TWI604168B - 利用熱能之設備及方法 - Google Patents

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TWI604168B TW100126951A TW100126951A TWI604168B TW I604168 B TWI604168 B TW I604168B TW 100126951 A TW100126951 A TW 100126951A TW 100126951 A TW100126951 A TW 100126951A TW I604168 B TWI604168 B TW I604168B
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凡勒迪瑪 費森柯
勞柏特 克瑪
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胡森費索尼克公司
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Description

利用熱能之設備及方法
本發明係關於熱能收穫、混合、真空及抽吸技術領域，其中藉由利用一封閉環路(closed loop)或一開放環路(open loop)中液體之粒子間動能，可組織高效之熱能收穫製程並形成推進力(thrust)及真空。
加熱液體之習知方法包括自鍋爐或區域能量系統(district energy system)供應熱能予一電動或蒸汽驅動幫浦、間接及直接接觸式熱交換器以及噴射設備，以使液體受到所供水蒸汽或熱水之加熱(參見例如參考文獻1)。被加熱之水被傳送至消費者(終端使用者)。在將加熱能量傳送至使用者之後，由幫浦將冷凝器中所收集之被冷卻液體/冷凝水於一閉合環路中傳送回至熱源，並再次重複該循環。當流體未自終端使用者返回時，提供補償流體(make-up fluid)至該系統。此種方法會耗費大量熱能及抽吸能在加熱及傳送液體。
在工業中使用大量噴射型裝置來用於加熱並傳送液體、水蒸汽、氣體以及固體材料。此等噴射型裝置包括文丘裏過熱解除器(Venturi de-superheater)、水蒸汽噴射器、噴射排氣機及壓縮機、噴射器(jet eductor)以及噴射真空幫浦。
典型之噴射型裝置係由三主要部件組成：由一吸入腔室環繞之一漸縮(工作)噴嘴、一混合噴嘴以及一擴散器(diffuser)。工作(動力)流及噴射(載送)流進入該混合噴嘴中，在該混合噴嘴中，速度藉由能量交換而被均等化且混合物之壓力升高。該組合流自該混合噴嘴進入該擴散器，在擴散器中該壓力進一步升高。該擴散器被塑型成可使速度逐漸減小並在能量轉換成排放壓力中盡可能只有微耗損。該噴射型裝置藉由直接接觸而無需耗費機械能便可將該工作流之動能轉換至該噴射流。噴射型裝置以高之膨脹率以及適中(moderate)或高之壓縮比率進行運作，且需要一連續之原動力。
在具有不同速度之二流體流交互作用期間，混合流之熵增大(相較於一可逆混合)，進而使所排放之流之壓力減小。因此，通常，該噴射型裝置之排放壓力高於該噴射流之壓力、但低於該工作流之壓力。
噴射型裝置之缺點在於，噴射型裝置利用高水準之動力學原動力來工作，此會降低出口壓力、嚴重降低初始能量輸入率(initial energy input ratio)之有效性並需要一連續之原動力(motive force)。因此，此等裝置無法用於將壓力升高至一較高之輸出水準。其他裝置，例如基於所謂Fisonic技術而運作之裝置，可利用一較低能量輸入並增大初始推進力及熱負載。Fisonic技術設計採用二相流之極低馬赫數(Mach number)並獲取一極小量(<0.1%)之系統熱能且將該熱能轉換成動力學推進力，進而達成此目標。
在Fisonic裝置(「FD」)中，所噴射之水/流體以與工作流之速度相同之高速度進入混合腔室。該所噴射之水/流體通常係經由一環繞該工作噴嘴之窄圓周通道而供應。該混合腔室通常具有一圓錐形狀。FD之最佳化內部幾何結構使工作流與噴射流混合並加速，進而形成跨音速狀態、將該流分成微小顆粒並將該等混合流之狀態變成電漿狀態、且最後將該等流之極少部分之熱能轉換成物理推進力(幫浦頭)，其中，排放壓力高於該等混合流之壓力。此種現象之主要原因在於均勻二相流具有高之可壓縮性(compressibility)。已證明，均勻二相流較純氣體流具有更大之可壓縮性。因此，尤其是在跨音速或超音速模式中，可更有效地將熱能轉換成均勻二相混合物中的機械功。
此種系統中之音速遠低於液體及氣體中之音速。由第1圖可見，當各流之體積比係為0.5時，音速最小。FD之重要特徵亦在於排放流獨立於終端使用者系統下游之變化參數(例如背壓(back pressure))，此表明FD會形成超音速流且無下游(或上游)聯繫超過馬赫屏障(Mach barrier)。
參照第1圖可見，當不存在液體時，該比率等於1；當不存在氣體時，比率β等於0。當存在50%液體與50%氣體(二相流)時，比率β等於0.5且音速遠低於氣體及液體中之音速。音速之方程式如下：
其中：k=等熵指數(isentropic exponent)，其等於各比熱之比率；P=壓力；ρ=媒體之密度。為確定等熵指數，導出以下方程式：
其中：kg=混合物中氣體之等熵指數；ε=各壓力之臨界比率。
因工作流與噴射流間之運動脈衝之交換，混合腔室中之音速降低。該流於混合腔室之入口(咽喉部)處之速度等於或大於局部音速。鑒於該流之減速，混合腔室之出口處之溫度及壓力升高。該壓力變得高於混合物之飽和溫度下之飽和壓力。在特定設計幾何結構下，排放壓力可增大數倍於工作媒體之壓力。該混合腔室中之液相具有一泡沫型(電漿)結構，該泡沫型(電漿)結構具有一被高度紊流化(turbulized)之表面區域，因此相較於習知表面型熱交換器，FD之尺寸非常小。應指出，FD係為一恆流裝置(constant flow device)。
上述過程中之實質區別在於低噴射係數(injection coefficient)。以恆流流動速率所噴射之水/流體之流動速率之減小會使水溫升高至對應於該混合腔室中之壓力之飽和溫度；並且因缺少用於冷凝全部水蒸汽之水，故當FD之熱交換操作繼續進行時，FD之抽吸效能成比例降低。最小噴射係數將由此模式決定。在此模式下，運作因素及幾何因素會影響FD之特性。隨著噴射係數增大，當所噴射水之流動速率增大時(因背壓減小)，混合腔室中之水溫降低。同時，因混合腔室中之速度增大，故水壓降低。所噴射水之流動速率之增大使混合腔室之入口處之壓力降低至與被加熱水之溫度相對應之飽和壓力。因混合腔室中不可能存在進一步之壓降，故背壓之降低不會增大水之流動速率。此壓降決定噴射水之流動速率且無法增大。在此種條件下進一步降低背壓會使水於混合腔室處發生閃蒸(flashing)。
混合腔室中水之孔穴化(cavitation)決定最大(極限)噴射係數。須注意者，此運作狀態係為FD之工作模式。FD係以高之膨脹率及小之壓縮比率運作。
最近對FD進行之分析及測試得出如下結論：在存在一「冷態」傳熱劑(heat-transfer agent)之條件下與在不存在「冷態」傳熱劑之條件下，皆可將過熱液體之內部(粒子間)能量轉換為功。此外，在設備入口處之特定壓力值以及特定內部幾何參數條件下，「冷態」液體本身在壓力突增(pressure jump)之前變成二相媒體。根據此現象得出一非常重要之結論：在所期望之條件下，可將液體之內部能量(粒子間動能)轉換為有用功。
儘管上述現有系統適用於其預期用途，然而在收穫液體之熱能方面仍需改良，同時需提高熱量收穫之效率並使系統在一寬廣之工作參數範圍內可靠且穩定地運作。
根據本發明之一態樣，提供一種設備。該設備包含一或多個熱量產生裝置。提供一第一裝置，該第一裝置具有複數個輸入端，該等輸入端包括流體耦合(fluidly coupled)至該等熱量產生裝置之一第一輸入端及一第二輸入端。一變速第一幫浦(pump)經流體耦合以自該等熱量產生裝置供應流體至該第一裝置。一除氣器(deaerator)經流體耦合以自該第一裝置接收該等流體。
根據本發明之另一態樣，提供一種操作一設備之方法。該方法包含於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內。然後，饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體。其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一。第一轉換包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；第二轉換包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱。此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者。
結合附圖閱讀以下說明，本發明之該等及其他優點及特徵將變得更加顯而易見。
本發明之各實施例提供一種高超音速動能收穫器(hypersonic kinetic energy harvester)、熱交換器(heat exchanger)、混合器(mixer)、分配器(dozator)、勻化器(homogenizer)、巴氏殺菌器(pasteurizer)、過熱解除器(de-superheater)、幫浦(pump)、流量計/能量計(flow/energy meter)、乳化器(emulsifier)、推進器(thruster)、膨脹器(expander)以及超冷凝水再循環器(hyper condensate recycler)(統稱為「FD裝置」)。本發明之各實施例藉由利用FD裝置而形成能收穫熱能及實質降低熱能及抽吸能消耗之條件。本發明之各實施例提供一種將變速幫浦所供應之工作流體之動能轉換成熱能及抽吸能之FD裝置，並達成該系統之可靠、穩定且無孔穴化之運作。此所提供之優點在於，能實質降低現有幫浦之能量消耗及習知熱能供應量。本發明之各實施例亦可配備有一除氣器(deaerator)，用於自液體徹底移除非裝置(non-device)。該FD裝置可凝結氣體和實質改良FD中之熱能收穫，且在無任何外部幫浦之條件下亦可運作，只要流體存在於反應物混合腔室中且存在一熱增量(Δ)或Δ-p即可。該FD裝置將開始運作並將抽吸該等流體。
該FD裝置之各實施例之效能係取決於二相流之特性，首先取決於其增大之可壓縮性。為提高該FD裝置之有效性及熱能收穫率，利用區域能量、太陽能、地熱、風能、生質(biomass)、化石、核能、廢熱或化學能而於一鍋爐中將冷態液體初始預熱，並將其抽吸(在該裝置啟動時)至該FD裝置中。在該FD裝置中，亞音速(subsonic)狀態下之單相液體流被轉換成一均勻之二相流(電漿)，該二相流被轉變成一包含複數個微觀蒸汽泡之超音速流。然後，該超音速二相流中之該等蒸汽泡同時破裂，使該二相流轉換成單相流，進而提供額外之熱能以及某一抽吸功率。FD裝置之能力及多功能性使得可根據終端使用者之需求，將該FD裝置之能力配置成符合特定應用。
該FD裝置之實施例係由一擴散器(diffuser)組成，該擴散器設有複數個幾何定向肋(geometry directing rib)。該擴散器連接至一環圈(ring)，該環圈設有複數個管，該等管於內表面上具有複數個螺旋肋。該等肋產生一旋渦流(swirl flow)而造成一離心作用，進而達成該液體之有效紊流化(turbulization)。之後，該液體進入一開口腔室。在該腔室處，原始液體流自該FD裝置之排放區段噴射一額外液體流，該額外液體流於同心外部管子中進行再循環。該混合流更被排放至位於拉瓦噴嘴(Laval nozzle)之入口處之同軸噴嘴內。在該拉瓦噴嘴之後，液體壓力減小至一不高於飽和蒸汽壓力之值，該飽和蒸汽壓力對應於液體溫度。在該等條件下，該液體中形成複數個蒸汽泡。該拉瓦噴嘴之長度係為一預定長度。
在距該拉瓦噴嘴之一預定距離處，該液體進入一幾何噴嘴中，其後再施加一反壓力，使該二相流之蒸汽分量出現其中具有雪崩(avalanche collapsing)之一壓力驟增(pressure surge)。於該壓力驟增期間，產生一系列振盪，該系列振盪促進新形成之小蒸汽泡破裂，該等小蒸汽泡繼而產生熱能並升高該液體之溫度以及該液體之一推進力。此時，該液體之一部分與主流分離並再循環回至該FD裝置之入口處之混合腔室。該主液體流移動一預定距離後進入一幾何環圈/網板中，於該幾何環圈/網板中收穫額外之熱能。之後，該液體進入圓錐形排放區段，溫度升高之液體於管道系統中自該圓錐形排放區段進行排放。一局部流於該FD裝置內部之再循環使得該系統能夠於一寬廣之系統參數(流動速率、溫度及壓力)範圍內達成可靠、穩定之運作模式。
被加熱液體被傳送至熱量使用者。被冷卻液體流可自該等使用者再循環回至該鍋爐或另一熱量輸入源。返回之液體亦可經過一除氣器，該液體於該除氣器中被深度地除氣。於該除氣器中移除不可凝結氣體(non-condensable gas)能改良能量收穫過程。在重複之再循環週期中，該FD裝置提供主要之熱量輸入及抽吸功率，且該鍋爐之熱量輸入以及該幫浦之抽吸功率被實質減小。當該液體未自顧客返回時，提供補充液體至該FD裝置。突增壓力P2與該裝置內部在突增前之壓力(Pbj)之相關性係由以下方程式表示：
(3)　P2=k P bj M2...
在跨音速或超音速流(over sonic flow)中，藉由降低音速而達成均勻之二相流，此容許以低之流速度達成等於或高於1之馬赫數(M1)。
該FD裝置之功平衡(work balance)係由以下方程式表示：
其中：；C p =恆壓下之比熱；C v =恆定體積下之比熱；w、i、d下標表示工作流、噴射流及排放流之以下參數：P=壓力且V=比容積；u=等於噴射流速率對工作流速率之比率之噴射係數。
該FD裝置之具體特性係緊密相關於混合腔室之幾何結構。在該FD裝置後之排放壓力(Pd)係由以下方程式表示：
其中：Tw1=P i /P w ；f w1=工作噴嘴排氣口之橫截面積；f 3=混合腔室排氣口之橫截面積；K 1=工作流速度係數；φ3=擴散器流速度係數；Twc=P c /P w =工作噴嘴之臨界區段中之壓力對工作壓力之比率；比率λ w 1 =工作流於絕熱流處之速度對臨界速度之比率；f wc=工作噴嘴之臨界區段之橫截面積；u=噴射係數。
該混合腔室中之入口處之壓力(P2)與噴射係數間之關係係根據以下方程式確定：
對於具有任何可壓縮性之媒體，能量轉換方程式係為：
(7)　dq=(K/k-1) P du+1/(k-1)*u*dP+dqmp
對於一於絕熱通道中移動之不可壓縮性流體(k cx,dv=0)，唯一之熱源係為摩擦。不可壓縮性流體無法用作用於將熱能轉換成機械功之工作媒體。當將方程式(7)應用於壓力突增之邊界處之流之橫截面時，情況則不同，其中呈霧狀結構之可高度壓縮之二相混合物位於壓力突增之區段之一側上，而一具有小之水蒸汽(氣體)泡之單相液體位於壓力突增之區段之另一側上。
壓力突增模式中之熱量平衡條件為：
(8)　ρ1d(1-β)*Δq=ρg*β*r
(9)　Δq=(ρg/ρ1g)*r*(M2-1)
其中：r=相變之潛熱(latent heat)。根據對方程式(9)之分析，可得出幾個結論。第一，當M<1時，Δq<0係為眾所習知之液體蒸發冷卻(evaporative cooling)過程。第二，當M=1時，Δq=0係為分別在參考文獻(3)中針對一氣體以接近臨界速度移動至圓柱形通道之出口區段之內部問題所述；以及在參考文獻(4)中針對接近音速之氣體流圍繞圓柱體流動之外部問題所述之紊流退化(degeneration)現象。對於均勻之二相混合物，該問題闡述於參考文獻(5)中。最後，當M>1時，Δq>0係為在對流體流之某一內部幾何影響下由U. Potapov在參考文獻6中所述之現象。
在對流體流之受控之幾何影響、熱影響、費用影響或組合影響下，由液體之內部能量釋放之最大可能之熱量係由以下方程式表示：
Δq=(ΔP/ρ1d)*(M2/k-1)　(10)
其中：ΔP=突增壓力與被供以所產生能量的系統之背壓之差；並且，ρ1d=液體於FD裝置出口處之密度。
實驗已證明，藉由改變FD裝置之內部幾何結構、溫度、壓力、化學成分、增加聲波、電刺激、管道配置、氣體與液體之組合、以及重力，可改變並增強裝置參數並實質增大所收穫之熱能及抽吸功率。
第2圖及第3圖例示FD裝置20之一實施例。抽吸一液體1並於一裝置22(例如但不限於一鍋爐)中藉由例如區域能量、太陽能、地熱、風能、生質、化石、廢熱或化學能而初始地預熱之。須說明者、儘管此處所述之實施例係闡述FD裝置之一線性構造，然而本發明不應僅限於此。在某些實施例中，該FD裝置被構造成例如一360度圓環面之形狀。在加熱之後，液體1被抽吸(在啟動期間)至FD裝置20中。FD裝置20包含一擴散器2，擴散器2設有複數個幾何定向肋3。該擴散器連接至一環圈4，環圈4設有複數個管5，管5於一內表面上具有複數個螺旋肋。該等肋用以產生一旋渦流而造成一離心作用，進而達成液體之紊流化。之後，該液體進入一開口腔室6中。混合腔室之長度可根據最終用途應用而異。在腔室6中，原始液體流1之一部分被噴射作為一額外液體流7。液體流7自FD裝置20之噴嘴11之出口於同心外部管子8中進行再循環。
該混合流更被排放至一第一拉瓦噴嘴9中，第一拉瓦噴嘴9壓縮單相液體流7。在一實施例中，一或多個壓力感測器36耦合至第一拉瓦噴嘴9。壓力感測器36用以提供一表示第一拉瓦噴嘴9中之壓力之訊號至液體流計量裝置38。液體流7被排放至一第二拉瓦噴嘴10中。在距第二拉瓦噴嘴10預定距離處，該液體流進入一噴嘴11中。在一實施例中，在該拉瓦噴嘴之後，該單相液體流之壓力減小至一不高於對應於液體溫度之飽和蒸汽壓力之值。在此等條件下，該液體中形成複數個蒸汽泡。在噴嘴11之後，一局部液體流被分離並貫穿同心管子8而再循環至腔室6。頃發現，一局部流於FD裝置20內部之再循環使得該系統能夠於一寬廣之系統參數(流動速率、溫度及壓力)範圍內達成可靠、穩定之運作模式。
在一實施例中，噴嘴11對二相流提供一制動效應(braking effect)並形成反壓力，該反壓力使該二相流之蒸汽分量出現其中伴隨雪崩之一壓力驟增並使二相流轉換成單相流。於該壓力驟增期間，產生一系列振盪，促進微觀蒸汽泡之破裂，該等微觀蒸汽泡繼而收穫熱能並升高該液體之溫度以及該液體之一推進力。
主液體流移動某一預定距離並進入一環圈/網板12中。之後，該主液體流進入圓錐形排放區段13，圓錐形排放區段13設有複數個肋14，自此，溫度及推進力升高之液體於管道系統15進行排放。在一實施例中，該管道系統包含一導管，該導管使該排放流之一部分自FD裝置20流動回至一幫浦裝置34。在該實例性實施例中，幫浦裝置34係為一水輪機(hydro turbine)幫浦或一噴射幫浦。
須說明者，FD裝置20可包含複數個額外噴嘴或輸入端，用於供應額外液體及氣體以與該主液體流混合並形成均勻之混合物及乳劑(emulsion)。
在一實施例中，管道系統15可設有一閃蒸分離器(flash separator)24，被加熱之水於閃蒸分離器24中閃蒸，水蒸汽被分離並供應至一終端應用裝置26(end use application)，例如一建築物水蒸汽加熱系統。該分離器連接至一FD裝置20，其係降低該分離器中之壓力並提供水閃蒸條件。
接著，被加熱的液體或水蒸汽被傳送至終端應用裝置26。一旦該終端應用裝置處之該被加熱液體或水蒸汽的熱能被提取出後，冷卻之液體或冷凝水蒸汽便再循環回至鍋爐22或另一熱量輸入源。回程再循環管線(return recirculation line)亦可連接至一除氣器28，該液體於除氣器28中被深度地除氣，以提供不可凝結氣體移除功能、補充功能及液體膨脹功能。在一實施例中，該除氣器亦用作一膨脹裝置。在其中被冷卻液體未自終端應用者裝置26返回之實施例中，提供補充水30至系統32。在重複之再循環過程中，FD裝置20所提供之熱量輸入及抽吸功率以及該鍋爐之熱量輸入能實質降低對系統32之各幫浦34之要求。
在一實施例中，該FD裝置利用粒子間力(一相、二相及多相媒體之動能)，並旨在用於液體及氣體之混合、溫度升高、以及形成推進力及真空。該系統可包含一熱量輸入裝置及一幫浦(用於初始啟動)，該熱量輸入裝置呈以下形式：一鍋爐、區域能量、太陽能、地熱、風能、生質、化石、廢熱或化學能，該幫浦連接至該FD裝置，形成用於能量收穫之條件並於液體媒體之開放或封閉循環中將被加熱液體推進至一連接至消費者之管道系統，並且該系統可包含一除氣器。技術效果包括可針對特定運作範圍而配置一FD裝置。在一實施例中，熱能收穫溫度範圍應介於110C與250C之間。該FD裝置適用於各種行業、運輸、灌溉、消毒、滅火、水/油分離、混合、烹調、加熱、冷卻以及低品質能量利用。
實驗已證明，藉由改變FD裝置之內部幾何結構、溫度、壓力、化學成分、增加聲波、電刺激、管道配置、氣體與液體之組合、以及重力，可改變並增強裝置參數並實質增大所收穫之熱能及抽吸功率。
第4圖至第17圖例示FD裝置之不同實施例。第4圖之FD裝置20例示其中FD裝置20用作一二相或多相式熱動力放大器(thermo kinetic amplifier)之一實施例。在該實施例中，FD裝置20具有一單一拉瓦噴嘴9以及制動噴嘴11。在第4圖所示之實施例中，並無用於使流體流之一部分再循環之同心管子。而是，一導管40於拉瓦噴嘴9之入口與噴嘴11之入口間噴射一流體流，例如一冷態液體熱載體。
現在參照第5圖，其例示其中FD裝置20用作一高超音速動力放大器(hypersonic kinetic amplifier)之一實施例。在該實施例中，一單一拉瓦噴嘴9佈置於擴散器2之下游。離開拉瓦噴嘴9之液體與一來自同心導管8之再循環液體混合，並進入一制動噴嘴11。在離開噴嘴11之後，該液體流之一部分經由同心導管8進行再循環，而其餘部分則經由圓錐形排放區段13離開。
現在參照第6圖，其例示其中FD 20用作一多級式超動力放大器(multistage hyperkinetic amplifier)之一實施例。在該實施例中，液體流1經由擴散器2進入一腔室6中。在擴散器2下游一預定距離處，同心導管8之一出口使一再循環液體流動至腔室6中，進而使該二流體流混合。然後，該混合流進入一單一拉瓦噴嘴9以及一制動噴嘴11中。同心導管8之入口係佈置於噴嘴11之出口處，以使該液體流之一部分進行再循環，而該流之其餘部分則經由排放區段13離開。
第7圖例示用作一多相式熱動力放大器之一FD裝置20，用於混合及多流(multiflow)應用。液體流1係由擴散器2接收，並被傳送至腔室6中，液體流1於腔室6中與來自同心導管8之再循環液體混合。該混合液體流動至一拉瓦噴嘴9中。一第二液體流經由一導管40噴射。該第二液體係於拉瓦噴嘴9之入口與出口之間噴射。該組合之液體流進入制動噴嘴11。同心導管8之入口係佈置於噴嘴11之出口處，以使該流體流之一部分再循環。該混合流體流之其餘部分經由排放區段13離開。
第8圖例示用作一超能量推進器(hyper energy thruster)之一FD 20。在該實施例中，液體1係於擴散器2中被接收，並穿過複數個噴嘴42而進入腔室6中。該液體穿過拉瓦噴嘴9並與一來自同心導管8之再循環液體組合。該同心導管於出口44之上游、拉瓦噴嘴9外部噴射該再循環液體。來自拉瓦噴嘴9之液體與該再循環液體於制動噴嘴11之入口處混合。在該實施例中，出口44與噴嘴11之入口係實質設置於同處。同心導管8之入口係佈置於噴嘴11之出口處，以使該流體流之一部分再循環。該混合流體流之其餘部分經由排放區段13離開。
第9圖例示用作一多輸入端能量收穫器(multi-input energy harvester)之一FD 20。在該實施例中，液體1穿過擴散器2並由複數個肋3導引至一環圈4中，環圈4具有複數個管5。該液體穿過管5而進入腔室6中。一導管40噴射一第二液體流至腔室6中而與一來自同心導管8之再循環液體匯合。該組合液體流進入拉瓦噴嘴9。一第三液體流係自一導管46噴射，進而使液體1、該再循環液體、該第二液體流以及該第三液體流於出口44處混合並進入制動噴嘴11。在該實施例中，噴嘴11之入口與出口44設置於同處。同心導管8之入口被佈置於噴嘴11之出口處，以使該流體流之一部分再循環。該混合流體流之其餘部分經由排放區段13離開。
第10圖例示用作一二級式熱能收穫器(two-stage thermal energy harvester)之一FD裝置20，該二級式熱能收穫器具有一外部饋送源(feed)。在該實施例中，液體1係經由擴散器2被接收至腔室6中。然後，該液體流經拉瓦噴嘴9。一外部饋送導管40於出口44之上游、拉瓦噴嘴9外部噴射一第二流體流。液體1與該第二流體流於出口44處混合並進入制動噴嘴11。在噴嘴11之出口處，一具有複數個管之環圈48接收該液體流，進而使該液體流經由排放區段13離開。
第11圖例示用作一較低品質能量利用器(lower quality energy utilizer)之一FD裝置20。在該實施例中，液體1係經由擴散器2被接收至一拉瓦噴嘴9之入口54。一第二流體流係於入口54處與液體1同軸地噴射。在該實施例中，入口54實質與擴散器2之出口設置於同處。該組合流體流流經拉瓦噴嘴9並進入一制動噴嘴11中。噴嘴11之入口實質與出口44設置於同處。該液體流經由排放區段13離開FD裝置20。
第12圖例示用作一組合式能量收穫器與推進器之一FD裝置20。在該實施例中，液體1穿過擴散器2並由複數個肋3導引至一環圈4中，環圈4具有複數個管5。該液體穿過管5而進入腔室6中。該液體自腔室6流動至一第一拉瓦噴嘴9中。由一導管40於第一拉瓦噴嘴9外部噴射一第二液體流。來自第一拉瓦噴嘴9之液體1與該第二液體流於出口44處混合。在距出口44一預定距離處，一第二拉瓦噴嘴10接收該混合液體流。第二拉瓦噴嘴10之出口56被佈置成實質與一制動噴嘴11之一入口設置於同處。一同心導管8於出口56處噴射一再循環液體。同心導管8之入口係佈置於噴嘴11之出口處，以使該流體流之一部分進行再循環。該混合流體流之其餘部分經由排放區段13離開。
第13圖例示用作一廢熱利用洗氣器(waste heat utilization scrubber)之FD裝置20。在該實施例中，第一液體1係經由擴散器2而接收，並且自一同軸佈置之導管57接收一第二液體。該二液體流被導引至一環圈4中而進入腔室6中，環圈4具有複數個管5。該二液體流於腔室6中與一來自導管40之第一廢熱液體流混合。該組合混合物經由一第一組葉輪(vane)58而被導引至一第二腔室59中，該液體流於第二腔室59中與一來自導管46之第二廢熱液體流相組合。該流體組合經由一第二組葉輪60而被導引至一排放區段13。
第14圖例示用作氣體/液體混合設備之FD裝置20，該氣體/液體混合設備用於例如巴氏殺菌及均化。在該實施例中，液體1係由擴散器2接收並進入腔室6中。該液體自腔室6流動至一拉瓦噴嘴9中。於拉瓦噴嘴9外部噴射一第二液體流。自拉瓦噴嘴9流出之液體於出口44處與該第二液體流混合。然後，該等組合之液體流至一制動噴嘴11中。噴嘴11之入口實質與出口44設置於同處。穿過噴嘴11之後，該組合液體經由排放區段13離開。
第15圖例示用作一孔穴化熱量產生膨脹器(cavitational heat generation expander)之FD裝置20。在該實施例中，液體1經由一第一導管72進入，第一導管72具有一第一直徑。該液體之流動會衝擊位於一圓錐形入口區段74中之一孔穴化裝置76。然後，該液體流動至一第二導管78中，第二導管78具有一第二直徑以及一預定長度。第二導管78之直徑小於第一導管72之直徑。在穿過第二導管78之後，該液體再經由擴散器2進入腔室6中。腔室6具有一預定長度且終止於排放區段13中。
第16圖例示用作熱能收穫器及放大器之FD裝置20。在該實施例中，液體1穿過擴散器2並由複數個肋3導引至一環圈4中，環圈4具有複數個管5。該液體穿過管5而進入腔室6中，該液體於腔室6中與一來自同心導管8之再循環液體混合。該混合液體自腔室6流動至一第一拉瓦噴嘴9中。該混合液體離開第一拉瓦噴嘴9，且流動一第一預定距離後進入一第二拉瓦噴嘴10。然後，該混合液體流動一第二預定距離後進入一制動噴嘴11。同心導管8之入口係佈置於噴嘴11之出口處，以使該流體流之一部分再循環。於噴嘴11之出口處，一具有複數個管之環圈48接收該液體流，進而使該液體流經由排放區段13離開。在該實施例中，排放區段13包含用於導引該流之複數個肋62。
現在參照第17圖，所示為一系統100之一實例性實施例，系統100使用一或多個本文所述FD裝置20。系統100係為一組合式熱-電系統(combined heat and power system)，其提供熱能與電能至一應用系統，例如一製造業或商業辦公樓。系統100包含一水乳劑製備區段102、一電能與熱量產生區段104、一氣體過濾區段106以及一冷凝區段108。
水乳劑區段102於一跨音速乳化裝置112中將來自一燃料箱110之燃料與水蒸汽相組合。由幫浦116將經乳化之燃料傳送至一鍋爐114。使該燃料燃燒以形成水蒸汽。由一幫浦118將該水蒸汽傳送至一熱量利用及氣體清潔跨音速裝置120中。裝置120將來自鍋爐114之高溫煙道氣相混合，以於其輸出端122形成一高壓高溫水蒸汽混合物。該輸出端122之特性適用於一水蒸汽跨音速輪機引擎(hydro-steam transonic turbine engine)124中。引擎124使一發電機126旋轉以產生電力。須說明者，水蒸汽混合物於引擎124之出口處之狀態可大於1馬赫。
引擎124之輸出端將該水蒸汽混合物傳送至一跨音速冷凝器128中。在冷凝器128內，來自引擎124之二相水蒸汽被加速，之後該水蒸汽與冷凝水混合而形成該冷凝水與水蒸汽之一二相混合物，且該二相混合物之流被轉變至超音速流狀態。於一二相超音速流中改變一壓力，俾在壓力改變期間藉由使水蒸汽泡破裂並藉由加強之水蒸汽冷凝而將該二相流轉變成單相液體亞音速流。同時，在壓力改變期間藉由該冷凝水中加強之水蒸汽冷凝並藉由使水蒸汽泡破裂來加熱該冷凝水，以形成一單相高溫液體。在一實施例中，藉由增加一減速級(deceleration stage)額外地加熱冷凝器128內的該液體。
該單相高溫亞音速液體流動至一熱交換器130中，熱交換器130具有氣體/水容積。該熱交換器將熱能自該單相液體傳遞至一傳熱媒體，例如水。然後，該傳熱媒體可用於例如空間加熱、家用熱水或工業用熱。經冷卻之單相液體自該熱交換器被傳送至一除氣器132(例如一旋風型除氣器)，除氣器132將所載送之空氣及氣體與該液體分離。所分離之氣體經過濾後排放至大氣。
該液體自除氣器132移出並經由幫浦134傳送至冷凝區段108。於冷凝區段108中，該液體流經一跨音速化學反應器裝置136並進入一旋渦反應器(vortex reactor)138中。被傳送回至鍋爐114重複利用前，冷凝之液體可利用一歧管式過濾裝置(manifolded filter arrangement)140進行過濾。
現在參照第18圖至第20圖，所示為使用一FD裝置202及一熱幫浦204之一系統200之一實例性實施例，例如，系統200可為一住宅206供熱。在該實例性實施例中，系統200耦合至一地熱封閉地面水系統(geothermal closed-loop surface water system)208。須說明者，儘管此處該實施例係述及一地熱系統，然而本發明不應僅限於此。該系統包含一地熱部208，接收自熱幫浦204之一傳熱媒體或冷卻劑。該冷卻劑離開地熱部208並經由一幫浦210被傳送至FD裝置202中。該冷卻劑之溫度及壓力隨FD裝置202而升高，如上文所述。該冷卻劑離開FD裝置202而進入一導管212中。一膨脹箱(expansion tank)214耦合至導管212。該冷卻劑進入熱幫浦204。當處於一冷卻運作模式(第19圖)時，熱幫浦204經由一熱交換器216將熱量傳遞至該冷卻劑。然後，該冷卻劑被傳送至地熱部208，於地熱部208中熱能被傳送至大地。當處於加熱運作模式(第20圖)時，該冷卻劑經由熱交換器216將熱量傳遞至熱幫浦204。然後，經冷卻之冷卻劑被傳送至地熱部208，於地熱部208中由大地加熱該冷卻劑。
根據本發明之另一實施例，提供一種FD設備，該FD設備耦合至一或多個熱量產生裝置。提供一第一裝置，該第一裝置具有複數個輸入端，該等輸入端包括流體耦合至該等熱量產生裝置之一第一輸入端及一第二輸入端。一變速第一幫浦經流體耦合以自該等熱量產生裝置供應流體至該第一裝置。一除氣器經流體耦合以自該第一裝置接收該等流體。在一實施例中，該設備包含一第二幫浦，流體耦合至該第一裝置。一第二裝置流體耦合至該第二幫浦之一入口。一第三裝置流體耦合至該第二幫浦之一輸出端。該FD裝置可改良流體向幫浦葉輪(pump impeller)之流動，藉此降低耗電量並增大流體體積。
根據本發明之另一實施例，提供一種FD裝置，該FD裝置包含一擴散器，該擴散器流體耦合至該第一輸入端。該擴散器具有複數個定向肋，其中該幫浦使該液體流入該擴散器中，其中該擴散器連接至一環圈，該環圈具有複數個管，該等管於內表面上具有複數個螺旋肋。該等肋產生一旋渦流而造成一離心作用，達成該液體之紊流化，其中該第一裝置包含鄰接該等環圈之一開口腔室。該等輸入端被設置成自該第一裝置之一排放部噴射複數個額外之液體再循環流(liquid recirculating streams)至一同心外部管子中。
根據本發明之另一實施例，提供一種FD裝置，其中在該開口腔室之後，該混合流更被排放至位於拉瓦噴嘴處之入口處之同軸噴嘴內。該單相液體在該拉瓦噴嘴中受到壓縮。在該拉瓦噴嘴之後，該單相液體流之壓力減小至一不高於飽和蒸汽壓力之值，該飽和蒸汽壓力對應於在該液體內形成複數個蒸汽泡之液體溫度。該裝置包含鄰近該拉瓦噴嘴之一制動噴嘴。該制動噴嘴被構造成對二相流形成一制動效應並形成反壓力，使該二相流之一蒸汽分量出現其中具有雪崩之一壓力驟增並使二相流轉換成單相流，其中於該壓力驟增期間，產生一系列振盪，該系列振盪促進微觀蒸汽泡之破裂，進而升高該液體之溫度以及該液體之一推進力。
根據本發明之另一實施例，提供一種FD裝置，其中該液體之一部分在下游從該制動噴嘴分離並再循環回至該腔室之一入口。一主排放液體流移動一預定距離後進入一環圈/網板區段，藉此進一步提高該液體之一溫度，且其中該主排放液體流移動某一預定距離後進入一圓錐形排放區段。在一實施例中，該拉瓦噴嘴包含複數個壓力感測器，該等壓力感測器連接至一外部液體流計量裝置。
根據本發明之另一實施例，提供一種FD裝置，其中該拉瓦噴嘴之一出口與該排放區段間之一距離係為一預定尺寸。該拉瓦噴嘴之一入口設有複數個穿孔(perforation hole)。自該排放區段排放之該等流體之一部分被抽吸回至一水輪機幫浦中，該水輪機幫浦提供進入一幫浦裝置之流量。在一實施例中，該第一裝置更包含複數個額外噴嘴，用於供應額外液體及氣體以與該主液體流混合並形成均勻之混合物及乳劑。在另一實施例中，一閃蒸分離器流體耦合至該排放流，且其中該第一裝置被構造成一360度圓環面之形狀。
根據本發明之另一實施例，提供一種操作一FD裝置之方法。該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及，饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體。其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一。一第一轉換包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流。一第二轉換包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者。
根據本發明之另一實施例，該FD裝置可用於乳化、勻化、加熱、抽吸及改良其流變特性、防止低於石蠟以及各種烴類之結晶點之溫度下形成空間體積結構。該應用亦容許破壞瀝青/石蠟之分子間鍵結而造成異常黏度。該FD裝置亦減小高分子化合物之濃度，該等高分子化合物主要係為作為超大分子聚集體之中心的瀝青質。
根據本發明之另一實施例，該FD裝置可用於氣體/烴強化油回收(enhanced oil recovery；EOR)、增強氣體/油生產、藉由同時加熱而增強液體及氣體分離及生產、分解油粒子、以一油層來包封水、防止水封包池(water packet pool)之濃度導致油管路破裂。該應用亦容許產生強孔穴化衝擊波及壓力以驅動油泥封包之抽吸或以自井中藉由真空而抽吸出油/氣體。該應用亦容許分解石蠟及重質原油形成物。
根據本發明之另一實施例，該FD裝置可用於藉由由FD所產生之受控之內部衝擊波及剪切能量所達成之微粉末化(micro-pulverization)來增強基於纖維質及水藻之生物燃料之生產以及其他有機基產品之生產，以達成更徹底且具能量效率之瞬時生產線上烹調(in-line cooking)，包括於低溫下啟動澱粉發酵且所需使用之添加劑減少。
根據本發明之另一實施例，該FD裝置可用於一如下之應用中：該應用利用一核反應器腔中之餘熱來保持冷卻劑之再循環，直至該反應器之溫度降至安全水準，以防止反應棒熔化。只要存在一ΔT或ΔP，該FD便會運行。該FD不具有移動部件且不需要電力。該FD將利用任何水源來使冷卻劑進行再循環。
根據本發明之另一實施例，提供一種操作一水蒸汽區域加熱系統之方法，其中將水蒸汽引入一水蒸汽/水熱交換器中，且於整個使用者之液體循環加熱系統(hydronic system)中抽吸熱水。使用一FD裝置代替習知之熱交換器及電驅動幫浦，進而節約在排放之前對冷凝水進行驟冷所需之能量並降低其要求。FD裝置用於代替習知之水蒸汽/水熱交換器，以用於以一更高效之自動水/水熱水供應環路(water/water hot water supply loop)進行家用熱水供應。FD裝置自水蒸汽加熱之建築物回收所排放之冷凝水，並利用少量之水蒸汽將冷凝水升級為可用水蒸汽(usable steam)以於整個建築物加熱系統中進行再循環。FD裝置回收旨在用冷水進行驟冷並作為廢棄物處理的所排放冷凝水或廢汽(spent steam)，並使其再循環至建築物來用於熱水系統或作為廢水(grey water)來用於複數種用途。
根據本發明之另一實施例，提供一種對熱浴盆(hot tub)、游泳池或任何大型含水體提供運作熱量之方法，該方法係利用一FD裝置對水進行加熱並同時破壞該水中之任何微生物或細菌元素，藉此消除對大量抗菌添加劑(例如氯氣)之需要。
根據本發明之另一實施例，提供一種藉由於一單次直通操作(single pass-through)中使用一FD裝置而同時對乳、乳製品及其他液體或半液體消費品進行巴氏殺菌及勻化之方法。
根據本發明之另一實施例，提供一種如下方法：藉由由該FD裝置所產生之受控內部衝擊波及剪切能量而達成之微粉末化而在麥芽汁加工、系統維護及能量節約中增強釀造生產，以達成更徹底之混合、具能量效率之同時生產線上烹調、在低溫下進行澱粉發酵、使操作後系統清潔所需使用之添加劑及抗菌作用減少。
根據本發明之另一實施例，提供一種利用各FD裝置之高壓霧化、消毒混合、噴霧及精確之劑量控制能力來增強工業清潔、清洗、去汙、防火控制及前置製程準備之方法。
根據本發明之另一實施例，提供一種提高引擎(包括柴油引擎及渦輪引擎)之燃料效率之方法，該方法係利用FD裝置來改良混合物、輸入壓力、以及空氣、燃料、水或添加劑之比率，以增強燃燒並減少排放物。
儘管上文係參照僅有限數目之實施例來詳細闡述本發明，然而應易於理解，本發明並不僅限於該等所揭露之實施例。相反，可將本發明修改成包含任何數目之上文所未提及之變化形式、修改形式、替換形式或等效佈置形式，但該等形式應與本發明之精神及範圍相一致。另外，儘管已闡述本發明之各種實施例，然而應理解，本發明之各態樣可僅包含所述實施例其中之某些。因此，本發明並非旨在被視為受限於前述說明，而是僅受隨附申請專利範圍限制。
1．．．液體
2．．．擴散器
3．．．肋
4．．．環圈
5．．．管
6．．．腔室
7．．．液體流
8．．．同心導管
9．．．第一拉瓦噴嘴
10．．．第二拉瓦噴嘴
11．．．噴嘴
12．．．環圈/網板
13．．．圓錐形排放區段
14．．．肋
15．．．管道系統
20．．．FD裝置
22．．．鍋爐
24．．．閃蒸分離器
26．．．終端應用裝置
28．．．除氣器
30．．．補充水
32．．．系統
34．．．幫浦裝置
36．．．壓力感測器
38．．．液體流計量裝置
40．．．導管
42．．．噴嘴
44．．．出口
46．．．導管
48．．．環圈
54．．．入口
56．．．出口
57．．．同軸佈置之導管
58．．．葉輪
59．．．第二腔室
60．．．葉輪
62．．．肋
72．．．第一導管
74．．．圓錐形入口區段
76．．．孔穴化裝置
78．．．第二導管
100．．．系統
102．．．水乳劑製備區段
104．．．熱量產生區段
106．．．氣體過濾區段
108．．．冷凝區段
110．．．燃料箱
112．．．跨音速乳化裝置
114．．．鍋爐
116．．．幫浦
118．．．幫浦
120．．．裝置
122．．．輸出端
124．．．引擎
126．．．發電機
128．．．冷凝器
130．．．熱交換器
132．．．除氣器
134．．．幫浦
136．．．跨音速化學反應器裝置
138．．．旋渦反應器
140．．．歧管式過濾裝置
200．．．系統
202．．．FD裝置
204．．．熱幫浦
206．．．住宅
208．．．地熱部
210．．．幫浦
212．．．導管
214．．．膨脹箱
216．．．熱交換器
在本說明書之結尾處之申請專利範圍中特別指出且明確主張被視為本發明之標的物。結合附圖閱讀以上詳細說明，本發明之前述及其他特徵及優點將變得顯而易見，在附圖中：
第1圖係為例示音速與氣體對液體體積比之間關係之曲線圖；
第2圖係為根據本發明一實施例之一Fisonic型裝置之示意圖；
第3圖係為一包含第2圖所示裝置之系統之示意圖；
第4圖至第16圖係為根據本發明其他實施例之Fisonic型裝置之其他實施例之示意圖；
第17圖係為一使用第1圖至第16圖所示Fisonic型裝置之組合式熱-電系統之示意圖；以及
第18圖至第20圖係為一使用第1圖至第16圖所示Fisonic型裝置之熱幫浦系統之示意圖。
以上詳細說明係參照附圖以舉例方式來解釋本發明之各實施例以及優點及特徵。
1．．．液體
2．．．擴散器
3．．．幾何定向肋
4．．．環圈
5．．．管
6．．．開口腔室
7．．．液體流
8．．．同心外部管子
9．．．第一拉瓦噴嘴
10．．．第二拉瓦噴嘴
11．．．噴嘴/制動噴嘴
12．．．環圈/網板
13．．．圓錐形排放區段
14．．．肋
15．．．管道系統
20．．．FD裝置/FD
36．．．壓力感測器
38．．．液體流計量裝置

Claims (21)

  1. 一種利用熱能之設備，該設備包含：一或多個熱量產生裝置；一第一裝置，具有複數個輸入端，該等輸入端包括流體耦合(fluidly coupled)至該等熱量產生裝置之一第一輸入端及一第二輸入端；一變速第一幫浦(pump)，經流體耦合以自該等熱量產生裝置供應流體至該第一裝置；以及，一除氣器(deaerator)，經流體耦合以自該第一裝置接收該等流體；其中該第一裝置包含一擴散器(diffuser)流體耦合至該第一輸入端，該擴散器具有複數個定向肋(directing rib)，其中該幫浦使該液體流入該擴散器中，其中該擴散器連接至一環圈(ring)，該環圈具有複數個管，該等管於內表面上具有複數個螺旋肋，該等肋產生一旋渦流而造成一離心作用，達成該液體之紊流化(turbulization)，其中該第一裝置包含鄰接該等環圈之一開口腔室，該等輸入端被設置成在一同心外部管子中自該第一裝置之一排放部噴射複數個額外之液體再循環流(liquid recirculating streams)。
  2. 如請求項1所述之設備，更包含：一第二幫浦，流體耦合至該第一裝置；一第二裝置，流體耦合至該第二幫浦之一入口；以及，一第三裝置，流體耦合至該第二幫浦之一輸出端，藉此降低耗電量並增大流體體積。
  3. 如請求項1所述之設備，其中：該熱量產生裝置係選自由下列所組成之一群組：一鍋爐(boiler)、一渦輪機(turbine)、一區域能量系統(district energy system)、複數種氣體(gasses)、一太陽能收集器(solar collector)、一地熱系統(geothermal system)、一風能系統(wind energy system)、一生質系統(biomass system)、一生物燃料系統(biofuel system)、一化石燃料系統(fossil fuel system)、一核燃料系統、一儲存能量系統(storage energy system)、一廢熱系統(waste energy system)、以及一化學能系統；該除氣器提供不可凝結氣體(non-condensable gas)之深度移除、補充及液體膨脹以及能量利用功能。
  4. 如請求項1所述之設備，其中：在該開口腔室之後，該混合流更被排放至位於拉瓦噴嘴(Laval nozzle)處之入口處之同軸噴嘴內，其中該單相液體在該拉瓦噴嘴中受到壓縮；在該拉瓦噴嘴之後，該單相液體流之壓力減小至一不高於飽和蒸汽壓力之值，該飽和蒸汽壓力對應於在該液體內形成複數個蒸汽泡之液體溫度；以及，該第一裝置包含鄰近該拉瓦噴嘴之一制動噴嘴(braking nozzle)，該制動噴嘴被構造成對二相流形成一制動效應並形成反壓力，該反壓力使該二相流之一蒸汽分量出現其中具有雪崩(avalanche collapsing)之一壓力驟增(pressure surge)並使二相流轉換成單相流，其中於該壓力驟增期間，產生一系列振盪，該系列振盪促進微觀蒸汽泡之破裂，進而升高該 液體之溫度以及該液體之一推進力(thrust)。
  5. 如請求項4所述之設備，其中該液體之一部分在下游從該制動噴嘴分離並再循環回至該腔室之一入口，其中一主排放液體流移動一預定距離後進入一環圈/網板區段，藉此進一步提高該液體之一溫度，且其中該主排放液體流移動某一預定距離後進入一圓錐形排放區段。
  6. 如請求項5所述之設備，其中該拉瓦噴嘴包含複數個壓力感測器，該等壓力感測器連接至一外部液體流計量裝置。
  7. 如請求項6所述之設備，其中：該拉瓦噴嘴之一出口與該排放區段間之一距離係為一預定尺寸；該拉瓦噴嘴之一入口設有複數個穿孔；以及自該排放區段排放之該等流體之一部分被抽吸回至一水輪機(hydro turbine)幫浦中，該水輪機幫浦提供進入一幫浦裝置之流量。
  8. 如請求項7所述之設備，其中，該第一裝置更包含複數個額外噴嘴，用於供應額外液體及氣體以與該主液體流混合並形成均勻之混合物及乳劑(emulsion)。
  9. 如請求項8所述之設備，更包含一閃蒸分離器(flash separator)，流體耦合至該排放流，且其中該第一裝置被構造成一360度圓環面之形狀。
  10. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及，饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液 體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於一熱幫浦(heat pump)系統、一地熱系統、一太陽能系統、一水蒸汽區域加熱系統、一水蒸汽/水熱交換器中、用於自一水蒸汽加熱建築物之排放冷凝水或用於廢水(grey water)循環。
  11. 如請求項10所述之方法，包含：於壓力下饋送一被加熱液體載體至一噴嘴內；饋送一冷態液體熱載體及其混合物，其特 徵在於，一蒸汽被饋送入該噴嘴內作為該被加熱熱載體，進而在該冷態熱載體在該噴嘴之後與該蒸汽混合之過程中形成該二相流，形成該二相流之一馬赫數大於1之流動狀態，此後進行一壓力改變，將一超音速二相流轉換成該熱載體混合物之一單相液體流，並在執行該壓力改變期間同時加熱該熱載體混合物；然後，使該熱載體混合物流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，形成該二相流之一馬赫數等於1之流動狀態；然後，藉由使該流減速，將其轉換成具有蒸汽氣泡之該熱載體混合物之液體流，其中對該熱載體混合物之該液體流進行一額外加熱並在使該流減速時增大該流之壓力；然後，將該熱載體混合物之該被加熱液體流於在該第一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者。
  12. 如請求項11所述之方法，包含：饋送水蒸汽至一渦輪發電機中；自該渦輪發電機放出該水蒸汽；在一冷凝器中移除自該渦輪發電機放出之該水蒸汽；將來自該冷凝器之冷凝水及自該渦輪發電機放出之該水蒸汽饋送入該第一噴射設備中，其中水蒸汽在該第一噴射設備中冷凝，並加熱該冷凝水，接著將該被加熱之冷凝水作為饋送水饋送至一除氣器中；接著，饋送至一鍋爐蒸汽產生器中，其中使該冷凝水及自該渦輪發電機放出之該水蒸汽加速，然後混合該水蒸汽與冷凝水，使得形成該冷凝水與水蒸汽之一二相混合物，並將該二相混合物流轉變至超音速流動狀態，接著在一二相超音速流中實施一壓力改變，在該壓力改變期間藉由使水蒸汽泡破裂以及藉 由集中之水蒸汽冷凝而使該二相流轉變成該單相液體超音速流，同時藉由使水蒸汽集中地冷凝成該冷凝水而同時加熱該冷凝水；並且，藉由在該壓力改變期間使水蒸汽泡破裂而額外地加熱該冷凝水；然後將該冷凝水之被加熱液體流送入該除氣器中；其中該冷卻水之該液體流在該第一噴射設備中被額外地減速，藉此額外地加熱該冷凝水之該液體流。
  13. 如請求項12所述之方法，其中藉由自該渦輪發電機之複數個級中逐次地分步放出該水蒸汽而達成該水蒸汽向該第一噴射設備中之一多步式饋送，且在該第一噴射設備之每一步驟中，皆形成該冷凝水與水蒸汽之該二相混合物，將該流轉變至超音速流狀態，且於每一步驟中皆達成該壓力改變，以將該流轉變成該單相液體流，並同時加熱該冷凝水之該液體流，以提供熱浴盆(hot tub)、游泳池或任何大型含水體之運作熱量。
  14. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載 體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於如下之系統中：該等系統用於乳化、勻化、加熱、抽吸及改良其流變特性、防止於低於石蠟以及各種烴類之結晶點之溫度下形成空間體積結構、破壞瀝青/石蠟之分子間鍵結而造成異常黏度、以及用於減小高分子化合物之濃度，該等高分子混合物主要係為作為超大分子聚集體之中心的瀝青質。
  15. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該 熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於一如下之系統中：該系統用於氣體/烴強化油回收(enhanced oil recovery；EOR)、增強氣體/油生產、藉由同時加熱而增強液體及氣體分離及生產、分解油粒子、以一油層來包封水、防止水封包池(water packet pool)之濃度導致油管路破裂、用於產生強孔穴化衝擊波及壓力以驅動油泥封包之抽吸或以自井中藉由真空而抽吸出油/氣體、以及分解石蠟及重質原油形成物。
  16. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液 體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於一如下之系統中：該系統用於藉由由FD所產生之受控之內部衝擊波及剪切能量所達成之微粉末化來增強基於纖維質及水藻之生物燃料之生產以及其他有機基產品之生產，以達成更徹底且具能量效率之瞬時生產線上烹調(in-line cooking)，包括於低溫下啟動澱粉發酵且所需使用之添加劑減少。
  17. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於一如下之系統中：該系統利用一核反應器腔中之餘熱來保持冷卻劑之再循環，直至該反應器之溫度降至安全水準，以防止反應棒熔化，以及用於冷卻劑之再 循環。
  18. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於在一單次直通操作(single pass-through)中同時對乳、乳製品及其他液體或半液體消費品 進行巴氏殺菌及勻化。
  19. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力下饋送至一消費者；其中該設備係用於一如下之系統中：該系統用於藉由由該FD所產生之受控內部衝擊波及剪切能量而達成之微粉末 化而在麥芽汁加工、系統維護及能量節約中增強釀造生產，以達成更徹底之混合、具能量效率之同時生產線上烹調、在低溫下進行澱粉發酵、使用於操作後系統清潔抗菌所需之添加劑減少、與液體之氣化以及液體之除氣。
  20. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力 下饋送至一消費者；其中該設備係用於一利用高壓霧化、消毒混合、噴霧及精確之劑量控制能力來增強工業清潔、清洗、去污、防火控制及前置制程準備之系統中。
  21. 一種操作一利用熱能之設備之方法，該方法包含：於壓力下饋送至少一液體熱載體至一噴嘴內；以及饋送一冷態液體熱載體並混合該液體熱載體與該冷態液體熱載體；其中對該液體熱載體混合物之該液體流執行二種轉換其中之一，該等轉換包含：一第一轉換，包含使該熱載體混合物加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成一二相流，其後者被轉變至馬赫數大於1之狀態，然後一壓力改變而使該二相流之該後者轉變至該熱載體混合物之一亞音速液體流，並於該壓力改變期間加熱該熱載體混合物之該液體流；以及，一第二轉換，包含使該熱載體混合物之該液體流加速至一速度，該熱載體混合物或該混合物之該等熱載體至少其中之一於該速度下沸騰而形成該二相流，其後者轉變至馬赫數等於1之狀態，然後使該二相流減速，並藉此將該流轉換成具有蒸汽氣泡之熱載體混合物之液體流，且另外，藉由該流轉換，該熱載體混合物之該液體流被加熱；此後，以任意次序對該熱載體混合物之該液體流執行該二上述轉換，該熱載體混合物之該被加熱液體流於在一噴射設備中所獲得之壓力 下饋送至一消費者；其中該設備係用於在一系統中提供一所需混合物、一所需輸入壓力及一所需比率之空氣、燃料、水或添加劑至一引擎，以增強燃燒並減少排放物。
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