KR20170041197A - 열 에너지를 사용하기 위한 장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

저온 및 고온 유체 유동 매체용 천음속(transonic) 2상 반동 터빈(two-phase reaction turbine)은 반대 방향으로 회전하도록 구성된 적어도 두 개의 휠들(wheels)을 포함하며, 적어도 두 개의 휠들 중 적어도 하나는 하나 또는 다수의 운동 에너지 수확기들(harvester)을 갖춘다.

Description

열 에너지를 사용하기 위한 장치, 시스템 및 방법{An apparatus, system and method for utilizing thermal energy}

관련 출원의 상호 참조

본 출원은 2014년 6월 30일에 출원된 미국 출원 번호 62/019091호의 이익을 청구하며, 그 전체가 여기에 참조로 통합된다.

본 발명은, 효율적인 운동 및 열 에너지 수확 공정을 구성하는 것과 폐루프(closed loop) 또는 개루프(open loop)에서 액체의 입자간 운동 에너지를 사용함으로써 추력(thrust)과 진공을 생성하는 것이 가능한, 운동 에너지와 열 에너지 수확, 혼합, 진공 및 펌핑 기술 분야에 관한 것이다.

액체 가열의 알려진 방법은, 전기적 또는 증기 구동 펌프, 간접 및 직접 접촉 열교환기들, 및 보일러 또는 지역 에너지 시스템으로부터 열 에너지를 공급받는 제트 장치들을 포함하며, 여기에서 액체들은 증기 또는 고온수 공급에 의해 가열된다(예를 들어, 참고문헌 1: Oliker, I. 콘 에디슨 시험 시설에서의 파이소닉(Fisonic) 장치들의 성능 및 에너지 효율의 데모, NYSERDA 리포트 #20346을 보라). 가열된 물은 소비자(최종 사용자)에게 이송된다. 난방 에너지(heating energy)를 사용자에게 이송한 후에, 응축기(condenser) 내에 모인 냉각된 액체/응축액은 폐루프 내에서 펌프에 의해 열 공급원으로 회송되며, 사이클이 다시 반복된다. 유체가 최종 사용자로부터 되돌아오지 않을 때 보충 유체가 시스템으로 공급된다. 이 방법은 액체의 가열과 이송을 위한 열 및 펌핑 에너지의 상당한 양을 소모한다.

액체, 증기, 가스 및 고체 물질을 가열 및 이송하기 위한 많은 제트-방식의 장치들이 산업에서 사용된다. 이 제트-방식의 장치들은 벤튜리 과열저감기(venturi de-superheaters), 증기 분사기(steam ejectors), 제트 배출기(jet exhausters) 및 압축기, 제트 이덕터(eductors) 및 제트 진공 펌프를 포함한다.

일반적인 제트-방식의 장치는 세 개의 기본적인 부분들: 흡입 챔버(suction chamber)에 의해 둘러싸인 수렴(작동) 노즐(converging nozzle), 혼합 노즐(mixing nozzle) 및 디퓨저(diffuser)로 구성된다. 작동(기동) 및 분사된(혼입된) 스트림(stream)은 혼합 노즐로 들어가며, 여기서 에너지 교환에 의해 속도는 균등하게 되고, 혼합물의 압력은 증가한다. 혼합 노즐 또는 다수의 노즐들로부터 혼합된 스트림은 디퓨저로 들어가며, 여기서 압력은 더 증가한다. 디퓨저는, 속도를 점차 감소시키고 에너지를 가능한 한 손실이 적게 배출 압력으로 변환하도록 형성된다. 제트-방식의 장치는 작동 스트림(working stream)의 운동 에너지를 직접 접촉에 의해 기계적 에너지의 소모 없이 주입된 스트림(injected stream)으로 변형시킨다. 제트-방식의 장치는 높은 팽창과 중간 또는 높은 압축비로 작동하며 연속적인 기동력(motive force)을 요구한다.

다양한 속도를 가진 두 개의 스트림의 상호 작용 중에, 혼합된 스트림의 엔트로피(entropy)가 (가역 혼합(invertible mixing)과 비교해서) 증가하며, 배출되는 스트림의 압력의 감소를 초래한다. 따라서, 일반적으로 제트-방식의 장치의 배출 압력은 주입된 스트림의 압력보다 더 높지만 작동 스트림의 압력보다 더 낮다.

제트-방식의 장치의 단점은, 제트-방식의 장치는 작동을 위해 높은 수준의 운동 기동력(kinetic motive force)을 사용하며, 이는 출구 압력을 저하시키고, 최초 에너지 투입비의 효율성을 대폭 감소시키며, 연속적인 기동력을 요구한다는 것이다. 따라서, 이러한 장치들은 더 높은 출력 수준으로 압력을 높이기 위해서는 사용될 수 없다. 다른 장치들, 예를 들어 파이소닉 기술(Fisonic technology)로 알려진 것에 기초하여 작동하는 장치들은 낮은 에너지 입력을 사용할 수 있고 최초 추력과 열적 부하를 높일 수 있다. 파이소닉 기술의 디자인은, 2상(two-phase) 유동의 매우 낮은 마하 수(Mach number)를 사용하며 시스템의 열 에너지의 극히 작은 양(<0.1%)을 수확하여 운동 추력(kinetic thrust)으로 변환함으로써, 이를 달성한다.

파이소닉 장치("FD device")에 있어서, 주입된 물/유체는 작동 스트림의 속도와 유사한 높은 속도로 혼합 챔버(mixing chamber)로 들어간다. 주입된 물/유체는 일반적으로 작동 노즐을 둘러싸는 좁은 환상 채널을 통해 공급된다. 혼합 챔버는 일반적으로 원뿔 형상을 가진다. FD 장치의 최적화된 내부 기하학적 구조는 작동 스트림과 주입된 스트림이 혼합되고 가속되도록 하며, 천음속(transonic) 상태를 생성하고, 스트림을 미소한 입자들로 분해하여 혼합된 스트림들의 상태를 플라즈마 상태로 변화시키며, 마지막으로 스트림의 열 에너지의 미소한 부분을 혼합 스트림의 압력보다 더 높은 배출 압력을 가진 물리적 추력(펌프 헤드)으로 변환시킨다. 이러한 현상의 주된 이유는 동종의 2상 유동의 높은 압축성이다. 균일한 2상 유동은 순수한 가스의 유동보다 더 큰 압축성을 가진다는 것은 증명되었다. 그러므로, 균일한 2상 혼합물에서 특히 천음속(transonic) 또는 초음속(supersonic) 모드에서 열 에너지를 기계적 일로 더욱 효율적으로 변환할 수 있다.

이러한 시스템에서의 음속은 액체와 기체에서의 음속보다 매우 낮다. 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 최소의 음속은 0.5의 스트림의 부피 비율(volumetric ratio)에서 일어난다. FD 장치의 중요한 특징은, 배출 유동이 최종 사용자 시스템의 하류(downstream)의 변하는 파라미터들(예컨대 배압)로부터 독립적이라는 것이며, 이는 FD 장치가 초음속 유동을 생성하고 하류가 지나간 마하 장벽(Mach barrier) (또는 상류)과 소통하지 않는다는 것을 가리킨다.

도 1을 참조하면, 액체가 없을 때 비율은 1이고, 기체가 없을 때에는 비율(β)이 0과 같다. 액체 50%와 기체 50%(2상 유동)일 때, 비율(β)은 0.5와 같고 음속은 기체와 액체에서의 음속보다 훨씬 낮다. 음속의 방정식은 아래와 같다.

(1) S² = kP/ρ

여기서: k = 등엔트로피 지수(isentropic exponent), 비열들의 비와 동일함;

P = 압력; ρ= 매체의 밀도.

등엔트로피 지수를 결정하기 위해, 아래의 방정식이 개발되었다.

(2)

여기서: k_g = 혼합물 내의 기체의 등엔트로피 지수; ε = 압력의 임계비.

작동 스트림과 주입된 스트림 사이에서 운동 충격량(motion impulses)의 교환의 결과로서, 혼합 챔버 내에서 음속은 감소한다. 혼합 챔버로의 입구(쓰로트(throat))에서 스트림은 로컬 음속과 동일하거나 또는 로컬 음속보다 더 큰 속도를 가진다. 스트림의 감속의 결과로서, 혼합 챔버의 출구에서의 온도와 압력은 증가한다. 압력은 혼합물의 포화 온도에서 포화 압력보다 더 높게 된다. 특정하게 설계된 기하학적 구조에서, 배출 압력은 작동 매체의 압력보다 몇 배 높게 증가할 수 있다. 혼합 챔버 내에서 액상은 매우 고도로 난류화된 표면적을 가진 폼(foam) 형태(플라즈마)의 구조를 가지며, 따라서 FD 장치의 치수들은 종래의 표면 방식의 열교환기와 비교해서 매우 작다. FD 장치가 일정한 유동 장치라는 것을 나타낸다.

위에서 설명된 과정에 있어서 실질적인 차이점은 작은 주입 계수(injection coefficients)에서 일어난다. 일정한 증기 유량에서 주입되는 물/유체의 유량(flow rate)의 감소는 수온이 혼합 챔버 내의 압력에 대응되는 포화 온도로 상승하는 것으로 이어지며, 모든 증기의 응축을 위한 물의 부족 때문에, FD 장치의 열교환 작동은 계속되는 반면에, 펌핑 성능은 비례적으로 감소한다. 이 모드는 최소 주입 계수를 결정한다. 이 모드에서, 작동 및 기하학적 인자들(factors)은 FD 장치의 특성에 영향을 미친다. 주입 계수의 증가로, (배압 감소의 결과로서) 주입되는 물의 유량이 증가할 때, 혼합 챔버 내의 수온은 감소한다. 동시에, 혼합 챔버 내의 속도 증가 때문에, 수압은 감소한다. 주입되는 물의 유량의 증가는, 혼합 챔버의 입구에서 가열된 물의 온도에 대응되는 포화 압력까지 압력의 감소로 이어진다. 혼합 챔버 내에서 추가적인 압력 강하가 불가능하기 때문에, 배압(back pressure)의 감소는 물의 유량의 증가를 초래하지 않는다. 주입되는 물의 유량을 결정하는 이 압력 강하는 증가할 수 없다. 이 상태에서 배압의 추가적인 감소는 혼합 챔버에서 물의 플래싱(flashing)으로 이어진다.

혼합 챔버 내에서 물의 캐비테이션(cavitation)은 최대(한계) 주입 계수를 결정한다. 이 작동 조건이 FD 장치의 작동 모드라는 것을 주목하여야 한다. FD 장치는 높은 팽창비와 작은 압축비로 작동한다.

FD 장치의 최근의 분석과 시험은, 과열된 액체의 내부(입자간) 에너지를 일(work)로 변환하는 것은 "차가운" 열교환 물질의 존재로 성취될 수 있으며 이것 없이도 성취될 수 있다는 결과를 낳았다. 더욱이, 장치 입구에서 특정한 압력 값과 특정한 내부 기하학적 파라미터들 하에서, "차가운" 액체 자체는 압력의 급증 전에 2상 매체가 된다. 이 현상으로부터 바람직한 조건들하에서 액체의 내부(입자간 운동) 에너지는 유용한 일로 변형될 수 있다는 주된 중요한 결론이 뒤따른다.

앞서 말한 것에 추가하여, 여기에 개시된 다른 주제는 기계적 일의 생산에 관련되며, 특히 열을 생산하는 직접 접촉 열교환기들과, 전기 발전기, 유압 펌프, 압축기, 열 및 2상 펌프를 구동시키기 위한 수압, 공기압 및 증기 터빈들에 관한 것이다.

미국과 세계의 많은 건물들은 실내 난방, 냉방 및 가정용 온수 공급을 위해 증기를 사용한다. 증기 응축액은 때때로 증기 발생원으로 되돌아 오거나 또는 도시 하수도로 배출된다. 응축액의 온도를 220℉로부터 대략 110℉로 낮추기 위해 (도시 하수의 요구조건) 응축액은 차가운 식수와 혼합된다. 이러한 시스템은 실질적으로전기, 열과 물의 손실 및 하수 배수량(discharge rate)으로 작동된다. 모든 배수량은 평가되고 비용이 지불된다.

전기 생산을 위해 사용되는 폐수를 위한 기존의 대체 가능한 공급원은, 지열, 태양열 및 대량의 증기의 하부 사이클(bottoming cycle)(화석 및 원자력), 왕복 내부 연소 및 디젤 발전소, 화학 공정, 및 다양한 산업들을 포함한다. 일반적으로, 끓는 폐수 내의 에너지는 전력을 생산하기 위해 열역학적 작동 유체(이원 사이클)로 전달된다. 물 또는 다른 폐수 스트림은 단지 적당히 높은 온도와 압력하에 있기 때문에, 작동 유체는 2상 영역(two-phase region)에서 낮은 에너지 변환 효율(15 내지 20%)로 작동하며 종종 나쁜 내구성(durability)를 겪는다.

2000년에 캘리포니아 에너지 위원회는, 길게 휘어진 반동 팽창 노즐을 가진 2상 터빈은 50%에 가까운 터빈 효율로 작동된다는 것을 간략하게 (몇 분의 가동 시간 동안) 입증하는 프로젝트(CEC-500-2005-079)를 후원하였다. 터빈은 435℉와 350 psig로 가열된 물을 사용하였다. 상기 터빈과 제안된 발명의 기본적인 차이점은, 재생 가능한 폐 액체와 기체를 쉽게 이용할 수 있는 낮은 온도를 사용하며, 매우 높은 배출 압력의 추력을 생성할 수 있는 발전된 천음속 노즐을 사용한다는 것이다.

노즐들을 가진 로터(rotor)를 가진 반경방향 외향류 터빈(radially outward flow turbine)을 포함하는, 기계적 에너지를 얻기 위한 2상 반동 터빈(two-phase reaction turbine)은 알려져 있으며, 여기서 노즐은 내부 입구 통로로부터 로터 주변부로 연장되고 노즐의 단위 길이당 실질적으로 일정한 압력 강하를 가지며, 각각의 노즐의 표면을 따라서 제1차 표면 연속성을 가지고, 실질적인 측방향 가속이 없이 2상 유동을 허용하는 노즐 프로파일을 가진다. 터빈은 또한 외부 케이싱을 가지며, 케이싱은, 케이싱 개구로 들어오는 유동에 의해 회전하며 추가적인 기계적 일을 생성한다.

알려진 반동 터빈(reaction turbine)은, 그 채널로부터 작동 매체의 유출 중에 로터에서 발생되는 토크가 환경의 배출 압력에 의해 제한되기 때문에, 터빈의 로터로부터 최대 기계적 에너지를 얻는 것이 가능하지 않다는 단점을 가진다.

작동 매체를 터빈의 로터의 채널 내부로 공급하고, 로터의 회전 시에 로터의 반경에 대해 직각인 원주를 따르는 하나의 방향으로 채널로부터 유출되는 작동 매체를 가속시키는, 기계적 에너지를 얻기 위한 2상 반동 터빈은 알려져 있다.

이러한 알려진 방법의 단점은, 로터의 네 개의 채널들을 통한 작동 유체의 유출 중에 그리고 로터의 둘레에 블레이드 터빈의 형태로 케이싱에 의해 형성된 공간 내부로의 공급 중에, 블레이드들 사이에 위치한 작동 매체는 로터의 채널의 스트림과 접촉되는 순간에 방출되며, "녹아웃 되며(knocked out)", 로터의 채널로부터 스트림의 속도가 가속되고, 이를 위해 스트림의 에너지의 일부가 사용되기 때문에, 얻어진 기계적 에너지의 양이 불충분하다는 것이다. 방사상(radial) 블레이드 터빈의 형태에서 케이싱 내의 개구들을 통해 유출되는 중에, 반사형 블레이드들에서 작동 유체의 가속을 위해 원심력의 손실이 있다. 추가적으로, 케이싱 내의 개구들을 통한 유출에 기인하여 블레이드들 사이에서 작동 매체의 순환 중에 통풍(ventilation)을 위한 손실이 있다. 또한, 방사상 블레이드 터빈의 형태로 회전하는 케이싱으로부터, 작동 매체는 케이싱의 회전 속도와 상당히 다른 속도로 유출되며, 이는 에너지의 손실로 이어진다.

닫힌 단부를 가진 튜브로서 형성되며, 샤프트와 동축으로 연결되고, 회전 가능하게 배치되며, 열린 단부들을 가지며 양측에서 튜브에 방사상으로 고정된 적어도 한 쌍의 파이프를 가지는 작동 휠(working wheel), 휠을 둘러싸며 회전 가능하게 배치된 케이싱, 휠과 케이싱을 둘러싸며 샤프트의 배치를 위한 개구들을 가진 하우징, 및 작동 매체를 공급 및 배출하기 위한 노즐들을 가진 제트 반동 터빈(jet reaction turbine)도 알려져 있다. 열린 단부들을 가진 적어도 한 쌍의 파이프들은 양측에서 케이싱에 고정된다. 케이싱과 작동 휠은 동일한 샤프트에 배치된다.

이러한 알려진 터빈의 단점은, 하나의 샤프트 상에 배치된 케이싱과 작동 휠의 고정 연결과 작동 휠과 케이싱을 한 방향으로 회전시키는 것이며, 이는 단지 하나의 케이싱으로부터 기계적 에너지의 획득을 제공하고, 반면에 작동 휠의 파이프들은 터빈의 요소들에 의해 단지 작동 매체의 공급 압력을 조절하며, 이는 에너지의 쓸모없는 손실과 낮은 터빈 효율로 이어진다.

두 개의 샤프트들을 가진 방사상 터빈은 알려져 있으며, 이는, 샤프트와 동축으로 연결된 닫힌 단부를 가진 튜브로서 형성되고 회전 가능하게 배치된 세그너(Segner) 휠, 양측에서 방사상으로 튜브에 고정되고 그 축으로부터 양측으로 휘어진 열린 단부들 가진 적어도 한 쌍의 파이프들, 샤프트와 동축으로 연결되고 세그너 휠을 둘러싸며 회전 가능하게 배치된 케이싱, 세그너 휠과 케이싱을 둘러싸며, 세그너 휠의 튜브와 세그너 휠과 케이싱의 샤프트들을 배치하기 위한 개구들을 가진 하우징, 및 작동 매체의 유출을 위한 노즐을 포함하며, 파이프들의 휘어진 열린 단부들의 축들은 한 쌍의 파이프들의 축들과 튜브의 축을 통해 연장된 평면에 대해 직각이고, 파이프의 벽에는 파이프들에 상응하는 개구들이 제공된다. 케이싱은 블레이드 터빈으로서 형성된다.

이러한 알려진 터빈의 단점은, 블레이드 터빈으로서 형성된 케이싱 내에서, 블레이드들은 그 단부를 따라서 디스크에 고정된다는 것이며, 이는 추가적인 모멘트에 기인하여 블레이드들에 가해지는 원심 하중을 증가시키고, 블레이드들의 고정 조립체는 높은 하중을 견질 수 없으며, 이는 블레이드 터빈의 원주 속도의 감소를 요구하며 블레이드 터빈의 효율을 감소시킨다. 블레이드들 사이의 통로에서, 로터의 노즐로부터의 작동 매체의 스트림은 블레이드들의 형상과 노즐로부터의 스트림의 형상에 의해 결정되는 어떤 각도로 블레이드들로 유도되어야 한다. 알려진 터빈에서, 노즐로부터의 작동 매체의 스트림은 다른 각도들로 블레이드들로 공급되며, 이는 별개의 노즐 장치들을 가진 터빈에서 허용 가능한 평균적으로 증가된 각도들로 이어지고, 효율의 감소로 이어진다.

중공형(hollow) 로터(세그너 휠)의 사용은, 로터의 중공 내에서 벽들 상에서의 속도와 로터의 중공(세그너 휠)의 중간 부분에서 대향되는 유동에 기인하여 동반되는 작동 유체의 순환의 발생, 또는 다시 말해서 쌍 와류(pair whirl)의 형성에 기인하여 마찰의 손실로 이어진다. 결과로서, 중공을 가진 로터로부터 취해지는 전력이 손실된다. 로터(세그너 휠)의 네 개의 노즐로부터 반대 방향으로 회전하는 케이싱(블레이드 터빈)으로 작동 매체를 부분적으로 공급하면, 블레이드들 사이에 위치한 작동 매체는 로터의 노즐로부터의 스트림과 접촉하는 순간에 낮은 압력으로 방출되며, "녹아웃 되며(knocked out)", 로터의 노즐들로부터 공급되는 스트림의 속도가 가속되고, 이를 위해 스트림의 에너지의 일부가 사용된다.

케이싱(블레이드 터빈)에서, 방사상 블레이드들에서 작동 매체의 가속을 위해 원심력의 손실이 있다. 추가적으로, 케이싱 내의 개구들을 통한 유출 중에 블레이드들 사이의 작동 매체의 순환에 기인하여 통풍(ventilation)을 위한 손실이 있다. 또한, 블레이드 터빈의 형태로 회전하는 케이싱으로부터, 작동 매체는 케이싱의 회전 속도와 상당히 다른 속도로 유출되며, 이는 에너지의 손실로 이어진다.

알려진 터빈은 또한 케이싱으로서 블레이드 터빈의 사용에 기인하여 복잡한 구조와 그 제조를 위한 복잡한 기술을 가진다.

터빈으로부터 기계적 에너지를 얻는 방법은 알려져 있으며, 이는 터빈의 로터의 채널 내부로 작동 매체를 공급하는 단계, 로터를 회전시키기 위해, 원주를 따라서 그리고 로터의 반경에 대한 법선을 따라서 채널로부터 하나의 방향으로 유출되는 동안 작동 매체를 가속시키는 단계, 로터 채널로부터 로터 위의 케이싱 내부에 생성된 공간 내부로 작동 매체를 공급하고, 작동 매가 케이싱의 개구들을 통해 유출되는 동안 마찰에 의해 케이싱과 상호 작용함으로써 하나의 방향으로 가속되고 케이싱이 회전되도록 하는 단계, 케이싱 내부에 닫히고 로터 채널들의 출구 개구를 따라서 원주의 반경을 따라서 연장된 공간을 형성하는 단계, 및 원주를 따라서 그리고 케이싱의 반경에 대한 법선을 따라서 상기 로터로부터의 유출 방향과 반대 방향으로 케이싱의 개구들을 통해 유출되는 작동 유체를 가속시키는 단계를 포함한다.

이러한 알려진 방법의 단점은, 노즐들이 천음속 방식이 아니고 추가적인 추력을 제공하지 않기 때문에, 얻어진 기계적 에너지의 양이 불충분하다는 것이다.

위에서 설명된 기존의 시스템들은 그들이 의도한 목적에 적합하지만, 액체의 열 에너지의 수확에 있어서는, 열 수확의 효율을 향상시키고 넓은 범위의 작동 파라미터들에서 시스템의 신뢰성 있고 안정된 작동을 제공하기 위한 개선점들이 남아 있다. 그리고, 기존의 고온수와 응축액 수집 시스템은 그들이 의도한 목적에 적합하지만, 특히 전체 사이클의 열 효율을 향상시키는 시스템을 제공하기 위한 개선의 필요성은 남아 있다.

본 발명의 실시예는 저온 및 고온 유체 유동 매체용 천음속(transonic) 2상(two-phase) 반동 터빈을 포함한다. 상기 터빈은 반대 방향으로 회전하도록 구성된 적어도 두 개의 휠들(wheels)을 포함하며, 상기 적어도 두 개의 휠들 중 적어도 하나는 하나 또는 다수의 운동 에너지 수확기들(harvester)을 갖춘다.

본 발명의 실시예는 다수의 운동 에너지 수확기들을 가진 적어도 하나의 로터(rotor)를 가진 천음속 2상 반동 터빈을 포함한다. 각각의 운동 에너지 수확기는 제1 열매체(heat carrier) 또는 열매체들을 압력하에서 제1 노즐 내부로 받아들도록 그리고 제2 열매체를 제2 노즐 내부로 받아들이도록 배치되고 구성된다.

각각의 운동 에너지 수확기는, 제1 열매체(heat carrier) 또는 열매체들을 압력하에서 제1 노즐 내부로 받아들이도록 그리고 제2 열매체를 제2 노즐 내부로 받아들이도록 배치되고 구성되며, 상기 제2 열매체는 상기 제1 열매체보다 더 차갑고, 상기 제2 노즐은 상기 열매체 또는 열매체들의 유동, 압력 및 온도에 적어도 부분적으로 근거하여 정해진 거리를 두고 상기 제1 노즐의 하류에 배치된다. 각각의 운동 에너지 수확기는, 상기 제1 노즐과 제2 노즐 사이에서 2상 혼합물(two-phase mixture)을 생산하기 위해 상기 제1 열매체와 제2 열매체를 혼합하도록 구성된 혼합 챔버를 포함하고, 상기 제2 노즐은 증가된 배출 추력(discharge thrust)을 생산하기 위해 상기 제1 노즐로부터 정해진 거리에 배치된다. 각각의 혼합 챔버는 상기 2상 혼합물의 열매체들의 압력 강하 및 감속을 초래하도록 구성되며, 감속된 속도에서 상기 2상 혼합물 또는 상기 제1 열매체 또는 제2 열매체 중 적어도 하나 또는 둘 다 끓어서 작은 기포들을 가지며 고압축성 매체이고 1보다 큰 마하 수(Mach number)의 음속 조건을 가진 균질한 2상 매체로 된다. 각각의 제2 노즐은 수렴하도록 그리고 상기 2상 매체 유동을 압축하도록 구성되며, 상기 작은 기포들을 붕괴시키고 상기 2상 혼합물을 증가된 운동 추력(kinetic thrust)을 가진 비압축성 단일 상 유동 매체(single-phase flow medium)로 변화시킨다. 각각의 운동 에너지 수확기는 상기 제2 노즐의 하류에 배치된 배출 부분(discharge section)을 더 포함하고, 각각의 배출 부분은, 상기 로터를 회전 방식으로 구동하기 위해, 상기 제1 및 제2 열매체들의 유입 압력들보다 더 높은 반동 압력(reactionary pressure)을 생산하기 위해, 증가된 운동 추력을 가진 상기 단일 상 유동 매체를 배출하도록 배치되고 구성되며, 결과적으로 각각의 운동 에너지 수확기는 열 및 운동 에너지를 생산한다.

이러한 그리고 다른 이점들과 특징들은 도면들을 참조한 아래의 설명으로부터 더욱 명확하게 될 것이다.

본 발명으로서 고려되는 주제는, 명세서의 결론에서 특히 청구항들에 언급되고 명확하게 청구된다. 본 발명의 상기한 그리고 다른 특징들, 및 이점들은 첨부된 도면들을 참조하는 아래의 상세한 설명으로부터 명백하다.
도 1은 음속과 액체에 대한 기체의 부피 비율 사이의 관계를 보여주는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 파이소닉-타입(Fisonic-type) 장치의 개략적인 도면이다.
도 3은 도 2의 장치를 통합하는 시스템의 개략적인 도면이다.
도 4 내지 16은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 파이소닉-타입 장치의 다른 실시예들의 개략적인 도면들이다.
도 17은 도 1-16의 파이소닉-타입 장치들을 사용하는 조합된 열 및 전력 시스템의 개략적인 도면이다.
도 18-20은 도 1-16의 파이소닉-타입 장치들을 사용하는 히트 펌프(heat pump)의 개략적인 도면들이다.
도 21은 본 발명의 일 실시예에 따른 천음속 2상 반동 터빈과 열교환기의, 단일-회선 유동도 형태로 묘사된, 개략적인 도면이다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 랭킨 사이클의 그래프이다.
도 23-32는 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 구동 열-운동(thermo-kinetic) 터빈 발전기의 대체 가능한 실시예들을 보여준다.
상세한 설명은, 도면들을 참조하면서, 예로서, 본 발명의 실시예들을 이점들 및 특징들과 함께 설명한다.

본 발명의 실시예들은 극초음속(hypersonic) 운동 에너지 수확기(harvester), 열교환기, 혼합기, dozator, 균질기(homogenizer), 저온살균기(pasteurizer), 과열 저감기(de-superheater), 펌프, 유량/에너지 계량기, 유화제, 스러스터(thruster), 익스팬더(expander) 및 하이퍼 응축액 리사이클러(hyper condensate recycler)를 제공한다(여기서 집합적으로 운동 에너지 수확기, 또는 KEH로 언급된다). 본 발명의 실시예들은, 아래에서 설명되는 바와 같이 KEH를 사용함으로써 운동 및 열 에너지 수확과 실질적인 열 및 펌핑 에너지 소비의 감소를 위한 조건들을 생성한다. 본 발명의 실시예들은 가변 속도 펌프에 의해 공급되는 작동 유체의 운동 에너지를 열 및 펌핑 에너지로 변환하는 KEH를 제공하며, 시스템의 신뢰성 있고 안정되며 캐비테이션이 없는 작동을 제공한다. 이는 기존의 펌프와 종래의 열 에너지 공급시설의 에너지 소비를 실질적으로 감소시키는 이점을 제공한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 액체로부터 비응축성 기체들을 완전히 제거하며 실질적으로 열 에너지 수확을 향상시키는 공기 분리기(deaerator)를 갖출 수 있다. 또한, 상기 KEH는 어떠한 외부 펌프 없이도 작동될 수 있으며, 반응물 혼합 챔버 내에 유체들이 존재하고 열 변화(thermal delta) 또는 차압(delta-pressure)이 있는 한 KEH는 작동을 시작하고 유체를 펌핑할 것이다.

상기 KEH의 실시예들의 성능은 2상 유동(two-phase flows)의 특성들, 무엇보다도 그들의 상승된 압축성에 기초한다. KEH의 효율성과 열 에너지 수확률을 향상시키기 위해, 처음으로 차가운 액체가 보일러 내에서 지역 에너지, 태양, 지열, 바람, 바이오매스(biomass), 화석, 원자력, 폐기물 또는 화학 에너지에 의해 예열되고, (장치의 시동에서) KEH 내부로 펌핑된다. 상기 KEH에서, 아음속(subsonic)의 단일 상의 액체 유동은 균일한 2상 유동(플라즈마)으로 변형되며, 이는 다수의 미세한 증기 기포들을 포함하는 초음속(supersonic)의 유동으로 이송되고; 그 다음에 초음속의 2상 유동 내에서 증기 기포들의 동시 붕괴가 일어나서 2상 유동이 단일 상 유동으로 전환되며, 추가적인 열 에너지와 약간의 펌핑력(pumping power)을 제공한다. 상기 KEH의 성능과 다기능성은 최종 사용자의 요구에 의존하며, 상기 KEH의 성능은 특정한 적용에 맞도록 구성될 수 있다.

상기 KEH의 실시예들은 기하학적으로 지향시키는 리브들(ribs)을 갖춘 디퓨저(diffuser)를 포함한다. 상기 디퓨저는, 내측 표면에 나선형 리브들(helical ribs)을 가진 다수의 튜브들(tubes)을 갖춘 링(ring)에 연결된다. 상기 리브들은 선회류(swirl flow)를 발생시키며, 이는 효과적인 액체의 난류화를 제공하는 원심 작용(centrifugal action)을 초래한다. 이후에, 액체는 열린 챔버로 들어간다. 이 챔버에서, 원래의 액체 스트림은 상기 KEH의 배출 부분으로부터 동심의 외부 파이프 내에서 재순환하는 추가적인 액체 스트림을 주입한다. 혼합된 유동은 라발 노즐(Laval nozzle)의 입구에 배치된 동축 노즐(coaxial nozzle) 내부로 배출된다. 상기 라발 노즐 이후에, 액체 압력은 액체 온도에 대응되는 포화 증기 압력보다 높지 않은 값으로 감소한다. 이러한 조건들에서, 다수의 증기 기포들은 액체로 형성된다. 상기 라발 노즐의 길이는 미리 결정된 길이이다.

상기 라발 노즐로부터 미리 결정된 거리에서, 상기 액체는 기하학적 노즐로 들어가며, 그 이후에 2상 유동의 증기 성분을 붕괴시키는 압력 서지(pressure surge)의 발생을 초래하는 역압(counter pressure)이 인가된다. 압력 서지 중에, 새로 형성된 작은 증기 기포들의 붕괴를 촉진하는 진동의 범위가 발생되며, 이는 차례로 열 에너지를 발생시키고 액체의 온도와 액체의 추력(thrust of liquid)을 상승시킨다. 이 시점에서, 메인 스트림으로부터 액체의 일부가 분리되어, KEH의 입구에 있는 상기 혼합 챔버로 되돌아가도록 재순환된다. 상기 메인 액체 스트림은 미리 결정된 거리를 이동하며 이후에 기하학적 링(ring)/스크린(screen)으로 들어가며, 여기서 추가적인 열 에너지가 수확된다. 이후에, 상기 액체는 원뿔형 배출 부분으로 들어가며, 배출 부분으로부터 액체는 상승된 온도로 배관 시스템 내로 배출된다. 상기 KEH 내부에서 부분적인 스트림의 재순환은, 넓은 범위의 시스템 파라미터들(유량, 온도 및 압력)에서 시스템의 신뢰성 있고 안정된 작동 모드를 제공할 수 있게 한다.

가열된 액체는 열 사용자들에게 이송된다. 냉각된 액체 스트림은 사용자들로부터 보일러 또는 다른 열 입력 소스로 되돌아가도록 재순환될 수 있다. 되돌아가는 액체도 공기 분리기를 통과할 수 있으며, 여기에서 액체는 공기가 거의 제거된다. 상기 공기 분리기에서 비응축성 기체들의 제거는 에너지 수확 공정을 향상시킨다. 반복된 재순환 사이클들에서 주된 열의 입력과 펌핑력은 상기 KEH에 의해 지공되며, 보일러의 열 입력과 펌프의 펌핑력은 실질적으로 감소된다. 액체가 고객으로부터 되돌아오지 않을 때, 보충 액체가 상기 KEH로 제공된다.

상기 장치의 내부에서 점프하기 전의 압력(Pbj)에 의존하는 점프 압력(jump pressure)(P2)은 아래의 방정식으로 설명된다:

(3) P₂ = k P_bj M²...

천음속 또는 음속 이상의 유동에서 동질의 2상 스트림은 음속의 감소에 의해 달성되며, 이는 낮은 스트림 속도에서 1과 같거나 또는 1보다 큰 최대 수(M ≥ 1)를 달성하도록 허용한다.

상기 KEH의 일의 균형은 아래의 방정식에 의해 설명된다:

(4)

여기서:

k = Cp/Cv;

Cp = 일정한 압력에서의 비열; Cv = 일정한 부피에서의 비열: w, i, d - 작동, 주입 그리고 배출 스트림들의 아래의 파라미터들을 나타내는 아래 첨자: P = 압력, V = 비체적(specific volume); u = 주입 및 작동 유량의 비율과 동일한 주입 계수.

상기 KEH의 특정한 특징들은 혼합 챔버의 기하학적 구조와 밀접하게 관련된다. KEH 이후의 배출 압력(Pd)은 아래의 방정식으로 주어진다.

(5)

여기서: T_w1 = P_i/P_w; f_w1 = 작동 노즐의 배출 단면; f₃ = 혼합 챔버의 배출 단면; K₁ = 작동 스트림의 속도 계수;

= 디퓨저 스트림의 속도 계수; T_wc = P_c/P_w = 작동 압력에 대한 작동 노즐의 임계 영역(critical section)의 압력의 비율; λ_w1 = 단열 유동에서 임계 속도에 대한 작동 스트림의 속도 비율; f_wc = 작동노즐의 임계 영역의 단면; u = 주입 계수(injection coefficient).

상기 혼합 챔버의 입구에서의 압력(P2)과 주입 계수 사이의 관계는 아래의 방정식에 의해 결정된다.

(6)

임의의 압축성을 가진 매체를 위한 에너지 보존의 방정식은 아래와 같다.

(7) dq = (K/(k-1))Pdu + 1/(k-1) * u * dP + dqmp

단열 채널 내에서 이동하는 비압축성 유체(k→∞, dv=0)를 위한, 유일한 열원은 마찰이다. 비압축성 유체는 열 에너지를 기계적 일로 변환하기 위한 작동 매체로서의 역할을 하지 못한다. 방정식(7)이 압력 점프의 경계에서 유동의 단면에 적용될 때 상황은 다르며, 거기서 일측에 안개와 같은 구조의 높은 압축성 2상 혼합물이 위치하고, 압력 점프의 영역의 다른 측에 증기(기체)의 작은 기포들을 가진 단일 상의 액체가 위치한다.

압력 점프 모드에서 열 균형의 조건들은 아래와 같다:

(8) ρ_ld (1- β)* Δq = ρ_g * β * r

(9) Δq = (ρ_g /ρ_lg) * r * (M² - 1)

여기서: r = 상 변화의 잠열.

방정식 (9)의 분석으로부터, 몇몇의 결론들이 만들어질 수 있다. 첫째, M < 1에서, Δq < 0 은 액체의 증발 냉각의 잘 알려진 과정이고, 둘째, M = 1에서, Δq = 0 은 난류들의 퇴화의 현상이며, 이들은 각각 아래에서 설명된다. 유사 임계 속도로 실린더형 채널의 출구 영역 가까이로 이동하는 기체의 내부 문제에 대한 참고문헌 3, Vulis, L.A., 기체 유동의 열역학, Gosenergoizdat M, L. 1950, 그리고, 기체의 근 음속(near sonic) 유동의 실린더 둘레의 유동의 외부 문제에 대한, 참고문헌 4, Fisenko, V.V.와 Sychikov, V.I., 2상 유동의 유체역학에서 압축성 효과에 관해, 저널 오브 피지컬 엔지니어링, 1977. V. 32, no6. 균일한 2상 혼합물에 대한 문제점은 참고문헌 5에 설명된다. 참고문헌 5, Gukhman, A.A, Gandelsman, A.F. 및 Naurits, L.N., 초음속 구역의 유동에서 유압 저항에 관해, Energomashinostroenie, 1957, No7. 마지막으로, M > 1 에서, Δq > 0 은 참고문헌 6에 설명된 현상이다. 참고문헌 6, Potapov, 미국, Fominskii, L.P. 및 Potapov, S.U. 와류 에너지(Vortex Energy), www.transgasindustry.ru/books, by U. Potapov 유체 유동상에서 특정한 내부 기하학적 영향.

유체 유동에 관한 제어된 기하학적, 열, 비용 또는 유체 유동에 대한 조합된 영향 하에서, 액체의 내부 에너지에 의한 열 에너지의 최대로 가능한 배출이 아래의 방정식에 의해 설명된다.

(10) Δq = (ΔP / ρ_ld) * M² /k-1)

여기서: ΔP = 점프에서의 압력과 발생된 에너지가 공급되는 시스템의 배압 사이의 차이; 그리고, ρ_ld = KEH로부터의 출구에서 액체의 밀도.

실험들은, 상기 KEH의 내부 기하학적 구조, 온도, 압력, 화학적 조성, 음파의 추가, 전기적 자극, 배관의 구성, 기체와 액체의 조합 및 중력을 변화시킴으로써, 장치 파라미터들을 변화시키고 강화할 수 있으며 수확된 열 에너지와 펌핑력을 실질적으로 증가시킬 수 있다는 것을 보여주었다.

KEH(20)의 일 실시예는 도 2와 도 3에 도시된다. 액체(1)가 펌핑되고 장치(22) 내에서 예를 들어, 지역 에너지, 태양, 지열, 바람, 바이오매스, 화석, 폐기물 또는 화학 에너지에 의해 처음으로 예열된다. 상기 장치(22)는 예를 들어 보일러일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 여기서 실시예는 선형 구조의 KEH를 참조하여 설명된다 하더라도, 청구된 발명은 그렇게 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 몇몇의 실시예들에서, 상기 KEH는 예를 들어 360도 링 원환체의 형태로 구성된다. 가열된 후에, 상기 액체(1)는 (시동 중에) 상기 KEH(20) 내부로 펌핑된다. 상기 KEH(20)는 기하학적으로 지향시키는 리브들(geometry directing ribs)(3)을 갖춘 디퓨저(2)를 포함한다. 상기 디퓨저는, 내측 표면에 나선형 리브들(helical ribs)을 가진 다수의 튜브들(5)을 갖춘 링(4)에 연결된다. 상기 리브들은 선회류(swirl flow)를 발생시키도록 구성되며 액체의 난류화(turbulization)를 제공하도록 원심 작용(centrifugal action)을 야기한다. 이후에, 상기 액체는 열린 챔버(6)로 들어간다. 혼합 챔버의 길이는 최종 사용자의 어플리케이션에 따라 변할 수 있다. 챔버(6)에서, 원래의 액체 스트림(1)의 일부는 추가적인 액체 스트림(7)으로서 주입된다. 상기 액체 스트림(7)은 상기 KEH(20)의 노즐(11)의 출구로부터 동심의 외부 파이프(8) 내에서 재순환된다.

혼합된 유동은 단일 상 액체 스트림(7)을 압축하는 제1 라발 노즐(Laval nozzle)(9) 내부로 더 배출된다. 일 실시예에서, 하나 이상의 압력 센서들(36)이 상기 제1 라발 노즐(9)에 결합된다. 상기 압력 센서들(36)은 상기 제1 라발 노즐(9) 내의 압력을 나타내는 신호를 액체 유동 계량 장치(38)로 제공하도록 구성된다. 상기 액체 스트림(7)은 제2 라발 노즐(10) 내부로 배출된다. 상기 제2 라발 노즐(10)로부터 미리 결정된 거리를 두고, 상기 스트림은 노즐(11)로 들어간다. 일 실시예에서, 단일 상 액체 유동(single phase liquid flow)의 압력은 상기 라발 노즐 후에 액체 온도에 대응되는 포화 증기 압력보다 높지 않은 값으로 감소한다. 이러한 조건들에서, 다수의 증기 기포들이 액체 내에 형성된다. 상기 노즐(11) 이후에 부분적인 액체 스트림이 분리되고 상기 동심 파이프(8) 전체를 거쳐 상기 챔버(6)로 재순환된다. 상기 KEH(20)의 내부에서 부분적 스트림의 재순환은, 넓은 범위의 시스템 파라미터들(유량, 온도 및 압력)에서 시스템의 신뢰성 있고 안정된 작동 모드를 제공할 수 있게 한다는 것이 발견되었다.

일 실시예에서, 상기 노즐(11)은 2상 유동에 제동 효과(braking effect)를 제공하며, 2상 유동의 증기 성분을 붕괴시키고 2상 유동을 단일 상 유동으로 변환하는 압력 서지(pressure surge)의 발생을 초래하는 역압(counter pressure)을 생성한다. 압력 서지 중에, 미세한 증기 기포들의 붕괴를 촉진하는 범위의 진동이 발생되며, 이는 차례로 열 에너지를 수확하고 액체의 온도와 액체의 추력(thrust of liquid)을 상승시킨다.

메인 액체 스트림은 약간의 미리 결정된 거리를 이동하며 링/스크린(12) 내부로 들어간다. 이후에, 메인 액체 스트림은 리브들(ribs)(14)을 갖춘 원뿔형 배출 부분(discharge section)(13)으로 들어가며, 이로부터 상승된 온도와 추력을 가진 액체는 배관 시스템(15) 내로 배출된다. 일 실시예에서, 상기 배관 시스템은, 배출 유동의 일부를 상기 KEH(20)으로부터 펌핑 장치(34)로 되돌아가게 유동시키는 도관을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 상기 펌핑 장치(34)는 하이드로 터빈 펌프 또는 파이소닉 제트 펌프(Fisonic jet pump)이다.

상기 KEH(20)는 메인 액체 스트림과 혼합되며 동질의 혼합물과 에멀젼(emulsion)을 생성하는 추가적인 액체와 기체의 공급을 제공하는 추가적인 노즐들 또는 입력부들을 포함할 수 있다는 것을 인식하여야 한다.

일 실시예에서, 상기 배관 시스템(15)은 플래시 분리기(flash separator)(24)를 갖출 수 있으며, 여기서 가열된 물이 플래시되고 증기가 분리되어 최종 사용자 어플리케이션(26), 예를 들어 건물의 증기 난방 시스템으로 공급된다. 상기 분리기는 KEH(20)에 연결되며, 이는 상기 분리기 내의 압력을 감소시키고 물의 플래싱(water flashing) 조건을 제공한다.

그 다음에, 가열된 액체 또는 증기는 최종 사용자 어플리케이션(26)으로 이송된다. 최종 사용자 어플리케이션에서 가열된 액체 또는 증기로부터 열 에너지가 추출되었을 때, 냉각된 액체 또는 응축된 스트림은 상기 보일러(22) 또는 다른 입열 소스로 되돌아가도록 재순환된다. 되돌아가는 재순환 라인도 공기 분리기(28)에 연결될 수 있으며, 여기에서 비응축성 기체들의 제거, 보충 및 액체 팽창 기능을 제공하기 위해, 액체는 공기가 거의 제거된다. 일 실시예에서, 상기 공기 분리기는 또한 팽창 장치로서 사용된다. 냉각된 액체가 최종 사용자 어플리케이션(26)으로부터 되돌아가지 않는 실시예들에서, 보충수(30)가 시스템(32)으로 공급된다. 반복되는 재순환 사이클에서, 상기 KEH(20)에 의해 제공된 입열 및 펌핑력과 상기 보일러의 입열은, 상기 시스템(32)의 펌프들(34)의 요구를 실질적으로 감소시킨다.

일 실시예에서, 상기 KEH는 입자간 힘(interparticle forces)(단일상-2상-및 다상(multiphase) 매체의 운동 에너지)을 사용하며, 혼합, 온도 상승, 및 액체와 기체의 추력과 진공의 생성을 위한 것이다. 상기 시스템은, 보일러, 지역 에너지, 태양, 지열, 바람, 바이오매스, 화석, 폐기물 또는 화학 에너지의 형태로 입열 장치(heat input device)와, 상기 KEH에 연결되는 (초기 시동을 위한) 펌프를 포함할 수 있으며, 상기 KEH는 에너지 수확을 위한 조건들을 생성하고, 액체 매체의 개루프 또는 폐루프 순환으로 소비자에게 연결된 배관 시스템으로 가열된 액체를 밀어낸다. 또한, 상기 시스템은 공기 분리기(deaerator)를 포함할 수 있다. 기술적 효과는 특정 범위의 작동을 위해 구성된 KEH를 포함한다. 일 실시예에서, 열 에너지 수확 온도 범위는 110℃ 내지 250℃ 사이이다. 상기 KEH는 다양한 산업들, 수송, 관개(irrigation), 소독, 화재 진화, 물/오일 분리, 혼합, 요리, 난방, 냉방 및 저품질 에너지 사용에 적용될 수 있다.

실험들은, KEH의 내부 기하학적 구조, 온도, 압력, 화학 조성, 음파의 추가, 전기적 자극, 배관의 구성, 기체와 액체의 조합 및 중력을 변화시킴으로써, 장치 파라미터들을 변화시키고 강화할 수 있으며 수확되는 운동 및 열 에너지와 펌핑력을 실질적으로 증가시킬 수 있다는 것을 보여 주었다.

도 4 내지 도 17은 KEH의 다른 실시예들을 보여준다. 도 4는 KEH(20)가 2상 또는 다상(multiphase)의 열 운동 증폭기(thermo kinetic amplifier)로서 작용하는 실시예를 보여준다. 이 실시예에서, 상기 KEH(20)는 하나의 라발 노즐(9)과 제동 노즐(11)을 가진다. 도 4의 실시예에서, 유체 스트림의 일부를 재순환시키기 위한 동심 파이프가 없다. 그 대시에, 도관(conduit)(40)이 라발 노즐(9)의 입구와 노즐(11)의 입구 사이에 예를 들어 차가운 액체의 열매체(heat carrier)와 같은 유체 스트림을 주입한다.

이제, 도 5를 참조하면, 상기 KEH(20)가 극초음속 운동 증폭기(hypersonic kinetic amplifier)로서 수행하는 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 하나의 라발 노즐(9)이 상기 디퓨저(2)로부터 하류에 배치된다. 상기 라발 노즐(9)에서 빠져나온 액체는 동심의 도관(8)으로부터의 재순환된 액체와 혼합되어 제동 노즐(11)로 들어간다. 상기 노즐(11)을 빠져나왔을 때, 액체 스트림의 일부는 동심 도관(11)을 통해 재순환하며 나머지는 원뿔형 배출 부분(13)을 통해 빠져나간다.

도 6을 참조하면, FD(20)가 다단 과운동 증폭기(multistage hyperkinetic amplifier)로서 수행하는 실시예가 도시된다. 이 실시예에서, 액체 스트림(1)은 디퓨저(2)를 경유하여 챔버(6) 내부로 들어간다. 상기 디퓨저(2)로부터 하류로 미리 결정된 거리에서, 상기 동심 도관(8)의 출구를 빠져나온 재순환된 액체는 챔버(6) 내부로 들어가며, 두 개의 유체 스트림의 혼합이 일어난다. 혼합된 스트림은 그 다음에 하나의 라발 노즐(9)과 제동 노즐(11)로 들어간다. 상기 동심 도관(8)로의 입구는 상기 노즐(11)의 출구에 배치되어 액체 스트림의 일부가 재순환되도록 하며, 스트림의 나머지는 상기 배출 부분(13)을 통해 빠져나간다.

도 7은 혼합과 복류식(multiflow) 어플리케이션을 위한 다상의(multiphase) 열운동 증폭기로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 액체 스트림(1)은 디퓨저(2)에 의해 받아들여지고 챔버(6) 내부로 이송되며, 여기서 상기 동심 도관(8)으로부터 재순환된 액체와 혼합된다. 혼합된 액체는 라발 노즐(9) 내부로 흐른다. 제2 액체 스트림인 도관(40)을 통해 주입된다. 상기 제2 액체는 상기 라발 노즐(9)의 입구와 출구 사이에 주입된다. 이러한 혼합된 액체 스트림은 상기 제동 노즐(11)로 들어간다. 상기 동심 도관(8)의 입구는 유체 스트림의 일부를 재순환시키기 위해 노즐(11)의 출구에 배치된다. 혼합된 유체 스트림의 나머지는 상기 배출 부분(13)을 경유하여 빠져나간다.

도 8은 하이퍼 에너지 추력기(hyper energy thruster)로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2) 내에 수용되고 다수의 노즐들(42)을 통과하여 챔버(6) 내부로 들어간다. 상기 액체는 라발 노즐(9)을 통과하고 동심 도관(8)으로부터 재순환된 액체와 결합된다. 상기 동심 도관은 재순환된 액체를 출구(44)로부터 상류에서 라발 노즐(9)의 외부로 주입한다. 상기 라발 노즐(9)로부터의 액체와 재순환된 액체는 상기 제동 노즐(11)의 입구에서 혼합된다. 이 실시예에서, 상기 출구(44)와 노즐(11)의 입구는 실질적으로 동일한 위치에 있다. 상기 동심 도관(8)으로의 입구는 유체 스트림의 일부의 재순환을 초래하기 위해 노즐(11)의 출구에 배치된다. 혼합된 유체 스트림의 나머지는 상기 배출 부분(13)을 통해 빠져나간다.

도 9는 다중-입력(multi-input) 에너지 수확기로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)를 통과하며 리브들(3)에 의해 다수의 튜브들(5)을 가진 링(4) 내부로 유도된다. 상기 액체는 상기 튜브들(5)을 통과하여 챔버(6) 내부로 들어간다. 도관(4)은 제2 액체 스트림을 동심 도관(8)으로부터 재순환된 액체를 따라서 이와 함께 챔버(6) 내부로 주입한다. 이러한 결합된 액체 스트림은 라발 노즐(9)로 들어간다. 제3 액체 스트림이 도관(46)으로부터 주입되며, 이는 상기 액체(1), 재순환된 액체, 제2 액체 스트림 및 제3 액체 스트림이 상기 출구(44)에서 혼합되어 상기 제동 노즐(11)로 들어가도록 한다. 이 실시예에서, 상기 노즐(11)의 입구와 상기 출구(44)는 동일한 장소에 배치된다. 상기 동심 도관(8)으로의 입구는 유체 스트림의 일부의 재순환을 초래하기 위해 노즐(11)의 출구에 배치된다. 혼합된 유체 스트림의 나머지는 상기 배출 부분(13)을 통해 빠져나간다.

도 10은 외부 공급을 가진 2단계 열 에너지 수확기로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)를 통해 받아들여지고 챔버(6) 내부로 들어간다. 상기 액체는 그 다음에 라발 노즐(9)을 통해 흐른다. 외부 공급 도관(40)은 제2 유체 스트림을 상기 출구(44)의 상류에서 상기 라발 노즐(9)의 외부에 공급한다. 상기 액체(1)와 제2 유체 스트림은 상기 출구(44)에서 혼합되어 상기 제동 노즐(11)로 들어간다. 상기 노즐(11)의 출구에서, 다수의 튜브들을 가진 링(48)은 상기 액체 스트림을 받아들이고 상기 액체 스트림이 상기 배출 부분(13)을 통해 빠져나가도록 허용한다.

도 11은 저품질 에너지 이용장치(utilizer)로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)를 거쳐 라발 노즐(9)의 입구(54)로 받아들여진다. 제2 유체 스트림이 상기 액체(1)와 동축으로 상기 입구(54)에 주입된다. 이 실시예에서, 상기 입구(54)는 상기 디퓨저(2)의 출구와 실질적으로 동일한 장소에 배치된다. 결합된 유체 스트림은 상기 라발 노즐(9)을 통해 제동 노즐(11) 내부로 흐른다. 상기 노즐(11)의 입구는 상기 출구(44)와 실질적으로 동일한 장소에 배치된다. 상기 액체 스트림은 배출 부분(13)을 경유하여 상기 KEH(20)에서 빠져나온다.

도 12는 결합된 에너지 수확기와 추력기로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)를 통과하며 리브들(3)에 의해 다수의 튜브들(5)을 가진 링(4) 내부로 유도된다. 상기 액체는 상기 튜브들(5)을 통과하여 챔버(6) 내부로 들어간다. 챔버(6)로부터, 액체는 제1 라발 노즐(9) 내부로 흐른다. 제2 액체 스트림이 도관(40)에 의해 상기 제1 라발 노즐(9)의 외부에 주입된다. 상기 제1 라발 노즐(9)로부터의 액체(1)와 제2 액체 스트림은 상기 출구(44)에서 혼합된다. 상기 출구(44)로부터 미리 결정된 거리에, 제2 라발 노즐(10)이 홈합된 액체 스트림을 받아들인다. 상기 제2 라발 노즐(10)의 출구(56)는 제동 노즐(11)의 입구와 실질적으로 동일한 장소에 배치된다. 동심 도관(8)이 유체 스트림의 일부의 재순환을 초래하기 위해 노즐(11)의 출구에 배치된다. 혼합된 유체 스트림의 나머지는 배출 부분(13)을 거쳐 빠져나간다.

도 13은 폐열 사용 스크러버(waste heat utilization scrubber)로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)를 통해 받아들여지며 제2 액체는 동심으로 배치된 도관(57)으로부터 받아들여진다. 두 개의 액체 스트림은 다수의 튜브들(5)을 가진 링(4) 내부로 유도되며 챔버(6) 내부로 들어간다. 상기 두 개의 액체 스트림은 도관(40)으로부터의 제1 폐열 액체 스트림과 챔버(6) 내에서 혼합된다. 결합된 혼합물은 제1 세트의 날개들(vanes)(58)을 통해 제2 챔버(59) 내로 유도되며, 여기서 액체 스트림은 도관(46)으로부터의 제2 폐열 액체 스트림과 결합된다. 이러한 유체들의 결합은 제2 세트의 날개들(60)을 통해 배출 부분(13)으로 유도된다.

도 14는 예를 들어 살균과 균질화를 위한 기체/액체 혼합 장치로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)에 의해 받아들여지며 챔버(6)로 들어간다. 상기 챔버(6)로부터, 액체는 라발 노즐(9) 내부로 흐른다. 제2 액체 스트림이 상기 라발 노즐(9)의 외부에 주입된다. 상기 라발 노즐(9)로부터 흐르는 액체는 출구(44)에서 제2 액체 스트림과 혼합된다. 결합된 액체들은 그 다음에 제동 노즐(11) 내부로 흐른다. 상기 노즐(11)의 입구는 상기 출구(44)와 실질적으로 동일한 장소에 배치된다. 상기 노즐(11)을 통과한 후에, 결합된 액체는 배출 부분(13)을 거쳐 빠져나간다.

도 15는 공동화 열 발생 팽창기(cavitational heat generation expander)로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 제1 직경을 가진 제1 도관(72)을 거쳐 들어간다. 액체의 유동은 원뿔형 입구 부분(74) 내에 배치된 공동화 장치(76)에 충격을 가한다. 그 다음에 액체는 제2 직경과 미리 결정된 길이를 가진 제2 도관(78) 내부로 흐른다. 상기 제2 도관(78)의 직경은 제1 도관(72)의 직경보다 더 작다. 상기 제2 도관(78)을 통과한 후에, 상기 액체는 디퓨저(2)를 거쳐 챔버(6)로 들어간다. 상기 챔버(6)는 미리 결정된 길이를 가지며, 배출 부분(13)에서 끝난다.

도 16은 열 에너지 수확기와 증폭기로서 수행하는 KEH(20)를 도시한다. 이 실시예에서, 액체(1)는 디퓨저(2)를 통과하며 리브들(3)에 의해 다수의 튜브들(5)을 가진 링(4) 내부로 유도된다. 상기 액체는 상기 튜브들(5)을 통과하여 챔버(6) 내부로 들어가며, 여기서 동심 도관(8)으로부터의 재순환된 액체와 혼합된다. 챔버(6)로부터, 혼합된 유체는 제1 라발 노즐(9) 내부로 흐른다. 혼합된 액체는 제1 라발 노즐(9)을 빠져나와서 제2 라발 노즐(10)로 들어가기 전에 제1의 미리 결정된 거리를 흐른다. 혼합된 액체는 그 다음에 제동 노즐(11)로 들어가기 전에 제2의 미리 결정된 거리를 흐른다. 상기 동심 도관(8)의 입구는 유체 스트림의 일부의 재순환을 초래하기 위해 노즐(11)의 출구에 배치된다. 상기 노즐(11)의 출구에서, 다수의 튜브들을 가진 링(48)은 액체 스트림을 받아들이며 상기 액체 스트림이 배출 부분(13)을 거쳐 빠져나가도록 허용한다. 이 실시예에서, 상기 배출 부분(13)은 유동을 유도하는 리브들(62)을 포함한다.

이제, 도 17을 참조하면, 여기서 설명된 하나 이상의 KEH(20) 실시예들을 사용하는 시스템(100)의 예시적인 실시예가 도시된다. 상기 시스템(100)은, 예컨대 제조 또는 상업용 오피스 빌딩과 같은 어플리케이션에 열 에너지와 전기 에너지를 제공하는 결합된 열 및 전력 시스템이다. 상기 시스템(100)은, 물 에멀젼(water emulsion) 준비 부분(102), 전기 에너지 및 열 발생 부분(104), 기체 여과 부분(106) 및 응축 부분(108)을 포함한다.

상기 물 에멀젼 부분(102)에서, 연료 탱크(100)로부터의 연료는 천음속 에멀젼화 장치(transonic emulsification device)(112)에서 증기와 혼합된다. 에멀젼화된 연료는 펌프(116)에 의해 보일러(114)로 이송된다. 상기 연료는 증기를 생성하기 위해 연소된다. 증기는 펌프(118)에 의해 열 사용 및 기체 세정 천음속 장치(120)로 이송된다. 상기 장치(120)는 그 출력(output)(122)에서 고압 고온의 증기 혼합물을 생성하기 위해 상기 보일러(114)로부터의 고온의 연통 가스(flue gas)를 결합한다. 이 출력(122)의 특성들은 수증기(hydro-steam) 천음속 터빈 엔진(124)에 사용하기에 적합하다. 상기 엔진(124)은 전력을 생산하기 위해 전기 발전기(126)를 회전시킨다. 상기 엔진(124)의 출구에서 증기 혼합물의 조건들은 마하 1보다 더 클 수 있다 있다는 것을 인식하여야 한다.

상기 엔진(124)의 출력(128)은 증기 혼합물을 천음속 응축기(128)의 내부로 이송한다. 상기 응축기(128) 내부에서, 상기 엔진(124)으로부터의 2상 증기가 가속되고, 그 이후에 증기와 응축액이 혼합되어 응축액과 증기의 2상 혼합물의 형성되고, 2상 혼합물의 유동은 초음속 유동 상태로 전환된다. 2상 초음속 유동에서 압력의 변화가 실현되며, 증기 기포들의 붕괴와 강력한 증기의 응축에 의한 압력의 변화 중에 2상 유동은 단일 상 액체의 아음속(subsonic) 유동으로 전환된다. 동시에, 상기 응축액은, 압력의 변화 중에 상기 응축액 내의 증기의 강력한 응축과 증기 기포들의 붕괴에 의해 가열되어 단일 상의 고온 액체를 형성한다. 일 실시예에서, 상기 응축기(128) 내부에서 감속 단계의 추가에 의해 액체는 추가적으로 가열된다.

단일 상(single-phase)의 고온 아음속 액체는 기체/물 수용력(gas/water capacity)을 가진 열교환기(130) 내부로 흐른다. 상기 열교환기는 단일 상의 액체로부터 열 에너지를 물과 같은 열전달 매체(heat transfer medium)로 전달한다. 이 열전달 매체는 그 다음에 예를 들어 실내 난방, 가정용 온수 또는 프로세스 가열을 위해 사용될 수 있다. 상기 열교환기로부터, 냉각된 단일 상의 액체는 액체로부터 동반된 공기와 기체를 분리하는 공기 분리기(deaerator)(132), 예컨대 사이클론형 공기 분리기로 이송된다. 분리된 기체들은 여과되고 대기로 배출된다.

액체는 상기 공기 분리기(132)로부터 제거되고 펌프(134)를 거쳐 응축 부분(108)으로 이송된다. 응축 부분(108)에서, 상기 액체는 천음속 화학 반응 장치(transonic chemical reactor device)(136)를 통해 와류 반응기(vortex reactor)(138) 내부로 흐른다. 응축된 액체는 재사용을 위해 상기 보일러(114)로 회송되기 전에 매니폴드 여과 장치(140)를 사용하여 여과될 수 있다.

도 18-20을 참조하면, 예컨대 주택(206)을 난방하기 위한 히트 펌프(204)를 가진 KEH(202)를 사용하는 시스템(200)의 예시적인 실시예가 도시된다. 예시적인 실시예에서, 상기 시스템(200)은 지열 폐루프(closed-loop) 지표수 시스템(208)에 결합된다. 여기서 실시예가 지열 시스템을 언급한다 하더라도, 청구된 발명은 그렇게 한정되지 않는다는 것을 인식하여야 한다. 상기 시스템은 상기 히트 펌프(204)로부터 열전달 매체 또는 냉각제(coolant)를 받아들이는 지열 부분(208)을 포함한다. 냉각제는 상기 지열 부분(208)에서 빠져나오며 펌프(210)를 거쳐 KEH(202) 내부로 이송된다.

위에서 설명된 바와 같이, 상기 KEH(202)에서 냉각제의 온도와 압력은 상승한다. 상기 KEH(202)에서 빠져나온 냉각제는 도관(212) 내부로 들어간다. 상기 도관(212)에 팽창 탱크(214)가 결합된다. 냉각제는 상기 히트 펌프(204)로 들어간다. 냉방 작동 모드일 때(도 19), 상기 히트 펌프(204)는 열을 열교환기(216)를 통해 냉각제로 전달한다. 냉각제는 그 다음에 지열 부분(208)으로 이송되며, 여기서 열 에너지는 지면으로 전달된다. 난방 작동 모드일 때(도 20), 냉각제는 열을 열교환기(216)를 통해 히트 펌프(204)로 전달한다. 냉각된 냉각제는 그 다음에 지열 부분(208)으로 이송되고, 여기서 냉각제는 지면에 의해 가열된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 하나 이상의 발열 장치(heat generation device)에 결합되는 KEH가 제공된다. 다수의 입구(inputs)를 가지는 제1 장치가 제공되며, 다수의 입구는 상기 발열 장치에 유동적으로 결합되는 제1 입구와 제2 입구를 포함한다. 제1 가변 속도 펌프는 발열 장치로부터 제1 장치로 유체를 공급하기 위해 유동적으로 결합된다. 공기 분리기는 상기 제1 장치로부터 유체를 받아들이기 위해 유동적으로 결합된다. 일 실시예에서, 장치는 상기 제1 장치에 유동적으로 결합된 제2 펌프를 포함한다. 제2 장치가 상기 제2 펌프의 입구에 유동적으로 결합된다. 제3 장치가 상기 제2 펌프의 출구에 유동적으로 결합된다. 상기 KEH는 펌프 임펠러 내부로 들어가는 유체의 유동을 개선하며, 그럼으로써 전기 소모가 감소하고 유체의 부피가 증가한다.

본 발명이 다른 실시예에 따르면, 제1 입구와 유동적으로(fluidly) 결합된 디퓨저(diffuser)를 포함하는 KEH가 제공된다. 상기 디퓨저는 지향시키는 리브들(directing ribs)을 가지며, 펌프는 액체를 디퓨저 내부로 흐르도록 하고, 상기 디퓨저는 링에 연결되고, 상기 링은 내면에 나선형 리브들을 가진 다수의 튜브들을 가진다. 상기 리브들은 액체의 난류화를 제공하는 원심 작용을 초래하는 선회류(swirl flow)를 발생시키며, 상기 제1 장치는 상기 링들에 인접한 열린 챔버를 포함한다. 상기 제1 장치의 배출 부분으로부터 동심의 외부 파이프 내에 추가적인 액체 재순환 스트림들을 주입하기 위해 다수의 입구들이 배치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 열린 챔버 이후에 상기 라발 노즐(Laval nozzle)의 입구에 위치한 동축 노즐 내부로 혼합된 유동을 더 배출하는 KEH가 제공된다. 단일 상 액체는 상기 라발 노즐 내에서 압축된다. 상기 라발 노즐 이후에 단일 상 액체 유동의 압력은 상기 액체 내부에 다수의 증기 기포들을 형성하기 위해 액체 온도에 대응되는 포화 증기압보다 크지 않은 값으로 감소된다. 상기 장치는 상기 라발 노즐에 인접하여 제동 노즐(braking nozzle)을 포함한다. 상기 제동 노즐은 2상 유동에 제동 효과를 생성하도록 구성되며, 2상 유동의 증기 성분을 붕괴시키고 2상 유동을 단일 상 유동으로 변환하는 압력 서지의 발생을 초래하는 역압(counter pressure)을 생성하며, 압력 서지 중에, 미소한 증기 기포들의 붕괴를 촉진하는 진동의 범위가 발생되며, 이는 유동의 온도와 액체의 추력을 증가시킨다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 제동 노즐로부터 하류에서 액체의 일부가 분리되며 상기 챔버의 입구로 되돌아가게 재순환하는 KEH가 제공된다. 메인 배출 액체 스트림은 미리 결정된 거리를 이동하며 그 이후에 링/스크린 부분으로 들어가고, 그럼으로써 액체의 온도가 더 증가하며, 메인 배출 액체 스트림은 약간의 미리 결정된 거리를 이동하고 그 이후에 원뿔형 배출 부분으로 들어간다. 일 실시예에서, 상기 라발 노즐은 액체 유동 측정 장치의 외측에 연결된 압력 센서를 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, KEH가 제공되며, 여기서 노즐의 출구와 상기 배출 부분 사이의 거리는 미리 결정된 치수이다. 라발 노즐의 입구는 뚫린 구멍을 갖춘다. 상기 배출 부분으로부터 배출된 유동의 일부는 펌핑 장치로 들어가는 유동을 제공하는 하이드로 터빈 펌프 내부로 펌핑된다. 일 실시예에서, 상기 제1 장치는, 메인 액체 스트림과 혼합되어 균질한 혼합물과 에멀젼을 생성하기 위한 추가적인 액체와 기체의 공급을 위한 추가적인 노즐을 더 포함한다. 또 다른 실시예에서, 플래시 분리기(flash separator)가 배출 유동에 유동적으로 결합되며, 상기 제1 장치는 360도의 링 토러스(torus)의 형태로 구성된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, KEH의 작동 방법이 제공된다. 상기 방법은 적어도 하나의 액체 열매체(heat carrier)를 압력하에서 노즐 내부로 공급하는 단계와, 차가운 액체 열매체를 공급하는 단계와, 액체 열매체와 차가운 액체 열매체를 혼합하는 단계를 포함한다. 여기서 두 개의 변환 중 하나는 액체 열매체 혼합물의 액체 유동으로 수행된다. 제1 변환은 열매체 혼합물의 가속을 포함하며, 가속된 속도에서 열매체 혼합물 또는 혼합물의 열매체들 중 적어도 하나는 비등하여 후자의 1보다 큰 마하 수를 가진 상태로의 이동으로 2상 유동을 형성하고, 그 다음에 2상 유동의 후자에서 이동과 함께 압력이 변하여 열매체 혼합물의 아음속 액체 유동으로 되고, 압력의 변화가 수행되는 중에 열매체 혼합물의 액체 유동이 가열된다. 제2 변환은 열매체 혼합물의 액체 유동의 가속을 포함하며, 가속된 속도에서 열매체 혼합물 또는 혼합물의 열매체들 중 적어도 하나는 비등하여 후자의 1보다 큰 마하 수를 가진 상태로의 이동으로 2상 유동을 형성하고, 그 다음에 2상 유동은 감속되며, 그럼으로써 상기 유동은 증기 기포들을 가진 열매체 혼합물의 액체 유동으로 변환되고, 추가적으로 이러한 유동 변환에 의해, 열매체 혼합물의 액체 유동은 가열되며; 그 이후에 열매체 혼합물의 액체 유동의 상기한 두 개의 변환들을 임의의 순서로 수행하고, 열매체 혼합물의 가열된 액체 유동은 얻어진 압력하에서 소비자의 제트 장치에 공급된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, KEH는 에멀젼화, 균질화, 가열, 펌핑 및 파라핀의 결정점(paraffin's crystallization point)과 다양한 탄화수소의 결정점 아래의 온도에서 공간 부피 구조의 형성을 방지하는 유동학적 특성의 향상을 위해 사용될 수 있다. 또한, 이러한 어플리케이션은 이상 점성(anomalous viscosity)을 초래하는 아스팔트/파라핀의 분자간 결합을 파괴하는 것을 허용한다. 상기 KEH는 또한 고분자 화합물, 주로 초분자 응집체의 중심인 아스팔텐(asphaltene)의 농도를 감소시킨다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 KEH는 기체/탄화수소 강화된 오일 회수(EOR), 기체/오일 생산의 증가, 액체 및 가스 분리 및 생산의 증가, 동시 가열, 오일 입자들의 파괴, 오일 층으로 물의 캡슐화, 및 오일 파이프 라인의 파열을 초래하는 물 파켓 풀(water packet pools)의 농축의 방지를 위해 사용될 수 있다. 이 어플리케이션은 또한 슬러지 오일 포켓들이 펌핑되도록 하거나 또는 우물로부터 오일/기체의 제거를 추진하는 강한 공동화 충격파와 압력의 발생을 허용할 수 있다. 이 어플리케이션은 또한 파라핀 왁스와 중질 원유 형성의 붕괴를 허용한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 KEH는, 저온에서 녹말 발효의 활성화를 포함하고 적은 첨가제를 요구하는, 더욱 철저하고 에너지 효율적인 즉석 인-라인 요리를 위해, KEH에 의해 발생된 제어된 내부 충격파와 전단 에너지에 의해 초래된 미세 분쇄에 의해, 셀룰로스(cellulosic) 및 조류(algae) 기반 바이오 연료 생산 및 다른 유기 기반 생산물의 생산을 위해 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 상기 KEH는 원자로 온도가 안전한 수준으로 떨어질 때까지 냉각제의 재순환을 유지하기 위해 원자로 공동에서 과도한 열을 사용하는 어플리케이션에 사용될 수 있으며, 원자로의 로드의 용락을 방지하는데 사용될 수 있다. 상기 KEH는 델타 T(온도차)와 델타 P(압력차)가 있는 한 작동할 것이다. 상기 KEH는 가동 부분을 가지지 않으며 전력을 요구하지 않는다. 상기 KEH는 냉각제를 재순환시키기 위해 어떠한 물 공급원도 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 증기 지역 난방 시스템의 작동 방법이 제공되며, 여기서 증기는 증기/물 열교환기 내부로 도입되고, 온수는 사용자의 순환수 시스템 전체로 펌핑된다. KEH는 종래의 열교환기와 전기 구동 펌프를 대체하며, 배출에 앞서 응축액을 냉각시키기 위한 에너지와 요구사항들을 저감한다. KEH는 가정용 온수 공급을 위한 종래의 증기/물 열교환기를 더욱 효율적이고 자동적인 물/물 온수 공급 루프로 교체하기 위해 사용된다. KEH는 증기 난방 건물로부터 배출된 응축액을 회수하고 증기의 적은 양을 응축액을 건물 난방 시스템 전체를 재순환하는 유용한 증기로 업그레이드하는데 사용한다. KEH는 배출된 응축액 또는 차가운 물로 냉각되고 폐기물로 배치될 사용된 증기 슬레이트를 회수하고, 온수 시스템을 위해 건물로 재순환시키거나 또는 다양한 용도를 위해 중수도(grey water)로서 사용한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, KEH를 사용하여 온수 통, 수영장 또는 임의의 대형 물 용기를 가열하는 작동 방법이 제공되며, 여기서 물 내의 미생물 또는 박테리아 요소들을 파괴하면서 물이 가열되고, 따라서 염소와 같은 많은 양의 항박테리아 첨가제의 요구를 없앤다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 소모품인 우유, 유제품 및 다른 액체 또는 반액체의 동시 저온 살균 및 균질화의 방법이 하나의 통과 작동에서 KEH를 사용함에 의해 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 보다 완전한 혼합, 에너지 효율적인 즉석 인 라인 요리, 저온에서 녹말 발효의 활성화, 저 적은 첨가제의 사용 및 세척의 후처리 시스템을 위한 항박테리아 작용을 위해, 제어된 내부 충격파에 의해 초래되는 미세-분쇄와 KEH에 의해 발생된 전단 에너지를 통해 맥아즙 공정에서 맥주 생산의 강화, 시스템 유지 및 에너지 저감 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, KEH의 고압 분무, 살균 혼합, 무화 및 정확한 투약 제어 능력을 사용하는 산업적 세척, 세탁, 오염 제거, 소화 및 전처리 준비를 강화하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 강화된 연소 및 감소된 배출물을 위해, 혼합, 유입 압력 및 공기, 연료, 물 또는 첨가제의 비율을 향상시키기 위해 KEH를 사용함으로써 디젤 및 터빈을 포함하는 엔진의 연료 효율을 증가시키는 방법이 제공된다.

이제, 도 21을 참조하면, 본 발명의 실시예의 작동이 단일-회선 유동도 형태로 도시된다. 응축액, 고온 폐수, 폐증기, 및/또는 기체들(420)(40℉에서 540℉까지의 온도)이 선택적인 초기 KEH(422)(위에서 설명된 KEH(20)와 유사함)를 통과하며, 이는 물 또는 기체의 압력 및 온도를 상승시키는 작용을 하며, 배출 단부(discharge end)에서 단일 상의 유동 매체를 초래한다. 일 실시예에서, 상기 KEH(422)는, 공유된 미국 특허 공보 2012/0248213 또는 공유된 미국 특허 공보 2012/0186672 내에서 설명된 FD 장치와 동일할 수 있으며, 이들은 그 전체가 여기에 참조로 통합된다.

KEH(422) 후에, 단일 상 또는 다상의 유동 매체는 내부 또는 외부 채널들(424)을 통해 샤프트의 중심으로 도입되고, 하나 또는 다수의 터빈 휠들(426)의 휠의 측면을 통과하며, 상기 휠들은 여기서 보다 일반적으로 로터들(rotors)로 언급된다. 본 발명의 실시예에 따른 2상 유동 입력을 가진 예시적인 터빈 휠들(426)이 아래에서 도 23-33을 참조하면서 더욱 상세하게 설명된다. 상기 휠(426)의 각 부분은 하나 또는 다수의 KEH(428)를 갖춘다. 선택적인 KEH(422)를 사용하는 일 실시예에서, KEH(422)로부터 배출된 단상의 유체 유동은 상기 휠(426) 내부로 공급되는 하나 또는 두 개의 열매체를 제공하며, 제2 열매체도 도 23-33에 관해 아래에서 상세하게 설명되는 방식으로 휠 내부로 공급된다. 상기 KEH(428)의 마지막 부분에서, 2상 초음속 유동은, 위에서 상세하게 설명되고 아래에서 더 설명되는 방식으로, 더 높은 압력의 반동력(reaction force)으로 전환되며, 이는 상기 휠이 회전되고 가속되도록 한다. 그 결과로서, 고압 매체는 노즐들로부터 600 내지 1000 ft/sec의 속도로 직접 접촉 응축기(430) 내부로 토출되면서, 반동 추력(ractive thrust)을 생성하고, 샤프트와 여기에 결합된 전기 발전기(440)를 회전시킨다. 생산된 전력은 즉시 사용되거나, 또는 배터리(442)와 같은 전기 저장 장치 내에 저장될 수 있다.

응축기(430) 내부의 매체는 그 다음에 예를 들어, 지역 난방 및 냉방 시스템(432) 또는 가정용 온수(434)를 위해 추가 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 미국 특허 공보 2012/0248213 또는 공유된 미국 특허 공보 2012/0186672에 개시된 전술한 장치와 같은 KEH(436)는 상기 응축기(430)로부터 매체를 받아들이고 차가운 보충수(make-up water)(438)를 받아들여 가정용 온수를 생산할 수 있다.

어떠한 열원에서도 작동하는 상기 휠(426)과 회전하는 KEH(428)의 합체, 임의의 압력 또는 온도의 낮은 수준의 액체 또는 기체, 및 높은 열효율을 가진 전기의 생산은, 유리하게는 재생가능하고 진보된 깨끗한 그린 파워(green power)를 제공한다. 이 시스템은 건물, 산업, 태양 및 다른 폐 에너지 재생을 위해 사용될 수 있다. 상기 KEH는, 증기, 물 또는 다른 기체들과 액체들을 혼합하고 가속시키는 내부 기하학적 구조를 가진 초음속의, 응축 히트 펌프이며, 노즐의 입구에서 작동 매체의 압력보다 더 높아지는 출구 압력으로 유체의 열 에너지의 미소한 부분을 물리적 추력(펌프 헤드)을 변환시킨다.

본 발명의 실시예들은, 제안된 사이클과 종래의 증기 터빈을 사용하는 기존의 사이클을 비교하여 보여주는 도 22에 도시된 바와 같이, 실질적으로 발전 효율을 상승시킴으로써, 기존 시스템들의 한계를 극복한다.

도 22에 "a-b-c-d"로 표시된 것은 과열이 없는 이상적인 랭킨 사이클(Rankine cycle)이다. 점 "b"의 위치는 증기의 최대 허용 가능한 건조도(degree of dryness)에 의해 결정된다.

본 발명의 실시예는 기존의 증기 터빈의 한계를 극복한다. 현대의 블레이드를 가진 증기 터빈을 위해, 요구되는 증기 건조도는 88 내지 92%여야 한다는 것은 잘 알려져 있다. 높은 습도에서, 비가역적인 손실이 빠르게 증가하고, 비평형 유동과 연관된 블레이드 상의 동하중(dynamic load)도 증가한다. 그 결과로서, 상기 터빈은 낮은 내부 효율로 작동한다. 따라서, 증기 터빈 내에서 포화된 증기의 팽창은 곡선 X와 BC에 의해 제한된다. 예시적인 실시예에서, 팽창 과정은 하부 경계 곡선(도 22에서 d'-b'에 대응됨)으로부터 시작한다. 터빈이 작동하는 열역학 사이클은 d'-b'-c-d-d'의 윤곽에 대응된다. 터빈의 앞쪽에서 작동 유체가 포화 온도로 가열되지 않는다면, 작동 과정은 e-k-m 선에 대응될 것이며, 먼저 상기 장치는 순수한 유압 장치(hydraulic device)로서 작동할 것이고, 점 'k'의 상태에 도달한 후에는, 수증기 장치로서 작동할 것이다. 열용량의 변화가 무시되면, 제안되는 이상적인 사이클은 T-S 선도에서 직각 삼각형 c-k-m-c의 형태로 표현된다. 열역학 분석은 이러한 사이클의 전기 발생 효율이 60 내지 70%에 도달할 수 있다는 것을 나타낸다.

본 발명의 일 실시예는, 화석 연료의 사용과 관련된 오염 없이 폐수 또는 기체를 사용하는 전력 발생을 허용한다. 현재 다양한 산업으로부터 환경으로 배출되고 있는 막대한 양의 폐수와 기체는 전력과 열 공급의 환경적으로 깨끗하고 재생 가능한 발생 소스가 될 것이다.

또한, 본 발명의 실시예들은, 작동 스트림을 다양한 폐 증기 스트림과 결합하는 과열저감 장치로서 사용될 수 있으며, 기존의 과열저감 장치를 넘어서는 실질적인 에너지 이점을 초래한다.

또한, 본 발명의 실시예들은, 전기를 생산하면서, 발전소 및 다양한 산업을 위한 물의 냉각, 물의 예열을 위해 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은, 원자력 발전소에서 비상 전력 공급 또는 냉각을 위한 신뢰성 있는 발전 장치로서 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예들은, 샤프트에 부착되어 그 동력을 이용하며, 발전 산업에서 사용되는 대부분의 유체를 나타내는 2상 액체를 펌핑할 수 있고 응축기에서의 에너지 손실을 최소화할 수 있는 능력을 가진 펌프로서 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 낮은 온도 또는 높은 온도의 매체는, 폐수(냉각탑, 응축기, 산업으로부터의 배기 및 폐 스트림으로부터 열의 회수), 증기, 기체, 다양한 유체들, 화학물질, 입자들 또는 그들의 조합으로부터 받아들일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

본 발명의 실시예들은, 발전기, 펌프, 압축기, 히트 펌프의 구동, 열 에너지의 생산, 환경으로의 열 배출의 감소를 위한 열역학적 손실을 최소화하면서 친환경의 기계적 에너지를 획득하는데 사용될 수 있다.

실시예들은 또한, 물 가열의 부산물로서 전기를 생산하는 증기 및 수력 터빈, 가스 터빈 및 왕복 엔진과 같은 원동력장치와 함께 사용될 수 있다.

또 다른 실시예들에서, 엔진과 열교환기는 전기, 난방, 냉방, 펌핑, 계량, 혼합, 연소, 세정, 깊은 퇴적암의 수력 파괴, 에멀젼, 태양열 시스템, 환경 보호, 펌핑 및 냉각을 위한 화학 및 핵 반응로 어플리케이션을 위해 사용될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 KEH 내의 반응을 통과할 때 상기 작동 유체의 내부 분자 결합은 파괴된다. 일 실시예에서, 상기 KEH를 통한 작동 유체의 통과는 매체 배출 압력과 온도를 증가시킨다. 그 이후에, 상기 매체는 내부 채널을 통해 상기 휠의 중심으로 도입되며, 또는 측방향 밀봉 노즐 연결부를 통해 상기 휠의 드럼으로 도입된다. 상기 휠의 각각의 가지(branch)는 KEH를 갖춘다. 상기 휠은 회전하기 시작하고 상기 휠 드럼으로 들어가는 유체의 원심력을 증가시키며 상기 드럼으로 더 높은 압력과 상기 KEH로 더 높은 속도를 생성한다. 상기 휠 가지들 내에서 상기 작동 매체의 압력은 상승하며, 유동은 가속되어, 상기 KEH의 팽창부 내의 낮은 압력의 영역 내부로 들어가서 강렬하게 비등한다. 결과적으로 초음속 단일 상 제트가 높은 압력과 속도로 KEH로부터 빠져나와 600 내지 1000 ft/sec의 속도로 직접 접촉 응축기 내부로 가속되며, 상기 응축기는 반동 추력(reactive thrust)을 생성하고 하나 이상의 샤프트들을 회전시킨다. 응축된 증기는 진공을 생성하고 인클로저(enclosure)는 대기압보다 낮은 압력하에 있으며, 터빈 내에서의 마찰 손실의 감소를 초래한다. 상기 터빈 풀리는, 터빈 사이클을 완성하기 위해 물을 제거하거나, 또는 열교환기, 보일러, 지역 난방 시스템, 및 다른 사용자들에게 열을 공급하는 펌프로서 작동한다.

일 실시예에서, 기계적 에너지의 획득은, 터빈의 KEH로부터 유출된 유용한 작동 매체의 열 및 운동 에너지의 다수의 폐 스트림의 최대 사용에 기인한 효율의 증가에 의해 최소의 열역학적 손실로 달성된다. 이 실시예는 또한 상기 휠 둘레에 외부 케이싱을 포함할 수 있으며, 오목하거나 또는 다른 형상의 블레이드들을 갖추며, 케이싱 개구를 통해 들어오는 유동에 의해 회전되고, 추가적인 기계적 에너지를 제공한다. 상기 휠들에 가해지는 반동력(reactive forces) 때문에, 그들은 반대 방향으로 회전하게 된다. 에너지는, 상기 외부 휠이 상기 내부 횔보다 낮은 속도로 회전하도록 하기 위해, 두 개의 터빈 휠들에 가해지는 전기적 부하 계수(electrical load coefficient)에 의해 제어될 수 있다. 최대 효율을 알기 위해, 상기 주된 내부 휠 샤프트는 발전기 로터에 연결되고, 상기 제2 외부 휠은 상기 발전기 스테이터(stator)에 연결된다.

본 발명의 실시예들은 추가적으로, 상기 KEH로부터 작동 유체의 배출 중에 에너지 손실의 최소화 및 상기 터빈의 구조의 단순화에 기인하여 효율을 상승시킴으로써 터빈에서 얻어지는 기계적 에너지의 증가의 문제를 해결한다. 설명된 시스템은 수직 또는 수평 터빈 장치를 사용할 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 난방, 가정용 온수, 냉방 및 전력의 효율적인 생성을 위한 태양열 시스템, 히트 펌프 또는 보충 보일러와 통합될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 입자들과 연기로부터 다양한 액체들과 기체들을 세척하기 위한 스크러버(scrubber)로서 더 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 예열기, 발전소 내의 과열기, 보일러실, 응축기, 공급수 히터, 압력 조절 밸브(PRV), 및 유량계로서 더 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 다양한 성분들과 에멀젼들의 분리를 위한 다양한 화학 공정에 더 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 지열 유체(geothermal fluids)로부터 전기 및 열 에너지의 생성을 위한 원심분리기들의 조합 내에 더 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 배기 제어 장치의 작동을 위해 더 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예들은, 저압 증기 스트림의 압력을 증가시키기 위한 증기 압축기; 원자로를 냉각시키기 위한 2상 펌프; 혼합 반응기; 열 에너지의 발생을 위한 2상 혼합물 내에 기포들을 생성하기 위한 장치; 태양열로 활성화되는 펌프; 냉방 공급을 위한 팽창기; 발전소 작동을 위한 응축기; 발전소 작동을 위한 압축기; 석탄 슬러리를 위한 반응로; 에멀젼 혼합기; 오염물을 적게 배출하는 연소 노즐; 공기 분리기; 물 회수 장치; 석탄 기화 장치;로서 작동될 수 있으며, 다양한 화학 공정에서 작동될 수 있다.

이제, 도 23-32를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 직접 구동 열-운동(thermo-kinetic) 터빈 발전기의 예시적인 실시예들이 도시된다. 대체 가능한 실시예들을 보여주며, 여기서 동일한 요소들은 동일한 참조번호가 부여된다.

일반적으로, 터빈 발전기는 제1 방향으로, 예를 들어 시계방향으로 회전하도록 구성된 내부 휠(inner wheel)과, 상기 제1 방향과 반대인 제2 방향으로, 예를 들어 반시계방향으로 회전하도록 구성된 외부 휠(outer wheel)을 가진다. 상기 내부 횔은 스포크와 유사한(spoke-like) 유체 유동 채널들을 가지며, 그 외측 단부들은 위에서 설명된 KEH(20)의 실시예들과 유사한 하나 이상의 KEH를 갖춘다. 물과 증기는, 상기 내부 횔의 회전축에 인접한 유동 포트들(flow ports)을 거쳐 상기 스포크와 유사한 유체 유동 채널들로 들어가며, 상기 KEH에서 단일 상의 유동을 형성하기 위해 위에서 설명된 방법으로 결합하고, 상승된 추력을 가지고 각각의 KEH를 빠져나오며, 빠져나오는 단일 상의 스트림의 상승된 추력에 반응하여 상기 내부 휠이 회전하게 된다. 상기 외부 휠은, 하나 이상의 KEH의 출구 영역에 인접하여 상기 외부 휠의 내면 둘레에 분포된 다수의 블레이드들, 또는 베인들을 가진다. 하나 이상의 KEH를 빠져나오며 다수의 블레이드들 상에 충격을 가하는 단일 상 스트림의 상승된 추력에 반응하여, 상기 외부 휠은 상기 내부 휠의 회전과 반대 방향으로 회전하게 된다. 상기 내부 휠과 외부 휠은 각각의 샤프트에 연결되며, 샤프트들은 발전기, 압축기, 펌프, 또는 기계적 및/또는 전기적 에너지를 생산할 수 있는 다른 장치에 연결될 수 있다.

도 23의 실시예에서, 물(301)과 증기(302)는 양측으로부터 측방향 밀봉 베어링들(324)을 거쳐서 터빈 드럼 챔버(325)로 들어간다. 이후에, 증기와 물은 분리된 스포크와 유사한 유체 유동 채널들(318)을 경유하여 2상 KEH(316)(위에서 설명된 KEH(20)의 실시예들과 유사함) 내부로 들어간다. 상기 KEH들은 단일 상 유체를 배출하여 상기 외부 휠(322)의 둘러싸는 블레이드들에 충격을 가한다. 반동력(reaction force)은 메인 터빈(즉, 내부 횔)의 반대 방향으로 상기 외부 휠(322)의 회전을 초래한다.

가열된 배출수는 탱크(309)의 바닥에 모이며, 파이프(310)를 거쳐 고객의 난방 시스템으로 공급된다. 일 실시예에서, 상기 샤프트(313)는 발전기, 압축기, 펌프 또는 기계적 및/또는 전기 에너지를 생산할 수 있는 다른 장치에 연결된다. 상기 터빈은 하우징(317) 내에 배치된다. 상기 드럼(325)은 상기 측방향 밀봉 베어링(324)에 의해 유체 공급과 서로 연결된다.

도 24의 실시예에서, 물과 증기는 드럼 밀봉 베어링(303)을 거쳐 하우징(304) 내부로 내부 휠로 들어간다. 상기 하우징(304)은 안정화 레그들(legs)과 리브들(ribs)(305)을 갖춘다. 외부 휠(307)은 연결 플랜지(315)에 의해 스테이터(stator)(311)에 결합된다. 일 실시예에서, 상기 외부 휠(307)은 수정된 펠턴(Pelton) 블레이드들(308)을 갖춘다. 가열된 배출 액체는 탱크(309) 내에 모이며 파이프(310)를 거쳐 난방 시스템으로 공급된다. 상기 발전기(312)는 로터(314), 스테이터(311), 및 샤프트(313)로 구성된다. 상기 터빈 내부 휠(318)은 2상 KEH들(316)(위에서 설명된 KEH(20)의 실시예들과 유사함)을 갖춘다. 상기 터빈은 내부 휠과 외부 휠로 구성되며, 하우징(317) 내에 배치된다.

도 25의 실시예는 도 24의 실시예와 유사하며, 상기 외부 휠(307)은 고정적이고, 상기 샤프트(312)는 전기 발전기, 압축기, 펌프 또는 기계적 및/또는 전기 에너지를 발생시킬 수 있는 다른 장치를 구동하도록 구성된다.

도 26의 실시예는 도 24의 실시예와 유사하며, 상기 터빈 휠들의 회전축은 수평이 아니라 수직으로 지향되며, 발전기의 회전축도 수직으로 지향된다.

도 27의 실시예는 도 25의 실시예와 유사하지만, 고정적인 외부 휠(307)은 수정된 펠턴 블레이드들(308)을 가진다.

도 25의 실시예와 유사한 도 28의 실시예에서, 외부 휠(307)은 압축기, 펌프 또는 연결 플랜지(315)에 결합된 다른 기계적 장치를 구동하기 위해 회전하도록 구성되고, 내부 휠(318)은 또 다른 압축기, 펌프 또는 샤프트(313)에 결합된 다른 기계적 장치를 구동하기 위해 회전하도록 구성된다.

도 29의 실시예의 정면도에서, 각각의 출구 유동 스트림들로 외부 휠(322)의 블레이드들에 충격을 가하도록 배치된 다수의 접선 2상 KEH들(321)을 갖춘 내부 휠(323)이 더욱 명확하게 도시된다.

도 30의 실시예의 정면도는 도 25의 실시예와 유사하지만, 수집 탱크(309)의 바닥에 건물을 위해 물을 가열하기 위한 튜브형 열교환기(323)가 설치된다.

도 31의 실시예는 도 25의 실시예와 유사하지만, 외부 휠은 다른 형상을 가진 반사 블레이드들을 갖춘다.

도 32의 실시예는 도 23의 실시예와 유사하지만, 밀봉 베어링에 결합된 터빈으로의 증기의 중심 공급관(302)을 가진다. 물 공급관(301)은 측방향 밀봉 베어링(324)과 직접 구동 샤프트(313)를 가진다.

도 33a, 33b 및 33c의 실시예들은 터빈의 다양한 디자인 구성들을 도시한다.

도 34의 실시예는, 태양열(340), 저장 탱크(341), 화석 연료 보일러(342), 및 증기 시스템을 포함하는, 터빈에 공급되는 다양한 열 에너지 공급원들을 도시하며, 그리고 최종 사용자들: 전기, 난방 및 공기 조절 시스템을 도시한다.

도 35의 실시예는 2상 노즐, 와류형 공기 분리기, 프로세스 제어 펌프 및 플레이트 및 프레임 열교환기를 거쳐 증기를 공급받는 간접 온수 시스템을 도시한다.

위에서 설명된 천음속 2상 반동 터빈의 실시예는, 터빈의 운동 에너지 수확기로부터 유출된 유용한 작동 매체의 열 및 운동 에너지의 다수의 폐 스트림의 최대 사용에 기인하여 효율을 높임으로써 최소의 열역학적 손실로 기계적 에너지를 얻도록 작동될 수 있다.

위에서 설명된 천음속 2상 반동 터빈의 실시예는, KEH들로부터 작동 매체의 배출 중에 최소의 에너지 손실에 기인하여, 또한, 터빈의 구조의 단순화로 효율을 높임으로써 터빈에서 얻어지는 기계적 에너지의 증가의 문제를 해결하도록 작동될 수 있다.

상기에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 범위는 하나의 특정한 실시예에 한정되지 않으며, 청구항들의 범위 내에 포함되는 모든 실시예들을 포함한다.

본 발명은 단지 제한된 수의 실시예들에 관해 상세하게 기술되었지만, 본 발명은 이러한 개시된 실시예들에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 오히려, 본 발명은 임의의 수의 변형, 변경, 치환 또는 여기에서 설명되지 않았지만 본 발명의 사상 및 범위와 상응하는 동등한 장치를 통합하도록 변형될 수 있다. 추가적으로, 본 발명의 다양한 실시예들이 설명되었지만, 본 발명의 태양들은 설명된 실시예들의 단지 몇몇을 포함할 수도 있다는 것을 이해하여야 한다. 따라서, 본 발명은 상기 설명에 의해 한정되지 않으며, 단지 첨부된 청구항들의 범위에 의해 한정된다.

Claims (13)

1. 천음속 2상 반동 터빈(transonic two-phase reaction turbine)으로서:
   다수의 운동 에너지 수확기들(harvesters)을 포함하는 적어도 하나의 로터(rotor)를 포함하며;
   각각의 운동 에너지 수확기는, 제1 열매체(heat carrier) 또는 열매체들을 압력하에서 제1 노즐 내부로 받아들이도록 그리고 제2 열매체를 제2 노즐 내부로 받아들이도록 배치되고 구성되며, 상기 제2 열매체는 상기 제1 열매체보다 더 차갑고, 상기 제2 노즐은 상기 열매체 또는 열매체들의 유동, 압력 및 온도에 적어도 부분적으로 근거하여 정해진 거리를 두고 상기 제1 노즐의 하류에 배치되며;
   각각의 운동 에너지 수확기는, 상기 제1 노즐과 제2 노즐 사이에서 2상 혼합물(two-phase mixture)을 생산하기 위해 상기 제1 열매체와 제2 열매체를 혼합하도록 구성된 혼합 챔버를 포함하고, 상기 제2 노즐은 증가된 배출 추력(discharge thrust)을 생산하기 위해 상기 제1 노즐로부터 정해진 거리에 배치되며;
   각각의 혼합 챔버는 상기 2상 혼합물의 열매체들의 압력 강하 및 속도로의 감속을 초래하도록 구성되며, 상기 속도에서 상기 2상 혼합물 또는 상기 제1 열매체 또는 제2 열매체 중 적어도 하나, 또는 둘 다는, 비등하여 작은 기포들을 가지고 고압축성 매체이며 1보다 큰 마하 수(Mach number)의 음속 조건을 가진 균질한 2상 매체로 되며;
   각각의 제2 노즐은 수렴하도록 그리고 상기 2상 매체 유동을 압축하도록 구성되며, 상기 작은 기포들을 붕괴시키고 상기 2상 혼합물을 증가된 운동 추력(kinetic thrust)을 가진 비압축성 단일 상 유동 매체(single-phase flow medium)로 변화시키며;
   각각의 운동 에너지 수확기는 상기 제2 노즐의 하류에 배치된 배출 부분(discharge section)을 더 포함하고, 각각의 배출 부분은, 상기 로터를 회전 방식으로 구동하기 위해, 상기 제1 및 제2 열매체들의 유입 압력들보다 더 높은 반동 압력(reactionary pressure)을 발생시키기 위해, 증가된 운동 추력을 가진 상기 단일 상 유동 매체를 배출하도록 배치되고 구성되며;
   결과로서 각각의 운동 에너지 수확기는 열 및 운동 에너지를 생산하는, 천음속 2상 반동 터빈.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 로터는 하나 또는 다수의 내부 휠들(inner wheels)을 포함하며, 각각의 내부 휠은, 수렴하는 배출 부분을 통해 고압의 유체를 배출하도록 구성된 다수의 운동 에너지 수확기들을 갖추는, 천음속 2상 반동 터빈.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 로터는, 상기 제1 열매체와 제2 열매체를 받아들이기 위한 공급 포트들(feed ports)을 포함하는, 천음속 2상 반동 터빈.
4. 제 3항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 로터는, 상기 제1 열매체와 제2 열매체를 받아들이기 위한 공급 포트들을 포함하는 중공형 도관 샤프트들(hollow conduit shafts)을 포함하는, 천음속 2상 반동 터빈.
5. 제 3항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 로터는, 중공형 샤프트와 중실형 샤프트(solid shaft)의 조합을 포함하고, 상기 제1 열매체와 제2 열매체를 받아들이기 위하여 상기 중공형 샤프트와 중실형 샤프트의 조합으로부터 축방향으로 오프셋(axially offset)된 공급 포트들을 더 포함하는, 천음속 2상 반동 터빈.
6. 제 1항에 있어서,
   각각의 배출 부분은 응축기 또는 열교환기와 유체가 소통(fluid communication)되도록 배치되고, 상기 응축기로 배출된 상기 단일 상 유동 매체는 난방(heating)을 위해 더 사용될 수 있으며; 상기 로터들과 기어들은 전기 발전기, 압축기, 펌프 및 기계적 일을 수행하는 다른 기계적 장치들과 작동 가능하게 소통(operable communication)되도록 배치되고, 상기 로터를 회전 방식으로 구동하기 위한 반동 토크(reactionary torque)는 상기 전기 발전기를 통해 전력의 생산을 용이하게 하는, 천음속 2상 반동 터빈.
7. 제 2항에 있어서,
   각각의 운동 에너지 수확기는 작동 매체의 압력과 온도를 증가시키도록 구성되고;
   상기 매체는, 수용 챔버와 내부 채널을 통해 상기 내부 휠의 중심으로 도입되거나, 또는 측방향 밀봉 베어링(lateral seal bearing) 연결부를 통해 상기 휠의 챔버 드럼(chamber drum)으로 도입되며;
   상기 휠의 접선 부분들(tangential sections)은 하나 또는 다수의 운동 에너지 수확기들을 갖추며;
   상기 휠은 회전하도록 구성되어, 상기 휠로 들어가는 상기 열매체들의 원심력을 증가시키고, 하나 이상의 열매체들의 더 높은 배출 압력(output pressure)과 유량을 생성하며, 상기 휠들의 스포크들(spokes) 내에서 하나 이상의 열매체들의 압력의 상승을 초래하고, 운동 에너지 수확기의 혼합 챔버 내부로의 유동의 가속을 초래하며, 이는 상기 운동 에너지 수확기의 혼합 챔버 내에서 상기 제1 열매체와 제2 열매체 사이의 에너지의 교환과 하나 이상의 열매체들의 강렬한 비등을 초래하고;
   상기 배출 부분으로부터 높은 압력과 속도로 빠져나오는 상기 단일 상 유동 매체는, 상기 터빈 내에 반동 추력을 생성하고 하나 또는 다수의 샤프트들을 회전시키도록 구성된 직접 접촉 응축기 내부로 가속되며;
   상기 터빈의 풀리(pulley)는, 터빈 사이클을 완성하기 위해 상기 터빈의 하우징의 토러스(torus)로부터 배출수(discharge water)를 제거하기 위해, 또는 열교환기, 보일러, 지역 난방 시스템, 또는 다른 사용자들에게 열을 공급하기 위해, 펌프로서 작동하도록 구성되는, 천음속 2상 반동 터빈.
8. 제 2항에 있어서,
   상기 내부 휠의 둘레에 축방향으로 배치되는 외부 휠로서, 상기 외부 휠은 상기 다수의 운동 에너지 수확기들로부터 배출되는 고압 유체를 받아들이도록 배치된 블레이드들을 갖추며, 상기 외부 휠은 상기 배출되는 고압 유체에 반응하여 상기 내부 휠에 대해 반대로 회전하도록 구성되고, 추가적인 기계적 에너지를 제공하는, 외부 휠;을 더 포함하며:
   결과로서 발생된 반동력(reactive forces)은 상기 내부 및 외부 휠들에 가해져서 상기 내부 및 외부 휠들을 반대 방향으로 회전시키고;
   회전하는 내부 및 외부 휠들에 의해 생성되는 출력 에너지는, 상기 내부 및 외부 횔들에 가해지는 전기적 부하 계수(electrical load coefficient)에 의해 제어되어, 그 결과 상기 외부 횔이 상기 내부 횔보다 낮은 속도로 회전하게 되며;
   상기 내부 휠의 샤프트는 발전기 로터에 결합되고, 상기 외부 휠은 상기 발전기의 스테이터(stator)에 결합되며;
   상기 내부 휠, 외부 휠, 로터, 및 스테이터의 회전축들은 수직 배열 또는 수평 배열로 배치되는, 천음속 2상 반동 터빈.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 천음속 2상 반동 터빈에 작동 가능하게 연결되며, 난방, 가정용 온수, 냉방 및 전력의 효율적인 발생을 위한 태양열 발전 시스템, 히트 펌프(heat pump) 또는 보충 보일러 중 적어도 하나를 더 포함하는, 천음속 2상 반동 터빈.
10. 제 8항에 있어서,
    입자들과 연기로부터 다양한 액체들과 기체들을 세척하기 위한 스크러버(scrubber)로서; 난방, 가정용 온수, 냉방 및 전력의 효율적인 발생을 위한 통합된 히트 펌프(heat pump)와 함께; 전기적 기생 부하를 상쇄하기 위해 전기를 발생시키는, 발전소와 보일러실 내의 예열기로서; 다양한 성분들과 에멀젼들의 분리, 오일 회수 및 소화 시스템을 위한, 그리고 기계, 발전기, 및 냉각 시스템으로부터의 배기가스를 사용하기 위한, 다양한 화학 공정에서; 지열 유체(geothermal fluid)로부터 전기 및 열 에너지의 발생을 위한 원심 분리기와의 조합에서; 배기 제어 장치의 작동을 위해; 예열기, 발전소 내의 과열기, 보일러실, 응축기, 공급수 히터, 압력 조절 밸브(PRV), 펌프, 공기 조화, 화석 및 원자력 발전소 내의 펌프, 공급수 히터 및 공기 분리기, 및 유량계로서; 저압 증기 스트림의 압력을 증가시키기 위한 증기 압축기로서; 원자로를 냉각시키기 위한 2상 펌프; 혼합 반응기; 열 에너지의 발생을 위한 2상 혼합물 내에 기포를 생성하기 위한 장치; 태양열로 활성화되는 펌프; 냉방 공급을 위한 팽창기; 발전소의 작동을 위한 응축기; 발전소의 작동을 위한 압축기; 석탄 슬러리를 위한 반응로; 에멀젼 혼합기; 오염물을 적게 배출하는 연소 노즐; 공기 분리기(deaerator); 물 회수 장치; 석탄 기화 장치; 및 다양한 성분들과 에멀젼들을 결합하기 위한 다양한 화학 공정에서; 상기 운동 에너지 수확기 내의 반응을 통과하는 상기 열매체의 내부 분자 결합을 파괴하기 위해; 환경으로의 열 배출은 감소시키면서, 발전기, 펌프, 압축기, 및 히트 펌프를 구동하기 위한 최소의 열역학적 손실로 친환경 기계적 에너지를 얻기 위해, 그리고 열 에너지를 생산하기 위해, 냉각탑, 응축기, 산업으로부터의 배기가스 및 폐 스트림, 증기, 기체, 다양한 유체, 화학물질, 입자들 또는 이들의 조합으로부터 열 회수의 형태로 폐수를 사용하기 위해; 물 가열의 부산물로서 전기를 생산하는 증기 및 수력 터빈들, 가스 터빈 및 왕복 엔진을 원동력장치(primary movers)로서 사용하기 위해; 내부 연소 터빈 내의 터빈 배기가스, 왕복 엔진 및 에너지 회수 보일러, 증기 트랩(steam traps), 건물과 산업으로부터의 다양한 배기가스들을 사용하기 위해; 전기, 난방, 냉방, 펌핑, 계량, 혼합, 연소, 세정, 깊은 퇴적암의 수력 파괴, 에멀젼, 환경 보호, 펌핑 및 냉각을 위한 화학 및 핵 반응로 어플리케이션을 위한 엔진과 열교환기로서 사용하기 위해; 과열 저감기(desuperheater) 및 과열기로서; 이들 중에서 하나 이상에 따라서 작동 가능한, 천음속 2상 반동 터빈.
11. 제 7항에 있어서,
    상기 천음속 2상 반동 터빈은 상기 휠의 가지들(branches) 내에서 상기 작동 매체 압력의 상승을 초래하도록 작동 가능하며, 유동은 가속되어, 운동 에너지 노즐의 팽창부 내의 낮은 압력의 영역 내부로 이동하여 강렬하게 비등하고, 그 결과 상기 배출 부분으로부터 높은 압력과 속도로 초음속 단일 상 매체가 배출되며, 상기 배출 부분은, 600 내지 1000 ft/sec 사이의 속도로 직접 접촉 응축기 내부로 가속시키고, 상기 직접 접촉 응축기는 반동 추력(reactive thrust)을 생성하고 하나 이상의 샤프트들을 회전시키는, 천음속 2상 반동 터빈.
12. 저온 및 고온의 유체 유동 매체들과 함께 사용하기 위한 천음속 2상 반동 터빈으로서:
    반대 방향으로 회전하도록 구성된 적어도 두 개의 휠들을 포함하며, 상기 적어도 두 개의 휠들 중 적어도 하나는 하나 또는 다수의 운동 에너지 수확기들을 갖추는, 천음속 2상 반동 터빈.
13. 제 12항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 휠들은 내부 휠과 외부 휠을 포함하며, 상기 외부 휠은, 상기 하나 또는 다수의 운동 에너지 수확기들로부터 배출되는 고압 유체에 반응하여, 상기 내부 휠의 회전에 대해 반대로 회전하도록 구성되는, 천음속 2상 반동 터빈.

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