CN114746336A - 射流涡轮加热器系统 - Google Patents

Abstract

加热系统构造成产生受热流体。该系统包括主要流体源、扩散结构、至少一个导管和吸入结构，该扩散结构包括出口结构，受热流体从该出口结构流出，所述至少一个导管联接到源和扩散结构并构造成将主要流体引导到扩散结构，该吸入结构联接到扩散结构并构造成将可进入该系统的次要流体引导到扩散结构。受热流体包括主要流体和次要流体。

Description

射流涡轮加热器系统

版权声明

本公开受美国和国际版权法

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优先权声明

本申请要求2019年11月1日提交的美国临时申请第62/929,522号的优先权，其全部内容以引用的方式并入到本文中，如同在此完全阐述。

背景技术

用于加热大型空间或体积或表面的传统系统是使用天然气、丙烷或液体燃料的直接和间接燃烧系统。液体燃料系统使用柴油燃油，有时在诸如柴油机的内燃机中进行。后者通常效率低，并且每操作300-400小时就需要维护；它们还排放燃烧的NO_x、CO和未燃的碳氢化合物(UHC)以及微粒。

附图说明

本发明的优选和替代实施例在下文中参考以下附图进行了详细描述:

图1-3示出了本发明的各个方面。

具体实施方式

本专利申请旨在描述本发明的一个或多个实施例。应当理解，诸如“必须”、“将要”等绝对术语以及具体数量的使用应被解释为适用于一个或多个这样的实施例，但不一定适用于所有这样的实施例。因此，本发明的实施例可以省略或包括在这种绝对术语的上下文中描述的一个或多个特征或功能的修改。

一个或多个实施例主要使用射流加热喷射器/涡轮加热系统(THS)来提高环境空气的温度。类似于THS，基于类似原理工作的射流推进系统(FPS)在例如美国专利申请第15/456,450号、第15/221,389号和第15/256,178号中描述，这些专利申请以引用的方式并入到本文中，如同在本文中完全阐述。

参考图1，来自气体发生器10的热气被导向至导管20，并用作喷射器/混合器200中的原动流体，以将环境空气带入喷射器的吸入结构206，并在喷射器内以高度湍流的方式彻底混合环境空气和原动流体。结果是以预定温度增量(delta)高于环境温度的环境气体和原动气体的充分混合流出物。

图2示出了可附连至车辆(未显示)上的喷射器200上半部的截面图，车辆为例如，作为非限制性示例，轮式拖车或小车。增压室211被供应来自发生器10的比环境更热的空气(即，加压的原动气流)，发生器可以是例如基于燃烧的发动机。由箭头600表示的该加压原动气流经由至少一个导管，例如主喷嘴203，被引导到喷射器200的内部。更具体地，主喷嘴203构造成将原动流体流600作为壁射流直接在凸柯恩达(Coanda)表面204上加速到可变的预定期望速度。此外，主喷嘴203提供可调节体积的流体流600。该壁射流又用于通过吸入结构206带入次要流体，例如由箭头1表示的环境空气，该次要流体可以静止或从箭头1所示的方向以非零速度接近喷射器200。在各种实施例中，喷嘴203可以排列成阵列，并且处于弯曲取向、螺旋取向和/或之字形取向。

流600与空气1的混合物可在喷射器200的喉部225处纯轴向移动。通过在扩散结构(例如，扩散器210)中的扩散，混合和平滑过程继续，因此喷射器200的轴向方向上的温度(800)和速度(700)的分布不再具有在喉部225处存在的高值和低值，而是在扩散器210的终端101处变得更加均匀。当流600与空气1的混合物接近终端101的出射平面时，温度和速度分布几乎是均匀的。特别是，混合物的温度足够低，可以被导向控制表面。

图3示出了喷射器200，该喷射器放置于控制表面(叶片)100的前方，控制表面具有前缘302。如图所示，控制表面100定位在喷射器的出口结构(例如，扩散器210的终端101)的正后方(即，下游)，使得来自喷射器200的推进流体流过控制表面。实际上，在一个实施例中，控制表面100可以定位成足够靠近终端101，使得除了其他环境空气之外，只有来自喷射器200的推进流体流过控制表面。如本文所用，术语“在正后方”可被解释为意味着前缘302的至少一部分在由平行于前缘的终端101的表面占据的平面(a)和在喷射器200的轴向方向上(即，在下面讨论的箭头300的方向上)延伸的平面(b)中的一个平面内，或与该一个平面对准。

由于喷射器200出射射流流出物的速度较高，控制表面100上的局部流动速度较高，如箭头300所示。喷射器200以高夹带速率将较热的原动流600(图2)与进入的冷环境空气流剧烈混合。可以在控制表面100上实施附加的控制表面，例如升降器表面150。在一个实施例中，任何这种控制表面的整体可绕平行于前缘302定向的轴线旋转。该混合物足够均匀，以将喷射器温度的热原动流600降低到不会在机械上或结构上负面影响控制表面100或150的混合物温度分布800。

将喷射器200置于引导叶片100之前，由于与环境空气相比，喷射器出射射流流出物的速度300更高，引导叶片上的局部流动处于高速状态。加热器将由气体发生器10提供的较热原动流与以高夹带速率进入的冷环境空气流剧烈混合；混合物足够均匀，以将喷射器温度的热原动流600降低到不会机械地或结构地影响叶片的混合物温度分布700。离开喷射器200的流出射流的方向可以通过叶片100的旋转来改变，使得流出热射流被引导朝向为了加热目的的目标。

一个或多个实施例提供了允许通过简单关闭和打开阀来调整(dialing)原动流体的开口/通道的架构。由于与传统系统相比更简单的机构，该系统可以允许加热器达到前所未有的性能水平，具有更好的占地面积、更低的噪音和更紧凑的空间要求、更好的可靠性和操作成本。

一个实施例包括与至少一个加热器喷射器流体连接的气体发生器，该加热器喷射器具有可变面板，该可变面板可几乎完全关闭，从而迫使气体发生器产生的气体流动加速，并比其他分支/加热器夹带更多的环境空气。气体发生器可以连接到几个喷射器/混合器/加热器上，这些喷射器/混合器/加热器通过使来自气体发生器的热加压气体在喷射器的柯恩达表面上膨胀来单独地且不同地夹带空气，之后排放气体与较冷的夹带空气剧烈混合，然后混合物被排出系统。优点将是用于对已经不均匀固化/加热的较大区域进行干燥/加热的热输出的不均匀分布；示例包括水泥固化、地面解冻、设备解冻。

再次参考图1，可以是微型涡轮机的涡轮用作气体发生器10，以产生高速高压下的气体温度，例如500-800摄氏度。热气体经由导管20引导到喷射器200中，该喷射器具有增压室、原动流体槽系列，原动流体槽系列将热流作为壁射流引导到柯恩达壁表面上；由于局部速度高，局部静压下降，导致局部静压较低。局部静压降低迫使环境空气涌入并均衡压力。新鲜的环境空气然后被热气体形成的正在增长的热边界层的剪切层以高度湍流的方式夹带和携带。随着沿壁的轴向速度降低，边界层显著增长，彻底混合两种气体(热和冷)，导致出现的混合射流的温度和速度分布几乎均匀，其行为在图2中示出。

当使用涡轮时，零件数量显著减少，这意味着更长的维护间隔，因此操作成本更低。

使用涡轮作为气体发生器来移动少量热气体并驱动大量新鲜空气的夹带，将得到过程所需的非常合适的温度升高，结合有利的体积流量和对流高速加热流，对流高速加热流可被引导向至目标或经由导管用于指定目标。

涡轮将显著减少NO_x、CO和UHC的排放。

例如，根据应用所需的流速，对于1.4M BTU的热输出，一个实施例可降低至11-12gal/hr，但通过使用简单的涡轮机械加上再加热过程，也很容易放大该技术。总体使用燃料计划，以维持压缩+燃烧+涡轮操作，并向我们的专利射流技术输送加热排放气体流；在一个示例中，射流技术在排放气体离开涡轮后获得大约550℃的热排放气体，并且根据期望的最终温度，在我们的THS系统中使用热流以5∶1至10∶1的比例夹带例如10℃的环境空气；该混合物是高度湍流的，并且在该过程的出射口处是温度为例如(5×10℃+550℃(l+5))＝100摄氏度混合物温度的空气流；随着进一步的改进，射流涡轮加热器将燃烧得小于12gal/hr；在12gal/hr，热量输入是所用燃料的较低热值乘以其流量，因此约为43MJ/kg×12gal/h×3kg/gal＝1548MJ/h或430kW；430kW相当于24,450BTU/min，因此一小时的输入约为1,467,000BTU(经由燃料/柴油进料)。如果涡轮的流速大小约为0.8千克/秒全速流量，那么热气体夹带的环境空气是核心流量的7倍，因此7×0.8kg/s是5.6kg/s的FPS系统出射空气。例如，如果入口温度为288K(15℃或59℉)，热气体温度为875K(602℃或1112℉)，那么离开FPS的最终混合物温度约为(875+7×288)/8＝361K(88℃或190℉)，因此温度差为88℃-15℃＝73℃(131℉)，与竞争者的情况相似(温度上升)，总空气流量约为5.6kg/s或1.2kg/m³(在英制单位中，12.3lb/s，标准密度为0.0752lb/ft³)，导致9800SCFM；然后热量输出被计算为质量流率×Sp热容量空气×温升或5.6kg/s×1kJ/kg-K×73K＝409kJ/s或409kW或1.4MBTU/hr；系统的效率将是1400000/1467000＝95％。

该系统类似于直接燃烧系统；将使用来自涡轮的热气流和称作FPS的专有混合系统(见专利)。冷空气被夹带并与来自燃气涡轮的较小的热流混合。最终混合物的温度几乎是均匀的，并以相对较高的速度从FPS出来向加热目标移动；通过控制夹带的冷空气的量和从涡轮出来的热流的温度和流量，控制最终混合物的温度；传感器正在为加热器建立正确的涡轮RPM和燃料流量计划，热电偶检测涡轮出射温度，热电偶也可以安装在加热器的尾流中。可实施受控回路机制，将温度控制在25℉的精度内，并使用2个旋钮:FPS内的夹带比(机械调节开口)和通过调制燃料流动的热流温度；环境温度也经由传感器考虑在内。

出口温度可经由燃料输入和夹带比控制进行调节(机械调节专有系统的开口；该产品可以根据需要自动调节，一般在60-150摄氏度之间升温；它可以从冰冻(冬天)运行到炎热(夏天)；涡轮的操作也监测排放(热)流的温度。

根据所需尺寸，CFM范围可在5000-15000CFM之间。

各种燃料可用于加热，包括气体燃料和液体燃料，如某些双燃料发电燃气涡轮。

射流涡轮加热器也可能比基于柴油机ICE的加热器更便携、更轻，并且更高效。排放更低，操作成本更低，维护时间间隔更长，移动零件明显更少，不需要像基于柴油机的加热器那样使用液体冷却。

射流涡轮加热器产生的速度可能超过100米/秒，影响排气下游的大表面区域。

射流涡轮加热器将防止柴油机类型的失控，即不需要空气切断(ASO)来停止失控，而仅需要在运行结束时吹扫系统，以清除涡轮和射流系统中的所有易燃物。

与现有技术相比，THS将夹带大量空气，且不会使流动到具有内部损耗通道的复杂热交换器，而是在喷射器混合器内使用强制对流和湍流混合，以在没有传导或壁的情况下彻底混合冷热流。也不需要风扇，因为风扇需要从微型涡轮提供更多的动力。

尽管前述文本阐述了众多不同实施例的详细说明，但应理解的是，保护范围由所附权利要求的文字限定。详细描述仅被解释为示例性的，并没有描述每个可能的实施例，因为描述每个可能的实施例如果不是不可能的，也是不切实际的。使用当前技术或在本专利申请日之后开发的技术，可以实施许多替代实施例，这仍然落入权利要求的范围内。例如，在将热流体引导到喷射器中之前，可以添加并燃烧额外的燃料。多个喷射器可以通过调制供应到所述喷射器的原动流体来输送不同的热量输出。喷射器可以手动或自动重新定向到目标加热区。

因此，在不脱离本权利要求的精神和范围的情况下，可对本文描述和说明的技术和结构进行许多修改和变更。因此，应该理解，本文描述的方法和装置仅仅是说明性的，并不限制权利要求的范围。

Claims (9)

1.一种构造成产生受热流体的加热系统，所述加热系统包括:

主要流体的源；

扩散结构，所述扩散结构包括出口结构，所述受热流体从所述出口结构流出；

至少一个导管，所述至少一个导管联接到所述源和所述扩散结构并构造成将所述主要流体引导到所述扩散结构；以及

吸入结构，所述吸入结构联接到所述扩散结构并构造成将能进入所述加热系统的次要流体引导到所述扩散结构，其中所述受热流体包括主要流体和次要流体。

2.根据权利要求1所述的加热系统，其中，所述受热流体以预定的可调速度流出所述出口结构。

3.根据权利要求1所述的加热系统，还包括第一控制表面，所述第一控制表面具有前缘并且直接位于所述出口结构的下游，使得来自所述出口结构的所述受热流体流过所述第一控制表面。

4.根据权利要求3所述的加热系统，其中，在所述加热系统操作期间，只有来自所述出口结构的所述受热流体流过所述第一控制表面。

5.根据权利要求1所述的加热系统，还包括凸形表面，所述扩散结构联接到所述凸形表面，并且所述至少一个导管联接到所述凸形表面并且构造成将所述主要流体引导到所述凸形表面。

6.根据权利要求3所述的加热系统，其中，整个所述第一控制表面能够绕平行于所述前缘定向的轴线旋转。

7.根据权利要求1所述的加热系统，还包括联接到扩散结构的轮式车辆。

8.根据权利要求7所述的加热系统，还包括第二控制表面，所述第二控制表面具有前缘并直接联接至所述轮式车辆，其中第一控制表面联接至所述第二控制表面，使得所述第一控制表面的所述前缘与所述第二控制表面的所述前缘成非零角度。

9.根据权利要求1所述的加热系统，其中压缩热流体的源是蒸汽发生器。

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