CN107614832B - 空化引擎 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种空化引擎，所述空化引擎被配置成从喷射的液态水产生过热蒸汽。所述空化引擎包含漏斗形冲击腔室，所述漏斗形冲击腔室具有：冲击表面，所述冲击表面具有至少375华氏度的温度；在所述冲击腔室的底部处的小直径开口；以及在所述小直径开口下方的膨胀腔室。所述引擎包含流体喷射器，所述流体喷射器具有出口，所述出口定位成邻近于所述冲击腔室的最大直径，并且定位成使高压液态水以超音速喷射到所述冲击腔室的所述冲击表面上，使得空化气泡存在于所喷射的水中；所述流体喷射器的所述出口和所述冲击表面相对于彼此而定位，使得所述出口与所述冲击表面相隔0.150英寸至0.450英寸的距离，并且使得所喷射的水以85度至95度的角度撞击所述冲击表面。所述水与所述冲击表面的撞击会破碎所述喷射的水中的所述空化气泡，从而产生每平方英寸1,000磅以上的压力并且产生过热蒸汽。

Description

空化引擎

相关申请的交叉参考

本申请要求2015年5月18日申请的并且标题为“CAVITATIONENGINE”的美国临时申请第62/162,970号的优先权，所述申请以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本公开涉及空化引擎。更具体地，本公开涉及从馈送到引擎中的液态水产生蒸汽的空化引擎结构，所述空化引擎结构实现了相较于常规的蒸汽产生装置的提高的效率。

背景技术

在从馈送到引擎中的水产生蒸汽的引擎等的构造方面需要改进。将液态水转化为蒸汽的常规引擎或类似装置在它们的能源使用方面是低效的。

本公开涉及能效更高的引擎结构，所述引擎结构被配置成以受控的方式喷射液态水以促进空化气泡在所喷射的水内的形成，并且使所喷射的水撞击到冲击腔室的冲击表面上以粉碎所述空化气泡，从而产生极高压过热蒸汽，所述过热蒸汽可以用于发电或者另外用作能量输出。

发明内容

根据本公开的空化引擎被配置成从所喷射的液态水产生高压过热蒸汽。

在一个方面，根据本公开的空化引擎包含：冲击腔室，所述冲击腔室具有冲击表面，所述冲击表面具有至少375华氏度的温度；以及流体喷射器，所述流体喷射器具有出口，所述出口定位成使高压液态水以超音速喷射到所述冲击腔室的所述冲击表面上，使得空化气泡存在于所喷射的水中。所述流体喷射器的所述出口和所述冲击表面相对于彼此而定位，使得所述出口与所述冲击表面相隔0.150英寸至0.450英寸的距离，并且使得所喷射的水以85度至95度的角度撞击所述冲击表面。所述水与所述冲击表面的撞击会破碎所喷射的水中的所述空化气泡，从而产生每平方英寸1,000磅以上的压力并且产生过热蒸汽。

在另一方面，根据本公开的空化引擎包含：漏斗形冲击腔室，所述漏斗形冲击腔室具有：冲击表面，所述冲击表面具有至少375华氏度的温度；在所述冲击腔室的底部处的小直径开口；以及在所述小直径开口下方的膨胀腔室。所述引擎包含流体喷射器，所述流体喷射器具有出口，所述出口定位成邻近于所述冲击腔室的最大直径处，并且定位成使高压液态水以超音速喷射到所述冲击腔室的所述冲击表面上，使得空化气泡存在于所喷射的水中。所述流体喷射器的所述出口和所述冲击表面相对于彼此而定位，使得所述出口与所述冲击表面相隔0.150英寸至0.450英寸的距离，并且使得所喷射的水以85度至95度的角度撞击所述冲击表面。所喷射的水中的所述空化气泡是由所喷射的水撞击到所述冲击表面上而被破碎，并且所述空化气泡内的气体的温度快速升高以产生过热蒸汽和压力。所述压力迫使所述过热蒸汽穿过所述冲击腔室的所述小直径开口。

附图说明

通过在结合附图考虑时参考详细描述，本公开的其它优势会显而易见，所述附图未按比例以便更清楚地示出细节，其中在整个若干视图中，相同的参考数字指示相同的元件，并且其中：

图1是根据本公开的空化引擎的透视图。

图2是图1的空化引擎的前视图，其中剖开一部分以示出内部细节。

图3是沿着图2的线A-A取得的横截面视图。

图4是图3的一部分的详细视图。

图5是图1的空化引擎的俯视图。

图6是图1的空化引擎的仰视图。

图7是图1的空化引擎的透明透视图。

图8是图1的空化引擎的透明前视图。

图9至图19示出图1的空化引擎的各种横截面和详细视图。

图20是示出根据本公开的空化引擎的操作的图表。

具体实施方式

参考图式，本公开涉及蒸汽引擎，且具体来说，涉及空化引擎100。空化引擎100通过以超音速喷射高压液态水以在所喷射的水内产生空化气泡而产生过热蒸汽。将水喷射到被特别配置的被加热的冲击腔室102中，所述冲击腔室具有被配置成破碎或崩溃空化气泡的冲击表面102a。

已经发现，以在水中形成空化气泡的方式喷射水并且使水撞击以破碎空化气泡会产生极高压过热蒸汽，所述过热蒸汽可以用于发电或者另外用作能量输出。所馈送的水可以是环境温度，但可以经过初始加热，但作为液体而喷射。

冲击腔室102有利地被配置成提供如图式中所示的腔室102的漏斗状弯曲开口，所述开口以最接近喷射器的最大尺寸朝向流体喷射器开放。已经发现，冲击腔室102的所描述的形状和配置在水组分的碰撞期间会合意地产生极高的水锤压力，这会快速地破碎空化气泡。

引擎100和冲击腔室102包含以下组件，如图式中所示：

参考# 组件

1 高压燃料轨

2 热电偶探头

4 到热电偶探头的电线

6 泄压阀

7 泄压阀的弹簧

8 冲击腔室102的插入物

9 喷射器的入口

12 压电式喷射器

13 冲击腔室102的外部壳体

14 压力调节插头

15 浸没式热电偶探头

16 加热器

19 冲击腔室102的插入物

20 铜垫圈

21 喷射器保持块

22 喷射器绝缘体块

25 喷射器绝缘体块

36 O形环

优选起初将每个冲击腔室102预加热到375华氏度。一旦引擎100在操作，可以停止为预加热供应的能量，可以观察到，由于引擎100的操作，冲击腔室102的温度将保持在375华氏度以上。举例来说，热电偶探头2可以连接到数字控制器以用于提供所要的预加热。

在本文将把空化理解为是指在液体中形成蒸汽空腔。将蒸汽空腔表征为呈气泡或空隙的性质的小液态无空化区域，所述气泡或空隙是空化力作用于液体的结果。当液体经受压力的快速改变时出现空化，在压力相对低的地方形成空腔。当经受较高的压力时，如在根据本公开的空化引擎的情况下，已经观察到，空隙会内爆或者另外被破碎并且产生密集的冲击波和高压。

因此，将理解，根据本公开的引擎结构被配置成接收所喷射的水并且促进所喷射的水的空化以产生非常高的压力，所述非常高的压力可以用于发电或者另外用作能量输出。也就是说，喷射器12以一种方式喷射水，使得在所喷射的水的流中产生气泡或空隙，在本文被称作空化气泡。

根据本公开，并且不受理论束缚，相信当所喷射的水与冲击腔室102的冲击表面102a碰撞时，会出现冲击波并且水被粉碎以破碎气泡，并且水立即转变为过热蒸汽。也就是说，喷射器12操作以在水中形成空化气泡，并且冲击表面102a进行协作，使得在水与冲击表面102a撞击之后，所喷射的水中的空化气泡会被破碎。

因此，根据本公开的空化引擎涵盖(1)以产生空化气泡的方式喷射液态水，以及(2)以一种方式使水撞击到冲击表面上，使得在撞击之后快速地破碎空化气泡。所喷射的水合意地基本上充满了空化气泡。以此方式破碎空化气泡致使气泡内部的气体的温度快速升高并且升高周围的水和所得的蒸汽的温度，这会产生高压过热蒸汽。已经成功地操作所描述的结构从而以导致产生高压过热蒸汽的方式喷射水。

所喷射的液态水与冲击表面102a的碰撞所产生的过热蒸汽通过通道穿过小直径开口102b到达提供冲击腔室102的膨胀腔室102c的增大区域(图13)。泄压阀6保留压力，直到所述压力超过预设的弹簧压力为止，在预设的弹簧压力下，阀6准许压力退出，可以引导所述压力以供进一步使用。举例来说，可以利用引擎100向发电机等提供动力。

出于实例的目的，邻近于喷射器12的冲击腔室102的最高直径是约1.2英寸。此类冲击腔室的小直径开口的优选外径是0.150英寸(比率0.150/1.2＝0.125)。另外，已经观察到，需要膨胀腔室102c的体积不超过冲击腔室的体积。

已经观察到，在水击打冲击表面102a时的水的入射角以及冲击腔室102的冲击表面102a相对于流体喷射器12的孔或出口12a的接近度对于本公开的空化引擎的机能来说较为关键。在喷射水时的水的压力以及出口12a的孔大小也影响所喷射的水的速度。水的速度直接影响冲击表面102a处的冲击波以及含有蒸汽纳米气泡的液滴内的所得的水锤压力。

所喷射的水的压力的范围优选为约5,000磅/平方英寸到约30,000磅/平方英寸，最优选为约20,000磅/平方英寸。优选的水速度范围是1,500米/秒到2,000米/秒。在以20,000磅/平方英寸喷射的水的情况下，使用具有直径为0.005英寸的孔的喷射器，并且操作所述喷射器以喷射0.295毫升/脉冲的水脉冲。以此方式喷射的水具有1,700米/秒的速度。

还已经发现，喷射器12a的喷射角度和冲击表面102a的角度被配置成进行协作，使得所喷射的水以约85度到95度并且最优选为约90度的角度A撞击冲击表面102a(图18和图19)。因此，对于具有不同喷射角度的不同喷射器，对冲击腔室102a的冲击表面102a的倾斜度进行选择，使得所喷射的水以约90度的角度撞击冲击表面102a。

举例来说，参考图18，示出冲击腔室102和喷射器12a，使液压喷射器作为所述喷射器，其以约35度的角度喷射水。如所示，冲击腔室102因此被配置成使得冲击表面102a处于约35度的角度，使得通过线W表示的所喷射的水以约90度的角度撞击冲击表面102a。

将理解，将以360度的幅度提供所喷射的水，并且冲击表面102a也是360度的表面，因为所述冲击表面是漏斗形。然而，将了解，所喷射的水遵循由线W表示的喷淋线，使得喷射器12a与冲击表面102a相距所要的距离，如下文更全面地描述。

在另一实例中，图19示出作为福特压电柴油燃料喷射器而提供的喷射器12a，其以约15度的角度喷射水。将观察到，冲击表面102a定向成使得所喷射的水以约90度的角度撞击冲击表面102a。将观察到，在冲击表面102下方的冲击腔室102的侧壁的斜率增加以使腔室102的下端逐渐变细为小直径开口102b。

关于喷射器12的出口相对于冲击表面102a的接近度，将看到，喷射器12终止于出口12a处，所述出口延伸到冲击腔室102的上部部分中。出口12a被定位成使液态水喷射到冲击表面102a上。出口12a合意地定位成与冲击腔室102的冲击表面102a相距约0.150英寸至0.450英寸的距离。出口12a相对于冲击表面102a的此距离在图18和图19中由线W的长度表示。

已经观察到，更大的距离将倾向于消散喷射流，并且将失去存在于所述流中的蒸汽气泡。重要的是，充满了空化气泡的水喷射以最大的力撞击表面，使得水锤压力破碎所述气泡并且释放与气泡崩溃相关联的能量。

需要最大程度地使这些气泡崩溃以获得最大的热能，所述热能随着气泡比率(膨胀的半径/崩溃的半径)的立方和压力比率的乘积而变。相信这是为何在引擎操作期间所观测到的热如此密集的原因。在此方面，相信会发生氢氧共价分离，其中需要超过3000摄氏度的温度以取得约50％的离解。撞击水锤压力随着与喷射器孔相距的距离增加而呈指数下降。撞击角度也会影响撞击压力。将喷射器放置成接近冲击表面在燃烧工程设计观点方面没有意义，但在我们的情况下是重要的。

因此，将了解，冲击腔室102的时序、距离和几何形状在引擎系统的所要操作和热的产生方面是关键的。引擎系统以约15000磅/平方英寸至28000磅/平方英寸的压力操作。可以使用多种喷射器孔直径，应理解，压力和孔确定喷射流中的空化程度。

喷射的时序也会影响引擎的操作。水合意地作为离散脉冲而喷射。每个脉冲的宽度控制所喷射的水的体积。每秒喷射的次数控制了每小时的蒸汽产生量(以磅蒸汽/小时计)。所有这些需要对所有传感器的即时响应。因此，冲击腔室温度受到控制以管理水原动机(例如，涡轮机、旋转式膨胀机、往复式蒸汽引擎等)所需的输出蒸汽温度。控制每秒产生的蒸汽的体积将影响蒸汽引擎的旋转速率，这继而可以驱动发电机或其它装置。合意地利用计算机控制系统来监控和调整喷射速率和量、冲击腔室温度、发电机rpm和输出压力。

如上文所述，相信空化负责出现在冲击腔室内的加热。当局部流压力降低于液体的蒸汽压力时，在燃料喷射器喷嘴的孔内出现空化。随着增压和压缩的水膨胀穿过孔，液体加速。流的流线随着液体从喷嘴喷射而缩短，并且根据伯努利原理，这导致局部静态压力的减小，所述局部静态压力可以变得低于水的蒸汽压力，从而导致大量空化气泡的形成。这些空化气泡以超音速从喷嘴喷射到冲击腔室中。当它们与冲击表面102a碰撞时，它们会由于压力而被破碎。

随着流体喷射组分朝向冲击表面102a行进而形成额外的空化气泡，因为冲击腔室内的周围压力显著小于退出的水的压力。与喷射器孔相距的距离对于系统的操作来说比较关键，并且必须在0.150英寸与0.450英寸之间，或者空化气泡将在撞击冲击腔室壁之前消散。

在水滴撞击冲击表面102a时所遇到的水锤冲击波压力可以适当地超过275MPa(兆帕斯卡)。此压力足够高以破碎已经形成的任何蒸汽气泡。当出现此现象时所释放的能量可以超过30,000开氏度(开尔文)。因为这些温度适当地超过获得水中的分子氢和氧分离所需的温度(3000摄氏度以上的温度导致50％的分子分离)，所以水的很大部分分离并且随后燃烧从而释放热能。

在优选实施例中，引擎100包含排列在一起的八个冲击腔室的组。不受理论束缚，相信会由于破碎蒸汽气泡而经由撞击点处的传导产生热，并且额外的热是红外热或辐射热。使用具有相对低的导热性的310不锈钢来用于冲击腔室102是优选的，以便吸收红外热。212华氏度下的310不锈钢具有8.0的导热性。310不锈钢作为用于捕获辐射热的材料也是合意的，因为其具有相对低的热发射率。发射率是表面发射热能的效率的量度。发射率是所发射的能量相对于由发射率值为1的热黑色表面发射的能量的分数。为0的发射率值表示完美的热镜。针对熔炉服务而处理的310不锈钢具有约0.90到0.97的发射率。

陶瓷或其它绝缘材料可以另外用于将喷射器主体与冲击腔室分离，以使热损失最小化并且捕获热。热的主要损失是通过从泄压阀退出的蒸汽。退出泄压阀的蒸汽是过热蒸汽并且可以用于驱动往复式蒸汽机或旋转式膨胀机类型的涡轮机。已经观察到，在冲击腔室内捕获辐射热会向空化引擎的操作提供显著的优势。

可以通过调整来自空化引擎的过热蒸汽的流量来控制蒸汽引擎或旋转式膨胀机的旋转速度。通过改变个别冲击腔室的喷射速率(喷射/秒)来调整此蒸汽输出流量。在需要额外的输出功率时，根据需求而实时地改变所使用的冲击腔室的数目和每个腔室的喷射速率。

可以使用高压三缸水泵系统向供应燃料/水喷射器的共轨岐管提供高压水(＞20,000磅/平方英寸)。通过控制到DC电动机的功率流来调节泵的速度和因此的压力。控制计算机监控共轨岐管压力并且调整泵速度来维持此压力。为了使功率消耗最小化，泵仅按需运行以向喷射器给水。

使用喷射器控制模块来供应给压电型燃料喷射器点火所需的140V DC电力。中心控制计算机控制冲击腔室电加热器、冲击腔室喷射速率、给水温度和驱动发电机的原动机(蒸汽引擎、汽轮机)的周期性旋转速率。

根据本公开的空化引擎成功地操作并且产生在图20中示出的压力结果。针对在图20中示出的结果而利用的引擎利用了单个喷射器和单个冲击腔室。未提供泄压阀并且利用ω压力传感器来获得即时的压力读数。由于所产生的压力，所以会由于密封失效而难以连续地操作引擎。因此，在保持测试短(1秒至2秒)的同时努力提高密封件的寿命。

出于实例的目的，对于在图20中示出的结果的引擎的操作，起初使用电加热器将冲击腔室预加热到375华氏度，并且随后一旦完成预加热便切断给加热器的电力。引擎的预加热的密封的冲击腔室和膨胀腔室在3立方英寸下，并且淡水给水是160华氏度。在两秒的操作从而导致10次喷射(每秒5次喷射)之后，将冲击腔室加热到575华氏度并且产生1,340磅/平方英寸的压力。在另一3秒(每秒5次喷射)的测试中，在密封失效之前实现了1,950磅/平方英寸的压力。

还已经观察到所述结果基于水的盐度而不同。在此方面，观察到，与淡水相比，使用海水(4％的盐溶液)会增加空化。相信可以利用除了水之外的其它液体。

当给喷射器装置点火时，在范围在20,000磅/平方英寸至25,000磅/平方英寸的压力下喷射预加热的水。在水退出以接近冲击腔室内的大气压力时，跨喷射喷嘴的高压力降倾向于使小喷嘴孔内的液体加速。

在喷嘴孔内的尖锐边缘处，例如在喷嘴孔的入口处，流线经过收缩，使得流的有效横截面会减小，从而导致液体的被加速的速度。根据伯努利原理,这导致局部静态压力的减小，并且局部静态压力可以达到低至液体的蒸汽压力的值。当局部压力变得低于液体在局部温度下的蒸汽压力时，在喷射流内形成大量空化气泡。

因为喷射液体的温度接近90摄氏度，所以蒸汽压力会增加到高达室温的压力的40倍。此情形进一步增加空化气泡的形成量。不受理论束缚，相信在形成喷射流的水滴朝向冲击腔室行进时，空化气泡中的气体会膨胀。在与腔室壁撞击之后，由于水锤效应而存在液滴内的液压压力的突然增加。瞬间内部压力可以是大约数万磅/平方英寸。喷射液滴与冲击腔室壁的碰撞导致液滴内的空化气泡被破碎。

当气泡由于撞击而被迫变为非常小的直径时，气泡内的气体接近极高的温度，并且气泡爆炸和崩溃。这些崩溃的空化气泡内部的温度可以达到数千开氏度(开尔文)。在这些高温下，气体变为过热等离子体，其中水分子减少为它们的组成原子组分减去周围电子。来自此庞大数量的气泡的集合热可以升高周围的水和所得的蒸汽的温度。

已经观察到，根据本公开的空化引擎与常规的蒸汽引擎(例如，常规的外部燃烧郎肯循环蒸汽锅炉)相比具有基本上提高的效率。

已经出于说明和描述的目的而呈现了本公开的优选实施例的前述描述。所述详细描述无意是详尽的或将本公开限制于所公开的精确形式。鉴于以上教导，明显的修改或变化是可能的。选择和描述所述实施例以便最佳地说明本公开的原理及其实际应用，并且进而使本领域技术人员能够在各种实施例中并且在适用于所预期的特定用途的各种修改的情况下利用本公开。

根据本公开的空化引擎在下文的权利要求书中进一步描述。

Claims (7)

1.一种空化引擎，所述空化引擎被配置成从所喷射的液态水产生过热蒸汽，所述引擎包括：

冲击腔室，所述冲击腔室具有冲击表面；

加热器，用于将所述冲击表面预加热至具有至少375华氏度的温度；

高压液态水的供给源；以及

流体喷射器，所述流体喷射器具有出口，所述出口定位成使所述高压液态水以大于1500米每秒的超音速喷射到所述冲击腔室的所述冲击表面上，使得空化气泡存在于所喷射的水中；

其中所述流体喷射器的所述出口和所述冲击表面相对于彼此而定位，使得所述出口与所述冲击表面相隔0.150英寸至0.450英寸的距离，并且使得所喷射的水以85度至95度的角度撞击所述冲击表面，并且

其中所喷射的水与所述冲击表面的撞击会破碎所喷射的水中的所述空化气泡，从而产生每平方英寸1,000磅以上的压力并且产生过热蒸汽。

2.根据权利要求1所述的空化引擎，其中所喷射的流体是使用喷射器孔喷射的，所述喷射器孔相对于所述冲击腔室以某一角度定向，使得产生垂直的喷射轨迹。

3.根据权利要求1所述的空化引擎，其中所述冲击腔室具有朝向所述流体喷射器的漏斗状弯曲开口，所述开口为所喷射的水提供90度的入射角。

4.根据权利要求1所述的空化引擎，其中所述冲击表面相对于水平面以10度到45度的角度设置，并且所述喷射器射出水的角度使得所喷射的水以90度的角度撞击所述冲击表面。

5.根据权利要求1所述的空化引擎，其中所述流体喷射器以20,000磅/平方英寸或以上的压力喷射所述水。

6.根据权利要求1所述的空化引擎，其中所述冲击腔室具有容积并且包含在所述冲击腔室的底部处的开口，在所述开口下方设置有膨胀腔室，所述膨胀腔室具有比所述冲击腔室的容积小的容积。

7.一种空化引擎，所述空化引擎被配置成从所喷射的液态水产生过热蒸汽，所述引擎包括：

漏斗形冲击腔室，所述漏斗形冲击腔室具有：冲击表面；用于将所述冲击表面预加热至具有至少375华氏度的温度的加热器；在所述冲击腔室的底部处的开口；以及在所述开口下方的膨胀腔室；

高压液态水的供给源；以及

流体喷射器，所述流体喷射器具有出口，所述出口定位成邻近于所述冲击腔室的最大直径处，并且定位成使所述高压液态水以大于1500米每秒的超音速喷射到所述冲击腔室的所述冲击表面上，使得空化气泡存在于所喷射的水中；

其中所述流体喷射器的所述出口和所述冲击表面相对于彼此而定位，使得所述出口与所述冲击表面相隔0.150英寸至0.450英寸的距离，并且使得所喷射的水以85度至95度的角度撞击所述冲击表面，并且

其中所喷射的水中的所述空化气泡是由所喷射的水撞击到所述冲击表面上而被破碎，并且所述空化气泡内的气体的温度快速升高以产生过热蒸汽和压力，并且所述压力迫使所述过热蒸汽穿过所述冲击腔室的所述开口。

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