中已经是存在 的。这些部分的最小密度的部分是蒸汽(摩尔质量18g/mol)，其比氧(32g/mol)、氮胸 mol)或二氧化碳G4g/mol)的密度小得多，且比冷凝物的密度小得多。冷凝物和不可冷凝 物由于其较高的密度从涡流核心离心分离到涡流外围。蒸汽聚集在涡流核心处。根据查阅蒸汽表格，废汽的高焓部分具有比低焓部分高的密度。因此高焓部分连 同冷凝物和不可冷凝物一起被离心分离出，留下低密度低焓部分在涡流核心处。高焓部分 是包括高速度分子的麦克斯韦速度分布的部分，其具有高动能。低密度部分是低焓部分，其 是包括低速度分子的麦克斯韦速度分布的部分，其具有低动能但其承载潜热的重负载。在本发明所公开的动态蒸汽冷凝器中，麦克斯韦分布的缓慢的尾部(其是废汽的 低焓和易于冷凝的部分)集中在径向树涡流的核心处，并且沿着涡流轴径向向内平流输送 到由高尾部驱动的反向旋转盘的旋转轴a-a，其在相反的轴向方向上行进。通过麦克斯韦分布的高尾部和低尾部的所述径向相反的平流输送，拉伸涡流轴维持用作进到冷凝器中的低密度、低焓部分饱和蒸汽的汇流导管的径向涡流的相干性 (coherence)0具有正切于微小涡流的外围所指示的其固有速度的麦克斯韦速度分布的高速分 子将受到非常高的g力，其为了从在涡流的核心中徘徊的低速分子进行离心气体的分离。 在这些极小的气体离心机中的热分离通过在径向涡流中高焓部分和低焓部分的相反的径 向平流输送被聚集，这是由于反向旋转的离心叶轮的径向逆流推动体制和轴向泵浦。蒸汽涡流中的任何分子的径向加速度a由公式a = v2/r给出[其中ν是单位为 m/s的切向速度；以及r是单位为米的涡流半径]。径向加速度a除以在地球表面上的重力 加速度(9.81m/s2)得到离心分离的g。对于麦克斯韦速度分布的高速分子，ν将是高的，并 且因此高焓部分将受到比较慢的低焓部分高的g。在小半径涡流，例如在切变层的径向树涡 流中的小尺寸细枝中，前述的径向加速度公式指示关于涡流轴的径向加速度a将是非常高 的，因此在分形(fractal)紊流中应有非常出色的热离心分离。分离的部分不会再混合，而 是在径向逆流中被反向地平流输送，其中低焓部分径向向内行进到轴a-a，以及高焓部分径 向向外行进到盘的外围。例子径向蒸汽涡流的切向速度在与以每秒3转的反向旋转的盘的旋转轴a-a 距离5米的点被测量。涡流半径!·是lcm。关于涡流轴，径向加速度(向心加速度)a = (2X5X π X3)70.01 = 888，264m/s2，其超过90，000g。如果涡流半径是1_，根据密度对 于蒸汽部分的离心分离有超过900，OOOg的径向加速度，并同样继续通过在切变层中的较 小尺度的涡流。通常，由于各向同性紊流，蒸汽涡流中的冷部分和热部分的非常高g的离心分离 是短暂的，其几乎立即将分离的部分再混合。本发明提供用于聚集各向同性紊流中的蒸汽 涡流的极小分离效应的装置以使无数的微小涡流的冷涡流核心可以从废汽或冷却水中剥 离。穿透切变层的低压梯度的网络为来自连接在分叉级联中的无数的涡流管的冷流提供汇 流导管。当级联分叉到外围之外时，来自盘的动量交换维持进入较小尺度的动态涡流管中 的进料压强，因此紊流不成为各向同性的。在盘之间废汽的停留时间可以借助于环形围板壁23被控制，环形围板壁23(通过 涡流-壁的相互作用)促使再循环流朝向轴向进料入口。长的停留时间允许废汽的热部分 的有效的离心分离。下面在图5下所讨论的，在蒸汽分离的优选实施方式中，冷流将低焓、低密度饱和 蒸汽带走到蒸汽冷凝器。冷凝物、不可冷凝气体和高焓蒸汽离心离开涡流核心并被迫做功， 从而损失焓。作为麦克斯韦速度分布的高速尾部的高焓蒸汽被迫做功并从而损失焓，所以 其可以加入至冷凝器的冷流质量流。因而，蒸汽冷凝器具有较为容易的工作，在进入的流中 带有减少的质量流和较低焓。当剩余部分在冷凝器18的外部冷凝时，废汽中的其他损失的 能量以有用功被部分地聚集。下面在图9下所讨论的，在冷却水的蒸发冷却的优选实施方式中，涡流核心处的 蒸汽流带走潜热。在涡流的径向分形树网络中有高的表面区域，并且高质量流从涡流网络 的表面带走蒸汽并使其进入到冷凝器中，从而使冷却水冷却。图3是示出依照现有技术所使用的、用于发电的兰金循环的示意图。在常规的兰 金循环中有四个基本元件泵7、锅炉8、涡轮9和冷凝器10。冷凝器10包括用于与环境热交换的装置，例如冷却塔或空气冷却器，以使热被排出到循环外。热通过锅炉被输入到循环 中，并且因而被引入的能量的部分被转化为功并通过涡轮输出。当来自锅炉的过热的蒸汽 膨胀通过涡轮并做功，其损失焓并成为饱和废汽进入到冷凝器中。在冷凝器处，蒸汽再次变 成液体。泵将冷凝物泵入到锅炉中并重新开始兰金循环。通过从锅炉到冷凝器的系统示出 热流。还有从泵到涡轮的工作流(work flow)。通过在涡轮的排汽装置处提供低压降来拉动高质量流通过涡轮，这对于兰金循环 的效率是有益的。为了该目的，冷凝获得真空。潜热被转移到外部流体，例如冷却水。虽然 一些浪费的能量可以加热进料水的方式被再循环到锅炉，并且一些废汽可以被重新加热并 被重新注入到涡轮中，但是废汽中的大部分能量通过蒸发冷却被排出到大气中。这是对水 和能量的浪费。涡轮废汽包括冷凝物和不可冷凝气体，其两者都是冷凝器上的浪费的负荷。蒸汽 是高温饱和蒸汽，其因为它的高温而具有宽泛的分子速度的麦克斯韦分布，其包括与更易 冷凝的低速分子混合的高速分子的大的尾部。本发明将低速蒸汽分子与冷凝物、不可冷凝物和高速分子分离。冷凝器具有更容 易的工作，并且兰金循环的效率被改进。见图5的讨论。图4示出三个涡流管的级联。示出的是具有实体壁的涡流管，以使图示更加容易。 图5和图9中所示的优选实施方式的“管”是动态产生的、关于在贯穿切变层延伸的径向树 网络中的旋转的叶轮轴a-a配置的分叉涡流。高密度部分，例如冷凝物、不可冷凝气体和高 焓蒸汽被离心离开涡流核心并在围绕切变层中的涡流的高密度外围壳内冷凝。相邻接的推 动的涡流共同旋转并在其外围处挤压在一起，产生的紊流包括它们之间的无数的小尺度的 涡流。由关于较大尺度的涡流的小尺度的紊流产生的管阻限制较大尺度涡流中的流体，对 涡流管级联的“壁”做出贡献。这在图7中示出。静态涡流管的级联，例如由^Awieger的第6，516，617号Q003)美国专利公开的 级联的缺点是，进料压强必须通过级之间的泵送来恢复，以保持后面的级中的分离效果。这 个缺点在本发明中所公开的动态涡流管级联中被避免，这是因为来自反向旋转盘的动量交 换为后面的级泵送进料压强。在级1，废汽从涡轮9打旋进入涡流管中且在其中被分为冷流和热流，如流箭头所 示。冷流前进到冷凝器18，在此处冷流通过本领域已知的适当装置例如空气冷却器或水冷 却器来冷凝。热流成为级2的进料，在此处其被分为热流和冷流。冷流从级2前进到冷凝 器18，并且热流成为级3的进料。在每个级转变中，当质量被剥离到冷流中时热流的质量减 小。余留在热流中的是冷凝物、高焓蒸汽和不可冷凝物。在级联的每一级剥离掉的冷质量部分是具有低比焓的饱和蒸汽(能量含量，以单 位kj/kg测量)。这是麦克斯韦分布的缓慢的尾部，蒸汽中的低速分子。其被吸收到冷凝器 中，这是因为其压强高于冷凝器中的压强。这些低速分子的流仍然处于气体状态，但易于冷 凝并且排放其撞击冷凝器的冷表面的潜热。这些慢的分子施加低压。蒸汽压强越低，潜热 越高。因此剥离掉缓慢的尾部到由分形紊流建立的低压网络中将导致仅使用可以将大量潜 热负载携带到冷凝器中的蒸汽，留下高焓蒸汽排出其能量反向旋转相对的盘涡轮。剥离掉 缓慢的尾部、留下废汽质量的相当大的部分做功并在冷凝器外部冷凝，减少到冷凝器中的 质量流并且从而允许在给出的冷却水处较低的冷凝器压强输入，其改进工厂效率。
饱和蒸汽的蒸汽表格的查看揭示当温度和压强减小时饱和蒸汽的比容(m3/kg)增 加。比容是密度的倒数。在饱和蒸汽的涡流中，作为在任何涡流中的压强比涡流外围低的 涡流核心具有比涡流外围高的比容(较低的密度)。涡流中的离心作用将涡流核心处的冷 的低压低焓部分与涡流外围的热的高压高焓部分集中。冷凝物被离心离开涡流核心到涡流 外围处的热的高焓蒸汽，并吸收一些其能量，允许高焓蒸汽变成低焓蒸汽并且然后加入至 冷凝器的冷流的径向向内的流。不可冷凝气体不能加入冷流，这是因为其密度高于水蒸汽 的密度，因此在级联的每一级不可冷凝物连同冷凝物一起被离心分离出涡流核心进入热流 中。例如，压强为2巴的湿的(质量=0. 95)废汽具有120. 2°C的饱和温度。其焓是在 该温度和压强下的饱和液体(冷凝物)的焓和饱和蒸汽(干蒸汽)的焓，其分别是504. 7kJ/ kg和2201. 9kJ/kg的和。干蒸汽的质量部分是0. 95kg，以及冷凝物的质量部分是0. 05kg。 对于一千克的废汽，冷凝物中的能量是0. 05X504. 7kJ/kg = 25. 2kJ0该液体能量不应前 进到冷凝器中，这是因为液体不需要冷凝且120. 2°C的液体水在冷却管上覆膜并加热冷却 管，从而阻止吸取潜热到管中的工作因此蒸汽可以冷凝。蒸汽中的能量是0. 95X2201.9 = 2091. SkJ0让我们规定从管滴落进入热井中的冷凝物处于40°C。冷凝器中的压强是这个温 度下的饱和压强，或0. 07巴。涡流核心压强将低于2巴的进料压强，因为涡流是低压梯度，在此处压强径向向 内到冷凝器下降。让我们选择级联中核心压强是还大于0.07巴的冷凝器压强的0.3巴 的一点，因此流是从涡流核心到冷凝器中。被剥离的干蒸汽的饱和温度是69°C，并且其焓 是2625. 3kJ/kg，包括2336. lkj/kg的潜热。废汽(120. 2V )中的蒸汽的比焓的恢复仅为 2201. 9kJ/kg。因此前进到冷凝器中的每千克的质量正携带比废汽高的潜热负载、处于较低 温度，且没有冷凝物。到冷凝器18中的流由于涡流管中的涡流-壁的相互作用(见图8)而通过轴向射 流推动，并被冷凝器18的较低压强拉动。图5示出用于实践用于废汽分离的本发明的涡流管级联方法的优选实施方式的 大约一半的示意性截面视图。涡流管级联是在反向旋转盘之间的径向涡流树的阵列，当对 级联的进料流从轴a-a径向向外的流时，带有构成级联中的多个连续级的越来越小尺度的 涡流。涡流管级联的“壁”是涡流树中的涡流的外围。在所述外围处的是废汽中的高密度 部分的集中，包括冷凝物、不可冷凝气体和高焓蒸汽，其每个比涡流核心处的低焓蒸汽更稠 密。围绕每个涡流外围的是较小尺度涡流的紊流护层(sheath)，其用以抑制旋转流并保持 涡流相干。一级的高密度部分成为级联的下一级的进料。具有共同的旋转轴a-a的相对的可反向旋转的径向流盘涡轮11、12在其间限定工 作区13。盘优选地被连接到用于使其反向旋转的装置，例如驱动发动机，以便促进启动。在 下述的讨论中，废汽是通过外围布置的驱动轮22为盘旋转以及发电的动力，但是当它们被 启动时盘的补充动力将是必要的，这是因为盘具有高旋转惯性。发电机的驱动轮22作为制 动装置以控制盘速。在启动时将发电机转换为发动机将使盘达到操作期望的速度。盘作为 惯性轮，存储来自先前的蒸汽处理的角动量以将动量中的一些转移到进来的进料中。来自 盘的动量交换驱动质量流通过盘之间的切变层中的动态涡流管级联。轴向进料导管14引入废汽通过轴向进料端口 15进入到反向旋转盘11、12之间的工作区13。轴向进料端口 15是在顶部盘12的中心。底部盘11的中心处的轴向排出端口 16与轴向排出导管17连通，轴向排出导管17又与冷凝器18连通。冷凝器可以是空气冷却 表面冷凝器、水冷却表面冷凝器或本领域已知的其他类型的蒸汽冷凝器。每个径向流盘涡轮11、12包括面对工作区的转子19。在盘上转子的布置在图6中 示出。转子以环形的组布置并从盘延伸到工作区13中。优选地，转子是耐用的且不是易碎 的材料，其适合于在废汽的温度下工作。通过轴向进料端口 15被引入的废汽膨胀到工作区 13中并撞击转子19，从而促使盘11、12关于轴a-a以相反的方向旋转。由蒸汽到转子表面 的流动路径的非常小的角度来防止对转子的腐蚀。可以看到这种布置与离心泵的转子相 似，只有在这种情况下其是推动叶轮的流体，而不是反之亦然。由螺旋转子19连接到顶部盘12的隔板20与轴向进料端口 15相对布置。隔板及 其连接的转子将通过轴向进料端口 15引入的废汽指向到径向向外进料流中，该径向向外 进料流从轴a-a通过工作区13到处于盘11、12的边缘处的工作区的外围21。通过工作区 的废汽质量流使隔板及其转子连同顶部盘12—起旋转。隔板20提供轴向排出端口 16与 轴向进料端口 15的隔离。质量和热不能够从轴向进料端口 15直接流到轴向排出端口 16 中，但是必须径向向外流动并且然后首先径向流入工作区13中。在优选的实施方式中所示 的隔板20是结合在其底部的两个锥形物并被布置在工作区中以使每个锥形物的顶点指向 端口。围绕隔板20的流向由箭头示出。工作区是通过工作区13的径向向外的废汽进料流的扩张型喷管。在其膨胀中，废 汽也做功，通过撞击盘上的转子以相反的方向关于轴a-a推动盘，如以上所提到的。撞击使 废汽损失焓并冷凝。当流动继续从轴a-a径向向外时，冷凝物、不可冷凝气体和撞击蒸汽继 续推动转子19。在外围21处是驱动轮22。驱动轮22与盘11、12啮合以使盘的旋转引起驱动轮旋 转并产生电。在启动时，发动机代替发电机被连接到驱动轮，并且驱动轮的旋转引起盘反向 旋转。借助于驱动轮及其相关联的作为推动器/制动器的发动机/发电机，盘的旋转被维 持在期望的速度上。由被连接到外围驱动轮22的发电机产生的电流优选地用于为图9中所示的冷却 水冷却器的离心泵供电。或者来自热流做功的外部动力可以增加工厂的输出。当流从轴a-a径向向外流动时，工作区13的切变层中的径向涡流分叉为在其外围 具有冷凝物的越来越高质量部分的越来越小尺度的涡流，以及抑制其越来越小半径的涡流 的越来越快的旋转的越来越相干的壁，且因而对于废汽中的冷部分和热部分的涡流分离的 越来越高的g。在外围21处是面对工作区的围板壁23。冷凝物和不可冷凝物围绕围板壁离开工 作区，这是因为它们紧靠盘11、12被径向向外平流输送。围板壁增加对通过切变层径向向 外的流的阻力。遇到围板壁23的切变层的蒸汽涡流经受涡流-壁的相互作用，如图8中所 示出的。在涡流-壁的相互作用中，通过涡流的核心的强回弹的轴向射流增加其涡度并收 紧极度离心分离的涡流。切变层中涡流核心上的回压驱动汇流朝向轴a-a径向向内通过涡 流核心，通过轴向排出导管17并进入冷凝器18。在围板壁上蒸汽涡流外围的撞击期间的高压增加离开外围的冷凝物，其通过冷凝 物排放口 M被排掉并被泵入锅炉中以重新开始兰金循环。优选地，围板壁23包括用于使外部冷却流体循环的装置以使围板壁作为表面冷凝器。冷凝器18引起导致质量流径向向内通过工作区13并通过轴向排出端口 16的真 空。通过轴向排出端口 16并进到冷凝器18中的质量流是饱和蒸汽，其具有比流经轴向进 料端口 15的废汽的焓小的焓(kj/kg)但携带每单位质量较高的潜热负载。废汽进料中的不可冷凝气体根据其较高的密度被从所述径向向内的质量流中排 除。不可冷凝气体的摩尔质量(例如^g/mol的N2*32g/mol的O2)比干蒸汽的摩尔质量 (18g/mol)高。不可冷凝物继续径向向外并在盘外围以适当的方式通过不可冷凝物出口 25 被排出。紧靠着每个盘11、12的是边界层。盘作为惯性轮，存储来自先前的流的蒸汽能量， 并通过其旋转惯性提供用于推动工作区13中的各向异性紊流的装置。这在图7中被示出。 在反向旋转的边界层之间的是自由切变层，其包括在最终与冷凝器连通的低压梯度的导管 网络中的各向异性分形紊流，允许从切变层到冷凝器中的低焓蒸汽的连续吸取。在一开放系统中，带有s -1且盘间隔远小于盘半径的Von Karman旋涡流在工作 区13产生，其提供用于同时关于轴a-a的热流径向向外以及冷流径向向内的径向逆流的装 置。系统是开放的，这是因为有连续的质量流(通过轴向进料端口 15)进并(通过轴向排出 端口 16和工作区13的外围21)出。径向涡流从轴a-a像轮子上的辐条一样延伸。径向涡 流为进到轴向排出端口 16中的连续汇流提供通过工作区的相干导管。径向涡流分叉为越 来越小尺度的涡流从轴a-a径向向外。低压梯度的树形分形网络提供分支投射(branching projection)到由冷凝器18中的冷凝产生的真空的工作区13中。低压梯度网络还提供用 于从废汽中连续吸取低焓质量部分、留下在热流中集中的进料能量并推动盘做功的装置。在图4的讨论中所解释的涡流管级联在此处是在切变层中的径向涡流树中实践。 靠近外围的紊流的小尺度涡流关于轴a-a更加径向向内地进料冷流至较大尺度的涡流，并 且存在从较大尺度涡流到较小尺度涡流的热流的相对径向流动。涡流级联中的热流和冷流的径向逆流影响质量流的热分离，以使热流可以做有用 功并且从而损失焓并在冷凝器外部变成冷凝物，同时冷流在本领域已知的冷凝器中易于被 冷凝。图6示出包括布置在环形阵列中的转子19的底部盘11的一部分的顶视图。此处 所示的是从左向右倾斜的直线式转子，以使转子之间的废汽的流导致逆时针方向的旋转， 如由箭头所示。涡轮叶片设计的技术发展得很好，并且根据本领域普通技术人员的知识，弯 曲的转子可以是更可取的。叶轮的重要特征在于它们通过撞击薄雾或爆聚蒸汽是抗腐蚀 的。撞击薄雾和蒸汽的入射角是非常小的，因此转子被侧击冲击并且湿蒸汽、冷凝物和不可 冷凝物在其上滑过。优选地，转子涂覆有抵抗破裂且在涡轮所用的废汽的温度下将不降解 的耐用且柔韧的材料。例如，热固性乙烷。可选地，转子19可能是连续的螺旋。当盘11、12彼此相对地布置时，如在图5和图 9中所示的优选实施方式中，以重叠方式从上观察，螺旋能是相反方向的。换句话说，与不可 见的顶部盘一起从上观察，螺旋能具有大量的交叉点，其中相对的盘的转子19是紧靠在一 起的。从轴a-a径向向外流经盘之间的工作区13的废汽推动盘关于轴a-a反向旋转。以 重叠的方式观察，转子的环形阵列能同样地在相反方向上倾斜以导致盘11、12关于轴a-a 以相反的方向旋转。
废汽通过轴向进料端口 15进料到工作区13，轴向进料端口 15由虚线圆所示，这是 因为其是顶部盘12 (未示出)上的中心开口。径向涡流在工作区中在盘及其转子上方被示 出。顶部盘12还包括转子，但当以叠加的方式看到底部盘11的转子时，其转子从右向左倾 斜。因此顶部盘由于废汽的流而顺时针旋转，与底部盘的旋转相反。这些相对的低压盘涡 轮11、12的反向旋转产生在它们之间的切变层，在其中包括径向涡流。径向涡流是饱和蒸 汽径向向内到盘的共同旋转轴的汇流导管。刚好在盘11、12的外围的外部的围板壁23径 向向外拦截废汽的流并导致涡流-壁的相互作用，其驱动汇流通过切变层的径向涡流。涡 流-壁的相互作用在图8的讨论中被解释。与兰金循环(未示出)的锅炉进料泵的入口连 通的冷凝物排放口 M提供用于吸取从反向旋转盘11、12之间的工作区发出的冷凝物的装 置。不可冷凝物以适当的方式通过工作区13的外围21处的不可冷凝物出口 25排出。与 不可冷凝物出口 25连通的不可冷凝物泵，例如蒸汽喷射器，将有助于径向向外驱动流通过 工作区13。优选地，围板壁23包括用于热交换的适当装置。用于热交换的这样的适当装置可 以包括与单独的散热装置例如盐水冷却器连通的冷却的外部冷却流体的套。围板壁处的废 汽的冷凝导致外围真空通过反向旋转盘11、12之间的工作区汲取更多的废汽。冷凝物滴入 收集器并被泵回锅炉以重新开始兰金循环。不可冷凝物被排出到大气中。图7示出盘11、12之间的工作区13的截面，其中是多个许多尺度的涡流。盘的反 向旋转产生边界层之间的切变层。边界层径向向外流入纸面。边界层是在盘和废汽进料之 间发生粘滞动量扩散的地方，其导致盘以相反的方向旋转，如所示出的。包括高焓蒸汽、冷 凝物和不可冷凝物的边界层以与旋转盘相同的速度旋转。盘由撞击的蒸汽来推动，并且作 为惯性轮以存储来自先前的质量流的角动量以便驱动质量流到在盘之间的动态涡流管级 联的较小尺度的级中。在径向向外进入纸面的流中，湿的废汽进料被切变层的紊流阻力和来自盘表面及 其相关联的转子的阻力阻止，但是由从在盘之间的轴a-a径向向外的膨胀空间(其是扩张 型喷管)和通过平流输送紧靠它们的边界层的盘的旋转被援助。因此在径向向外的流中， 废汽中的蒸汽将被阻止，并且冷凝物和不可冷凝物将被发送出。径向向外的质量流导致盘 关于轴a-a反向旋转，并且角动量被存储为在惯性轮中。由先前的蒸汽进料所给予的角动 量被用于使后面的进料的涡流转动，从而克服在涡流级联的后面的级处的压降的问题。超 过使蒸汽涡流转动所需的角动量的角动量可以被用于驱动发电机并增加工厂的电力生产。反向旋转盘之间的切变和向外的平流输送，以及来自在盘轴a-a处引起真空的冷 凝器的轴向吸收，构成径向逆流推动体制，该体制从边界层中的轴a-a径向向外连续地平 流输送高密度部分(冷凝物、不可冷凝物和高焓蒸汽)以及通过盘之间的切变层中的径向 涡流的汇流网络径向向内连续地平流输送低密度部分(低焓蒸汽)。紧靠盘的废汽的部分 推动盘并使它们反向旋转。在引起盘反向旋转的做功过程中，高焓饱和蒸汽损失焓并且从 而损失质量。低焓蒸汽在径向涡流中被吸取，并且冷凝物径向向外行进。当废汽流径向向 外(进入纸面)行进时，其包括越来越高质量百分比的冷凝物。在废汽进料的高密度部分，例如冷凝物、不可冷凝物气体和高焓蒸汽，比低焓饱和 蒸汽稠密。因此在盘11、12之间的切变层中的径向涡流的涡流核心将为低焓饱和蒸汽。在 切变层中是许多尺度的大量涡流。为了说明在此处示出涡流核心的被放大的截面，其带有切变层中的邻接涡流的旋转方向。在邻接的大尺度的径向涡流的外围，无数的小尺度涡流 通过其紊流阻力和其高冷凝物和不可冷凝物含量抑制大尺度涡流。外围紊流的作用与涡流管中的物理壁的作用相似。在小尺度的紊流中，小半径的 涡流的高旋转速度产生关于涡流轴将高密度部分和低密度部分离心分离并径向分层的非 常高的g。当然，有很多尺度太小已致不能在此处示出，但是关于每个尺度的涡流都有限制 旋转的更加小尺度的紊流的外围边界。不管旋转方向和涡流尺度，涡流轴对于轴a-a主要 是径向的。切变层中的涡流轴的径向排列是因为(1)盘11、12的反向旋转；(2)通过切变 层的低压梯度的冷凝器的吸收，以及(3)由于涡流-壁的相互作用的涡流核心的轴向射流 (见图8)。对于蒸汽冷凝，如关于图5所讨论的，实质上不含冷凝物和不可冷凝物的低焓饱 和蒸汽是比高焓、低质量涡轮废汽更容易的工作。对于冷却水冷却，如以下的关于图9所讨论的，涡流外围是高密度冷水，并且涡流 核心是低密度温水和低密度饱和蒸汽。径向向内(进入纸面)剥离出蒸汽涡流核心产生通 过边界层进入纸面的径向向外的流中的冷水的集中。通过由低焓蒸汽剥离减小前进到冷却水中的热负载并推动高焓蒸汽做功，以及通 过分形紊流进行冷却水的动态蒸发冷却，避免水的浪费并且增加能量效率。图8示出涡流-壁的相互作用。见V. Sitern等人的Ann. Rev. FluidMeek 1999， 31 :537-66,pp. 540-42, 545-46, 551 (1999) 径向涡流撞击壁，例如围板壁23。涡流旋转由 点和叉的规范示出。涡流旋转突然停止(stall)，这导致收缩和轴向回弹射流通过涡流核心，由直的流 线型实线示出。轴向回弹射流是在与进入的涡流的相反方向上，远离围板壁23。轴向回弹 射流具有高的轴向涡度和高的轴向动量。来自切变层的紊流涡流的涡流-壁的相互作用的 涡流核心包含低密度、低焓饱和蒸汽，其通过涡流-壁的相互作用被朝着冷凝器18推动。在 撞击期间的角动量的转化增加涡流的角速度，离心离开可与涡流核心中的冷流混合的高密 度部分，例如冷凝物。围板壁23上的蒸汽涡流的撞击压缩蒸汽。冷凝物的膜覆盖围板壁，并且冷凝物通 过排放口 24(此处未示出，见图6)由兰金循环(未示出)的锅炉进料泵吸收。在从冷凝器获得转向并做功转动发电机以及撞击围板壁之后，废汽中的高焓饱和 蒸汽质量部分产生通过冷凝物排放口 M收集的冷凝物。低焓饱和蒸汽质量部分，即麦克斯 韦分布的缓慢尾部，从轴向排出导管17出来并进入冷凝器18中，在冷凝器18其被本领域 已知的适当装置冷凝。图9示出用于冷却水的动态蒸发冷却的本发明的优选实施方式的大约一半的示 意性截面视图。该图示出一组这样的设备的一个单元，用于代替冷却塔作为用于冷却来自 水冷却热交换器的冷却水的装置。冷却水的进料在同时的源汇流(source-sink flow)或径向逆流中被蒸发冷却，其 通过反向旋转盘11、12之间的工作区13。连接到发动机(未示出)的驱动轮22促使盘11、 12关于轴a-a反向旋转并且从而径向向外平流输送流体，而同时冷凝物引起在轴a-a处的 真空并且从而径向向内平流输送流体。同时的源汇流或径向逆流发生在工作区13中。在轴a-a处进料进入工作区中。冷却水径向向外流，并且饱和蒸汽径向向内流。通过轴向排出导管17与工作区13连通的冷凝器18中的蒸汽的冷凝维持在轴a-a处的真空， 并有助于将饱和蒸汽的汇流驱动到工作区外。蒸汽通过在盘之间的自由切变层中的径向涡流树阵列的涡流核心被剥离，其在包 括盘和冷凝器的由径向逆流推动体制驱动的von Karman旋涡流中。这是开放系统，带有同 时通过轴向进料端口 15入的质量流和通过轴向排出导管17和外围21出的质量流。冷却 水的径向向外流进料的蒸发冷却降低其温度。通过蒸发冷却中的径向涡流被吸取的蒸汽可 被排出到大气或作为蒸馏水被回收。切变层中的径向树涡流具有大的表面区域和在这个表 面区域之上的高的驱动质量流，因此蒸发冷却是快速且剧烈的。具有共同的旋转轴a-a的相对的可反向旋转的盘11、12限定在盘之间的工作区 13。轴向进料导管14引入通过轴向进料端口 15到工作区13中的冷却水。轴向进料端口 15是在底部盘11的中心。顶部盘12的中心处的轴向排出端口 16与轴向排出导管17连 通，轴向排出导管17又与冷凝器18连通。冷凝器可以是空气冷却表面冷凝器、水冷却表面 冷凝器、冷却器或本领域已知的其他类型的蒸汽冷凝器。轴向排出导管17提供用于将饱和 蒸汽从工作区13平流输送到冷凝器18的装置。在轴向排出管17和冷凝器18的中间的增 压泵(未示出)，例如离心泵或蒸汽喷射器，能够帮助将蒸汽平流输送到工作区13外。在操 作中，当盘11、12关于轴a-a反向旋转时在轴a_a处保持真空。面对工作区的盘的表面包括用于从轴a_a径向向外平流输送冷却水的离心泵装 置。虽然盘11、12以相反的方向旋转，但每个盘都是冷却水的离心叶轮。由螺旋转子19连接到底部盘11的隔板20相对于轴向进料端口 15布置。隔板及 其连接的转子将通过轴向进料端口 15引入的冷却水指向到径向向外进料流中，该径向向 外进料流从轴a-a通过工作区13到处于盘11、12的边缘处的工作区的外围21。隔板及其转子连同底部盘11 一起由驱动轮22或其他适当的装置来旋转。隔板20 防止流从轴向进料端口 15直接到轴向排出端口 16中。冷却水被促使径向向外流动在工作 区13中。优选的实施方式中所示的隔板是结合在其底部的两个锥形物并被布置在工作区 中以使每个锥形物的顶点指向端口。围绕隔板20的流向由箭头示出。在外围21处是面对工作区的围板壁23。碰到围板壁23的切变层的涡流受到上面 图8中所示出和讨论的涡流-壁的相互作用。在涡流-壁的相互作用中，向后通过撞击冷 却水涡流的核心的强轴向射流增加其涡度并收紧极度离心分离的涡流。涡流核心处的低压 导致小尺度毛细涡流形成，并且毛细涡流与在反向旋转盘11、12之间的冷却流体中贯穿切 变层的低压梯度的导管径向树网络中的较大尺度的涡流连接。冷却水的蒸发冷却通过大表 面区域发生，径向向内质量流扫过该大表面区域通过涡流网络进入冷凝器中。冷凝器18引起促使质量流径向向内通过工作区13中的涡流网络并通过轴向排出 端口 16的真空。通过轴向排出端口 16并进到冷凝器18中的质量流主要是从冷却流体带 走潜热的饱和蒸汽。紧靠盘11、12中的每一个的是边界层，在此处动量的粘滞扩散发生并且冷却水连 同盘一起旋转。这在图7中被示出。在反向旋转的边界层之间的是包括各向异性紊流即上 面所讨论的径向涡流网络的自由切变层。在开放系统中，Von Karman旋涡流在工作区的切 变层中产生，其提供用于冷却水从轴向进料径向向外且饱和蒸汽径向向内到轴向吸取的连 续径向逆流的装置。
径向涡流从轴a-a像轮子上的辐条一样延伸。径向涡流为进到轴向排出端口 16 中的主干汇流提供通过工作区的相干导管。径向涡流分叉为从轴a-a径向离开的越来越小 尺度的涡流。低压梯度的树形分形网络提供分支投射到由冷凝器18中的冷凝产生的真空 的工作区13中。低压梯度网络还提供用于连续吸取蒸汽通过大表面区域的装置。蒸汽可 作为作为发电的副产品的有价值的蒸馏水在冷凝器外回收。依照本发明的冷却水的蒸发冷却或冷却动态地将冷却水冷却到低温，因此在蒸汽 冷凝器中的压强减小，且工厂的效率增加。水没有被浪费到大气中。冷却塔可由本发明来 补充或者甚至代替。冷却水蒸汽冷凝器优选地包括冷却流体线路，该冷却流体线路包括除水之外的冷 却剂。例如，冷却流体可以是盐水，其又被冷却剂冷却。进到环境中的最终的散热不涉及蒸 汽的排放。代替地，例如，冷却技术领域中已知的方法，例如冷却剂蒸汽的压缩与热交换散 热片的推动对流空气冷却或未汽化的环境水的推动对流相结合，将潜热从冷却剂中取走并 将其排放到环境。空气冷却是可行的，这是因为热加载到冷却水线路并因此加载到冷却水 蒸汽冷凝器及其相关联的冷却剂，其通过废汽的热分离已经被改善以隔离高焓蒸汽，其是 上面所详细描述的麦克斯韦分布的高速尾部。一系统能有效地减少水的浪费并改进发电厂的热效率，尤其是在由高焓废汽部分 所作的有用功为径向逆流冷却器供以动力的时候，该系统包括(1)依照图5的用于从废汽 剥离低焓饱和蒸汽并指示高焓蒸汽、冷凝物和不可冷凝物做有用功的改进的废汽冷凝器， 以及( 依照图9的径向逆流冷却器，其蒸发冷却在所述改进的冷凝器中所使用的冷却水， 且拒绝没有蒸发的热进到环境中。图10示出图9中所示的冷却水冷却器的叶轮沈的详细顶视图。分叉径向涡流作 为用于饱和蒸汽的汇流进到冷凝器中的导管。冷却水的进料流来自于轴向进料端口 15并 与所述饱和蒸汽的汇流同时径向向外流动。进料的径向向外流通过叶轮的旋转来驱动，这 是由外围驱动轮所导致的。叶轮是离心泵。图Ila示出用于接收低焓饱和蒸汽的流的涡卷状冷凝器的顶部截面图。这是前述 的图5和图9的讨论中所提到的冷凝器18的可选实施方式。蒸汽从入口径向向内流动，通 过涡卷状螺旋形通道观并进到冷凝物管四中。在所述流动期间，蒸汽通过涡卷状螺旋形 通道28的壁将其潜热排放到冷却流体库32中的冷却流体30中。不可冷凝物穿过涡卷状 螺旋形通道观在布置在冷凝物管四之上的不可冷凝物管31中聚集并被排放到环境中，其 由适当的装置调节。图lib示出图Ila中所示的可选的冷凝器的侧视图。已给出的实施方式可作出在此处所呈现的新颖的方法的特定应用，这对本领域普 通技术人员来说应该是明显的。因此，不意图使本发明的范围被限于所描述的具体实施方 式，所描述的具体实施方式
仅是本发明的说明且不意指具有限制权利要求的范围的作用。当长久以来很多未解决的发电厂低效率和水浪费的严重问题已经余留时，关于多 于废汽处理方法和蒸发冷却的特定技术领域内的普通技术人员的那部分人所指示的事后 的认识，不应被确认为本发明是显而易见的或他们可容易地完成困扰他们的那些技术的有 追溯效力的证据。
权利要求
1.一种用于改进的废汽的冷凝的设备，包括共轴径向流盘涡轮，所述盘涡轮关于其共同的旋转轴可反向旋转并空间分离以便限定 在其间的工作区；轴向进料端口，其与所述工作区连通用于将废汽弓丨入到所述工作区中； 冷凝器，所述冷凝器为低焓饱和蒸汽提供低压降； 轴向排出端口，其与所述工作区和所述冷凝器连通；以及 隔板，其被布置在所述轴向进料端口和所述轴向排出端口之间。
2.如权利要求1所述的设备，还包括被布置在两个盘涡轮之间并与该两个盘涡轮接触 的至少一个外围驱动轮，所述外围驱动轮具有垂直于所述盘涡轮的旋转轴的旋转轴，并且 所述外围驱动轮包括将其连接到发动机和/或发电机的驱动轴。
3.如权利要求1所述的设备，还包括被布置在所述工作区的外围的环形围板。
4.如权利要求1所述的设备，还包括用于收集离开所述外围的冷凝物的装置。
5.如权利要求2所述的设备，还包括用于向连接到所述外围驱动轮的驱动发动机提供 电流的装置。
6.如权利要求2所述的设备，还包括用于从连接到所述外围驱动轮的发电机获取电流 的装置。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述电流前进到冷却器，该冷却器用于冷却到所述 冷凝器的水。
8.一种径向逆流冷却器，包括共轴径向流盘离心泵，所述离心泵关于其共同的旋转轴可反向旋转并空间分离以便限 定在其间的工作区；连接到所述离心泵用于促使所述离心泵反向旋转的装置； 轴向进料端口，其与所述工作区连通用于将冷却水引入到所述工作区中； 冷凝器，所述冷凝器为从所述冷却水中剥离的蒸汽提供低压降；以及 轴向排出端口，其与所述工作区和所述冷凝器连通。
9.如权利要求8所述的冷却器，其中用于所述离心泵的动力由权利要求7所述的设备 来提供。
10.如权利要求8所述冷却器，还包括被连接到所述冷凝器以收集蒸馏水的装置。
11.如权利要求8所述的冷却器，还包括用于收集冷却的水的装置。
12.如权利要求11所述的冷却器，其中所述收集装置包括用于将冷却水平流输送到冷 却水线路的泵。
13.如权利要求12所述的冷却器，其中所述冷却水线路流经权利要求1所述的冷凝器。
14.一种用于减少热电厂的水浪费的系统，包括以下项的组合 (1)用于改进的废汽的冷凝的设备，所述改进的冷凝的装置包括共轴径向流盘涡轮，所述盘涡轮关于其共同的旋转轴可反向旋转并空间分离以便限定 在其间的工作区，轴向进料端口，其与所述工作区连通用于将涡轮废汽引入到所述工作区中， 冷凝器，所述冷凝器为低焓饱和蒸汽提供低压降，并且所述冷凝器包括冷却水线路， 轴向排出端口，其与所述工作区和所述低焓饱和蒸汽冷凝器连通，以及隔板，其被布置在所述轴向进料端口和所述轴向排出端口之间， 至少一个轴向驱动轮，其被连接到所述盘涡轮和发电机；以及 (2)径向逆流冷却水冷却器，包括共轴径向流盘离心泵，所述离心泵关于其共同的旋转轴可反向旋转并空间分离以便限 定在其间的工作区；连接到所述离心泵用于促使所述离心泵反向旋转的装置， 轴向进料端口，其与所述工作区连通用于将冷却水引入到所述工作区中， 冷凝器，所述冷凝器为从所述冷却水剥离的蒸汽提供低压降， 轴向排出端口，其与所述工作区和所述冷却水蒸汽冷凝器连通，以及 用于将冷却的冷却水泵入所述冷却水线路中的装置。
15.如权利要求14所述的系统，其中来自所述发电机的电流至少部分地去为所述径向 逆流冷却水冷却器提供动力。
16.如权利要求14所述的系统，其中所述冷却水蒸汽冷凝器包括流动除水之外的冷却 剂的冷却流体线路。
17.如权利要求14所述的系统，其中所述冷却水蒸汽冷凝器包括冷却流体线路，该冷 却流体线路包括用于在不排放蒸汽的情况下对环境散热的装置。
18.一种用于连续热分离的处理方法，包括以下同步的步骤在共轴反向旋转盘之间限定的工作区中产生动态涡流管级联，每个盘具有紧靠该盘的 层流边界层，在所述层流边界层发生动量扩散，所述工作区包括在所述边界层之间的切变 层；使流体进料在所述盘的轴处流入所述工作区中；将低焓饱和蒸汽径向向内平流输送到所述轴并进到由冷凝器提供的低压降中，所述冷 凝器通过轴向排出导管与所述工作区连通；以及将包括冷凝物和高焓蒸汽的所述进料的剩余部分，如果有剩余部分的话，径向向外平 流输送并至所述工作区的外围之外。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述流体进料是包括冷凝物以及具有不同速度的 蒸汽分子的混合物的涡轮废汽。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述流体进料是冷却水。
全文摘要
在反向旋转的径向流盘涡轮之间轴向进料的涡轮废汽，分离成(1)低焓干蒸汽的径向向内的流，以及(2)高焓蒸汽、不可冷凝物和冷凝物的径向向外的流。径向向内的流前进到常规的冷凝器。径向向外的流在其通过紧靠盘的边界层中时损失焓转动盘涡轮，因而其成为低焓干蒸汽，且通过冷凝物、高焓蒸汽和不可冷凝物的撞击质量流的盘的反向旋转维持边界层之间的切变层中的动态涡流管的级联。由做功产生的低焓干蒸汽通过分形紊流的涡流核心流入冷凝器中。冷凝物离开工作区的外围，准备被泵回到兰金循环中。
文档编号F22D5/18GK102046928SQ200880129546
公开日2011年5月4日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年3月31日
发明者W·H·麦卡钦 申请人:麦卡钦公司