热力发动机的制作方法

热力发动机
1.相关申请
2.本技术是2021年5月6日提交的美国临时专利申请第63/184,928号的部分继续申请，本技术是2020年9月4日提交的美国临时专利申请第63/074,485号的部分继续申请，所述美国临时专利申请的内容均通过引用并入，如同在本文中完整阐述一样。
技术领域
3.本公开，在其一些实施方式中，涉及热力发动机，并且更具体地但不排他地涉及用于使用气体和流体的混合物来操作热力发动机的系统和方法。


背景技术：

4.其他背景技术包括：
5.varshay等人的专利号u.s.5,598,700；
6.alon gany发表在international journal of energetic materials and chemical propulsion,17(2):83
–
109(2018)中的题为“innovative concepts for high-speed underwater propulsion”的文章；以及
7.由nachum e.eisen和alon gany发表在j.mar.sci.eng.2020,8,8；doi:10.3390/jmse8010008中的题为“theoretical performance evaluation of a marine solid propellant water-breathing ramjet propulsor”的文章。
8.上文和整个本说明书中提及的所有参考文献的公开内容，以及那些参考文献中提及的所有参考文献的公开内容，均通过引用并入本文。


技术实现要素：

9.本公开，在其一些实施方式中，涉及外热式发动机，并且更具体地但不排他地涉及用于使用气体和流体的混合物来操作外热式发动机的系统和方法。
10.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种用于将热量转化为机械功的方法，所述方法包括：将以第一温度进入的传热流体(htf)提供给混合腔室；将以第二温度进入的压缩气体提供给所述混合腔室；使所述气体和所述传热流体能够混合，从而产生气体和传热流体混合物；使所述气体和传热流体混合物中的所述传热流体能够对所述气体进行加热并且使所述气体和传热流体混合物中的所述气体进行等温膨胀；对所述气体和传热流体混合物的体积进行限制，从而增加所述气体的压力并且导致所述气体和传热流体混合物的流动加速；使所述气体和传热流体混合物通过喷嘴喷出，从而将所述传热流体的热量转化为动能；以及使用所述动能来产生机械功。
11.根据本公开的一些实施方式，机械功用于对发电机进行驱动。
12.根据本公开的一些实施方式，机械功用于对压缩机进行驱动，所述压缩机用于对进入的所述压缩气体进行压缩。
13.根据本公开的一些实施方式，进入的htf的第一温度大于90摄氏度。
14.根据本公开的一些实施方式，进入气体的第二温度低于第一温度。
15.根据本公开的一些实施方式，提供进入的气体、提供进入的htf、以及使气体和htf混合物能够流过喷嘴包括：将进入的气体提供给多个混合腔室；将进入的传热流体提供给所述多个混合腔室；以及使所述气体和传热流体混合物能够流过多个喷嘴，以及利用所述多个喷嘴的运动来产生功。
16.根据本公开的一些实施方式，气体由htf进行准等容加热。
17.根据本公开的一些实施方式，气体由htf进行等容加热。
18.根据本公开的一些实施方式，通过对选自由以下各项组成的组的参数进行控制来控制产生所述动能：进入的压缩气体的压力、进入的气体的流速、进入的htf的流速、喷嘴的尺寸、和喷嘴的形状。
19.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了用于产生机械功的设备，所述设备包括热力发动机，该热力发动机包括：用于对传热流体(htf)进行接受的传热流体输入端口；用于将气体注入到传热流体中的气体注入端口；用于对所述气体和所述传热流体进行混合的腔室，从而产生气体和传热流体混合物；用于所述气体和传热流体混合物进行喷射的喷嘴；以及转子，其中所述热力发动机包括一个或更多个喷嘴，使得当所述气体和传热流体混合物通过所述一个或更多个喷嘴被喷出时，所述转子响应于喷出的所述气体和传热流体混合物而旋转，从而产生机械功。
20.根据本公开的一些实施方式，该设备包括多个热力发动机和多个喷嘴。
21.根据本公开的一些实施方式，转子包括多个臂。
22.根据本公开的一些实施方式，热力发动机被设计成在高于200摄氏度的温度下承受htf。
23.根据本公开的一些实施方式，热力发动机被设计成耐受包括熔盐的htf。
24.根据本公开的一些实施方式，热力发动机被设计成防止气体和htf混合物中的气穴现象。
25.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了对热力发动机进行操作的方法，所述方法包括：将传热流体(htf)提供给热力发动机；将气体提供给热力发动机；使气体和传热流体混合物中的气体进行等温膨胀，从而导致所述热力发动机内部的所述传热流体加速；以及使用经加速的所述传热流体来产生功。
26.根据本公开的一些实施方式，所述等温膨胀是准等温膨胀。
27.根据本公开的一些实施方式，在实现等温膨胀或准等温膨胀之前，引起气体的等容加热。
28.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括喷嘴。
29.根据本公开的一些实施方式，提供所述传热流体包括提供处于高于50摄氏度的温度下的传热流体。
30.根据本公开的一些实施方式，提供所述传热流体包括提供处于环境温度下的传热流体。
31.根据本公开的一些实施方式，将气体与htf混合包括提供处于高于环境压力的气体。
32.根据本公开的一些实施方式，将气体与htf混合包括提供处于高于环境温度下的
气体。
33.根据本公开的一些实施方式，将气体与htf混合包括提供处于环境温度的气体。
34.根据本公开的一些实施方式，将气体与htf混合包括提供高于环境温度的气体。
35.根据本公开的一些实施方式，所产生的功用于对气体加压。
36.根据本公开的一些实施方式，离开热力发动机的热气体用于对htf加热。
37.根据本公开的一些实施方式，离开热力发动机的热气体用于对额外的热力发动机进行驱动。
38.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种热力发动机，所述热力发动机包括：用于传热流体(htf)的输入部；用于将气体注入到所述传热流体中的气体喷射器；用于气体和传热流体混合物中气体进行等温膨胀从而导致热力发动机内部传热流体加速的部分；以及所述气体和传热流体混合物的输出部。
39.根据本公开的一些实施方式，包括用于对所述气体和传热流体混合物中的气体进行等容加热的部分。
40.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括所述热力发动机的用于所述气体的等温膨胀的逐渐变窄的部分。
41.根据本公开的一些实施方式，所述热力发动机包括所述热力发动机的用于对所述气体进行等容加热的部分。
42.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括供htf流过的喷嘴。
43.根据本公开的一些实施方式，所述发动机机械地连接以提供用于将加压气体提供给所述气体喷射器的动力。
44.根据本公开的一些实施方式，所述发动机被连接以产生电力来为加压气体提供动力，从而将加压气体提供给所述气体喷射器。
45.根据本公开的一些实施方式的一个方面，提供了一种产生旋转动力的方法，该方法包括：将根据权利要求30-35中的任一项所述的热力发动机安装在至少一个转子臂上；以及向所述热力发动机提供流体和加压气体以使所述转子臂旋转。
46.根据本公开的一些实施方式，提供流体包括提供温度高于环境温度的加热的流体。
47.根据本公开的一些实施方式，提供加压气体包括：提供加压气体并且在距所述转子臂的旋转轴线的如下径向距离处将所述加压气体注入到所述流体中：所述径向距离小于喷嘴的径向距离。
48.根据本公开的一些实施方式，提供加压气体包括：提供加压气体并在流体输入到喷嘴之前的位置处将加压气体注入到流体中。
49.根据本公开的一些实施方式，将所述加压气体注入到所述流体中的所述位置被选择为处于以下位置：在所述位置中不阻止沿着所述臂向外流动的流体流将传热流体从传热流体源吸入到所述臂中。
50.根据本公开的一些实施方式，用于将加压气体注入到流体中的位置被选择为处于以下位置：在所述位置中沿着臂向外流动的htf将气体拖向喷嘴。
51.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种对热力发动机进行操作的方法，该方法包括：将处于第一温度和第一压力下的气体提供给加热腔室；通过来自传热流体
(htf)的传热将所述加热腔室中的所述气体等容加热至比所述第一温度高的第二温度，从而将所述气体压力增加至比所述第一压力高的第二压力；将被加热且加压的所述气体提供到包括传热流体的压力腔室中；以及使用所述压力产生传热流体流来对发动机进行操作。
52.根据本公开的一些实施方式，包括在所述压力腔室中对所述传热流体和被加热且加压的所述气体进行混合。
53.根据本公开的一些实施方式，包括收集从发动机排出的htf并将收集的htf提供回压力腔室。
54.根据本公开的一些实施方式，通过使用选自由以下各者组成的组中的热源来对所述传热流体进行加热：太阳能板、聚光太阳能接收器、地热热源、电加热器、化学放热反应、机械摩擦、和废热。
55.根据本公开的一些实施方式，所述发动机提供能量以将处于环境压力的气体压缩到处于第一压力的气体腔室中，并且将处于第一温度和第一压力下的气体提供到加热腔室包括从所述传热流体腔室进行提供。
56.根据本公开的一些实施方式，htf包括选自由水、油、熔盐和熔融金属组成的组的流体。
57.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种用于将热量转化为机械功的方法，所述方法包括：将进入的传热流体(htf)提供给混合腔室；将进入的压缩气体提供给所述混合腔室；使所述气体和所述传热流体能够混合，从而产生气体和传热流体混合物；使所述气体和传热流体混合物中的所述气体能够进行等温膨胀，从而减小所述气体的压力并且导致所述气体和传热流体混合物的流动加速；使所述气体和传热流体混合物通过喷嘴喷出，从而将所述传热流体的热量转化为动能；以及使用所述动能来产生电。
58.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种连续等温压缩的方法，所述方法包括：将传热流体(htf)提供到传热流体流管道的传热流体输入部；使所述管道旋转，从而在所述传热流体上引起离心力，以从所述输入部流向第二、更远端的径向位置；将气体提供给所述管道的气体输入部，从而对所述气体和所述传热流体进行混合，其中随着所述气体沿着所述管道流动，由所述管道的旋转引起的增加的离心力导致气体被压缩；以及通过将压缩的热量传递给所述传热流体，使所述气体在压缩过程中保持温度。
59.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种系统，所述系统包括：加热腔室，所述加热腔室包含处于第一温度和第一压力下的气体；加热器，所述加热器用于对所述气体进行加热，从而使气体温度和气体压力增加；压力腔室，所述压力腔室布置成接受被加热和加压的所述气体，包含传热流体(htf)，所述压力腔室包括：用于将所述传热流体与所述气体进行混合的混合元件；以及开口，所述开口用于使所述传热流体以伴随所述气体的等温膨胀的加速的速度离开；以及发动机，所述发动机布置成对经加速的所述传热流体进行接受并且产生功。
60.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种用于对热力发动机进行操作的方法，该方法包括：向热力发动机的输入部分提供传热流体(htf)；在热力发动机的输入部分下游的注入部分中将气体与htf混合，使气体和htf混合物中的气体等温膨胀，从而导致热力发动机内部的htf加速，并使用经加速的htf做功。
61.根据本公开的一些实施方式，在实现等温膨胀之前，引起气体的等容加热。
62.根据本公开的一些实施方式，在实现气体的等容加热之前，引起气体的等温压缩。
63.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括喷嘴。
64.根据本公开的一些实施方式，提供htf包括提供大于0摄氏度的温度下的htf。
65.根据本公开的一些实施方式，提供htf包括提供大于50摄氏度的温度下的htf。
66.根据本公开的一些实施方式，提供htf包括提供大于250摄氏度的温度下的htf。
67.根据本公开的一些实施方式，将气体与htf混合包括提供高于环境压力的气体。
68.根据本公开的一些实施方式，将气体与htf混合包括提供高于环境温度的气体。
69.根据本公开的一些实施方式，所产生的功用于对气体加压。
70.根据本公开的一些实施方式，所产生的功包括发电。
71.根据本公开的一些实施方式，产生的功包括产生机械功。
72.根据本公开的一些实施方式的一个方面，提供了一种热力发动机，热力发动机包括：用于传热流体(htf)的输入部；用于将气体注入到htf中的气体喷射器；用于气体和htf混合物中的气体等温膨胀以导致热力发动机内部的htf加速的部分：以及气体和htf混合物的输出部。
73.根据本公开的一些实施方式，包括用于对气体和htf混合物中的气体进行等容加热的部分。
74.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括热力发动机的用于气体的等温膨胀的逐渐变窄的部分。
75.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括热力发动机的用于气体的等容加热的部分。
76.根据本公开的一些实施方式，热力发动机包括供htf流过的喷嘴。
77.根据本公开的一些实施方式，包括用于加热的htf的源。
78.根据本公开的一些实施方式，包括用于加压气体的源。
79.根据本公开的一些实施方式，发动机被机械地连接以提供动力以将加压气体提供给气体喷射器。
80.根据本公开的一些实施方式的一个方面，提供了一种产生旋转动力的方法，该方法包括将喷嘴安装在至少一个转子臂上，以及向喷嘴提供流体和加压气体以使转子臂旋转。
81.根据本公开的一些实施方式，提供加热流体包括提供温度高于环境温度的加热流体。
82.根据本公开的一些实施方式，提供加压气体包括：提供加压气体并且在距转子臂的旋转轴线的如下径向距离处将加压气体注入流体中：该径向距离小于喷嘴的径向距离。
83.根据本公开的一些实施方式，提供加压气体包括：提供加压气体并且在流体输入到喷嘴的位置之前的位置处将加压气体注入到流体中。
84.根据本公开的一些实施方式，用于将加压气体注入到流体中的位置选择为不阻止沿臂向外流动的流体流将htf从htf源吸入到臂中。
85.根据本公开的一些实施方式，用于将加压气体注入到流体中的位置被选择为处于以下位置：在所述位置中沿着臂向外流动的htf将气体拖向喷嘴。
86.根据本公开的一些实施方式的一方面，提供了一种对热力发动机进行操作的方
法，该方法包括：将处于第一温度和第一压力下的气体提供给加热腔室；通过来自传热流体(htf)的传热将所述加热腔室中的所述气体等容加热至比所述第一温度高的第二温度，从而将所述气体压力增加至比所述第一压力高的第二压力；将被加热且加压的所述气体提供到包括传热流体的压力腔室中；以及使用所述压力产生传热流体流来对发动机进行操作。
87.根据本公开的一些实施方式，包括在所述压力腔室中对所述传热流体和被加热和加压的所述气体进行混合。
88.根据本公开的一些实施方式，包括将所述传热流体和被加热和加压的所述气体存储在压力腔室中。
89.根据本公开的一些实施方式，发动机包括涡轮机(涡轮，turbine)。
90.根据本公开的一些实施方式，包括收集从发动机排出的htf并且将收集的htf提供回压力腔室。
91.根据本公开的一些实施方式，包括通过使用选自太阳能电池板、聚光太阳能接收器、地热热源、电加热器、化学放热反应、机械摩擦、和废热组成的组的热源对htf进行加热。
92.根据本公开的一些实施方式，发动机提供能量以将处于环境压力下的气体压缩到处于第一压力的加热腔室中。
93.根据本公开的一些实施方式，发动机提供能量以将处于环境压力的气体压缩到处于第一压力的气体腔室中，并且将处于第一温度和第一压力的气体提供到加热腔室包括从htf腔室进行提供。
94.根据本公开的一些实施方式，气体是空气。
95.根据本公开的一些实施方式，气体是氮气。
96.根据本公开的一些实施方式，htf包括选自由水、油、熔盐和熔融金属组成的组的流体。
97.根据本公开的一些实施方式，第二温度高于370开氏度。
98.根据本公开的一些实施方式的一个方面，提供了一种系统，该系统包括：加热腔室，所述加热腔室包含处于第一温度和第一压力下的气体；加热器，所述加热器用于对所述气体进行加热，从而使气体温度和气体压力增加；压力腔室，所述压力腔室布置成接受被加热和加压的所述气体，包含传热流体(htf)，所述压力腔室包括：用于将所述传热流体与所述气体进行混合的混合元件；以及开口，所述开口用于使所述传热流体以伴随所述气体的等温膨胀的加速的速度离开；以及发动机，所述发动机布置成对经加速的所述传热流体进行接受并且产生功。
99.根据本公开的一些实施方式，还包括用于在压力腔室中对加压气体和htf进行混合的混合器。
100.根据本公开的一些实施方式，还包括用于对离开发动机的htf进行收集的htf腔室。
101.根据本公开的一些实施方式，还包括用于将收集的htf泵送至压力腔室的泵。
102.根据本公开的一些实施方式，还包括用于对从htf腔室泵送至压力腔室的htf进行加热的热源。
103.根据本公开的一些实施方式，热源包括选自由太阳能电池板、聚光太阳能接收器、电加热器、化学放热反应、机械摩擦、地热和废热组成的组的热源。
104.根据本公开的一些实施方式，发动机包含涡轮机。
105.根据本公开的一些实施方式，发动机产生电力。
106.根据本公开的一些实施方式，发动机产生机械功。
107.根据本公开的一些实施方式，发动机压缩气体。
108.根据本公开的一些实施方式，包括如下发动机：该发动机提供电力并连接到用于对加热腔室中的气体加压的泵。
109.根据本公开的一些实施方式，还包括气体腔室，用于在将处于第一温度和第一压力的气体提供给加热腔室之前对处于第一温度和第一压力的气体进行存储。
110.根据本公开的一些实施方式，包括发动机通过连接到用于对气体腔室中的气体加压的泵来提供电力。
111.根据本发明的一些实施方式，发动机机械地连接以对用于对气体腔室中的气体进行加压的泵进行驱动。
112.根据本公开的一些实施方式，包括连接到气体腔室的附加腔室，以用于对来自气体腔室的加压气体进行储存。
113.除非另有定义，本文使用的所有技术和/或科学术语具有与本公开所属领域的普通技术人员普遍理解的相同含义。尽管与本文描述的那些相似或等同的方法和材料可用于实践或测试本公开的实施方式，但示例性方法和/或材料在下文描述。在发生冲突的情况下，以专利说明书(包括定义)为准。此外，材料、方法和实施方式仅是说明性的，并不一定是限制性的。
114.附图的各个视图的简要说明
115.在此仅通过示例并参考附图描述了本公开的一些实施方式。现在详细地具体参考附图，强调所示的细节是通过示例的方式并且出于对本公开的实施方式的说明性讨论的目的。在这点上，结合附图的描述使本领域的技术人员清楚可以如何实践本公开的实施方式。
116.在附图中：
117.图1a是根据示例实施方式的方法的简化流程图图示；
118.图1b是根据示例实施方式的方法的简化流程图图示；
119.图1c是根据示例实施方式的热力发动机的简化框图图示；
120.图1d是根据示例实施方式的热力发动机的简化框图图示；
121.图1e是示例实施方式的简化图示；
122.图2示出了示例性实施方式的p-v图和t-s图；
123.图3是示例实施方式的简化图示；
124.图4a是根据示例性实施方式的用于通过产生真空将热转化为功的系统的简化图示；
125.图4b是根据示例性实施方式的能量产生系统中使用的热力发动机的简化图示；
126.图4c是根据示例性实施方式使用用于对加热的流体和气体进行混合的腔室的简化图示；
127.图4d是根据示例实施方式使用两个腔室的简化图示；
128.图4e是根据示例性实施方式的用于对加热的流体和气体进行混合的腔室的使用的简化图示；
129.图4f是根据示例实施方式使用两个腔室的简化图示；
130.图5是根据示例性实施方式使用喷嘴作为热力发动机的简化图示；
131.图6是根据示例实施方式的用于能量产生设置的示例实施方式热力发动机的简化图示；
132.图7a-图7d是根据示例实施方式的类似喷气发动机构造的热力发动机的简化图示；
133.图8a是根据示例实施方式的类似多喷气发动机构造的设备的简化图示；
134.图8b和图8c是根据示例性实施方式的反应(reaction)装置的简化图；
135.图9是根据示例性实施方式的处于组合的反应和脉冲构造中的热力发动机涡轮的简化图示；
136.图10a是根据示例性实施方式的用于连续等温气体压缩的装置的简化图示；
137.图10b是根据示例性实施方式的用于连续等温气体压缩的装置的简化图示；
138.图11是根据示例实施方式的使用热力发动机和压缩空气发生器的组合的能量产生系统的简化图示；
139.图12a和图12b是根据示例实施方式的添加和未添加空气或气体的水射流的照片；
140.图13是根据示例实施方式的方法的简化流程图图示；以及
141.图14是根据示例实施方式的系统的简化图示。
具体实施方式
142.本公开，在其一些实施方式中，涉及热力发动机，并且更具体地但不排他地涉及用于使用气体和流体的混合物来使热力发动机共作的系统和方法。
143.概述
144.一些实施方式的一方面涉及对两种材料——具有高热容量的第一材料和具有用于将高热容量材料的热能转化为机械能的一个或更多个特性的第二材料——进行混合。
145.在一些实施方式中，用于将高热容量材料的热能转化为机械能的特性是第二材料的可压缩性。
146.两种这样的材料的非限制性示例包括作为第一材料的液体和作为第二材料的气体。液体通常具有比气体大的热容量。气体是可压缩的，而液体通常是不可压缩的。
147.当液体和气体混合时，特别是当气体以许多气泡的形式被混合到液体中时，液体与气体之间可以进行热交换。
148.作为非限制性示例，当液体比气体热时，气体将加热。当加热发生在封闭腔室中时，气体加热到液体的温度，液体的温度变化很小，因为气体具有的热容量低于液体。随着气体被加热，气体的压力增加。气体和液体混合物现在具有可以使用的机械能。
149.在一些实施方式中，液体或流体最初是否比气体热并不重要。压缩空气可以在与压缩空气相同的温度下被注入到液体或流体中。由于流体的较高热容量，液体或流体将气体和流体混合物保持在与流体的初始温度大致相同的温度，即使在气体膨胀期间也是如此。流体确保气体不会因膨胀而冷却。
150.在一些实施方式中，包含有气体和液体混合物的腔室是封闭腔室。在一些实施方式中，当需要使用机械能时，可选地打开封闭腔室。
151.在一些实施方式中，腔室可以包括开口。气体可以通过一个或更多个气体入口被连续地提供给腔室，并且液体可以通过一个或更多个液体入口被连续地提供给腔室，并且气体和液体混合物可以通过一个或更多个出口或喷嘴被连续地喷射。
152.在一些实施方式中，第一材料的特性是高热容量、或比第二材料高的热容量。
153.在一些实施方式中，第二材料的特性是它是可压缩的。
154.在一些实施方式中，第二材料的特性是低热容量、或比第一材料低的热容量。
155.在一些实施方式中，第一材料的特性是不可压缩性或非常低的可压缩性。
156.在一些实施方式中，第二材料的特性是它不溶解到第一材料中。
157.在一些实施方式中，第二材料的特性是它很难溶解到第一材料中，例如在诸如热力发动机的温度和压力的工作条件下，少于百分之十的第二材料能够溶解到第一材料中。
158.一些实施方式的一方面涉及在外热发动机中对流体和气体进行混合。气体在气体和流体混合物中提供可压缩和/或可膨胀的成分，而流体提供比气体热容量高得多的成分。
159.在一些实施方式中，流体比气体热，并且流体加热气体。
160.在一些实施方式中，体积保持恒定或近似恒定，因此对气体进行加热的流体导致压力增加。
161.在一些实施方式中，温度保持恒定或近似恒定，因此对气体进行加热的流体引起膨胀，并且气体使气体和流体混合物的流动加速。
162.在一些实施方式中，气体和流体混合物被压缩，从而基本上等温地增加压力，因为气体的压缩不提供足够的热量来显著地对流体进行加热。
163.一些实施方式的一方面涉及在热力发动机中对流体和气体进行混合，并使气体等温膨胀，从而导致流体加速，并且使用经加速的流体来产生功。
164.本技术中的各个附图描述了各个方面，如下所述：
165.图1a-图1d示出了根据示例实施方式的热力发动机的方法和框图，并且图2使用通常用于描述热力学系统的图表描述了该方法。
166.图1e、图3和图4a-图4f图示了使用实施方式过程来产生能量，并且可选地结合能量存储系统来产生能量。
167.图5和图6示出了使用热力发动机实施方式来产生能量，并且可选地结合能量存储系统来产生能量。
168.图7a-图7d、图8a-图8c和图9图示了使用热力发动机实施方式来产生能量。
169.图10a和图10b图示了使用一个或更多个旋转臂从而等温或近似等温地连续压缩气体。这种压缩可以可选地用作压缩气体的来源以用于各种用途，包括一种或多种热力发动机和产生上述附图中描述的能量的过程。
170.图11示出如图10a和图10b所示的压缩机和如图7a-图7d、图8a-图8c和图9所示的热力发动机一起工作以产生能量。
171.许多发动机通过对气体进行压缩来工作——这会增加气体压力，然后对气体进行加热——这会进一步增加气体压力。压缩和加热增加了气体的能量含量。然后，此类发动机通过让经加热的压缩气体膨胀来使用集中的能量，从而产生功。
172.但是，气体的热容量不如液体的热容量大。
173.此外，当气体膨胀时，它会冷却并失去能量。
174.贯穿本说明书和权利要求书的其所有语法形式的术语“空气”与术语“气体”及其对应的语法形式可互换使用。
175.贯穿整个本说明书和权利要求书以其所有语法形式使用的“示例”和“例如”，与“非限制性示例”及其对应的语法形式的使用可互换。
176.在一些实施方式中，如图7a-图7d、图8a-图8c、图9和图14中所述的热力发动机可选地连续使用，被进给有来自诸如参考图1e、图3、图4a-图4f、图5和图6描述的源和/或腔室的压缩气体。这与用压缩空气对腔室进行充注的系统形成对比，当腔室中的压力用完时，停止从上述源对腔室进行再充注。
177.在一些实施方式中，使用本文描述的方法，其中气体与液体一起使用，可能地提供了气体几乎等温膨胀的优点。
178.在一些实施方式中，使用本文描述的方法，其中气体与流体一起使用，在流体比气体更不易膨胀的意义上，通过非限制性示例液体，可能地提供了气体几乎等温膨胀的优点。
179.术语等温，以其所有语法形式，在本说明书和权利要求中使用是指气体-流体混合物的冷却比在没有流体的温度稳定作用的情况下的冷却少得多。
180.要注意的是，如果没有流体的温度稳定作用，气体的膨胀将是绝热膨胀或等熵膨胀。
181.在一些实施方式中，气体被等容地加热。
182.等容过程，也称为恒容过程、定容过程或等体过程，是一种热力学过程，在该过程中，经历此类过程的封闭系统的体积保持不变。
183.当气体被等容加热时，加热导致压力增加，因为气体不膨胀。值得注意的是，如果气体膨胀，将导致一些冷却，或一些热量的损失。
184.在一些实施方式中，这里描述了一种热力发动机，该热力发动机使用等温膨胀来从气体膨胀中获取更多的功。
185.在一些实施方式中，这里描述等容加热，等容加热在加热气体时比非等容过程保留更多功。
186.在一些实施方式中，等容加热用于加热气体，并且等温膨胀用于产生功。
187.在一些实施方式中，气体-流体混合物用于产生功，这可能受益于上述气体过程的好处，并且将动能赋予给流体，这可以很好地作用于某些类型的发动机，例如涡轮机，它利用气体或液体的动能来引起旋转。
188.可能地比单独的气体密度更大的流体和气体的混合物可能会为涡轮叶片提供更多动量。
189.一些实施方式的一个方面涉及一种热力发动机，该热力发动机可能受益于上述气体过程的好处，并产生动能。
190.在一些实施方式中，动能用于使发电机旋转并为发电机提供动力。
191.在一些实施方式中，动能用于使机械装置旋转和为机械装置提供动力。
192.在一些实施方式中，作为非限制性示例，通过以下方式，动能被用于反馈到热力发动机中：
193.使用于将加压气体泵入发动机的轴旋转。加压气体的能量加上由流体添加的热能可以提供相对于用于对气体进行加压的能量的过量能量。
194.提供电力来操作泵以将加压气体提供到发动机中。加压气体的能量加上由流体添加的热能可以提供相对于用于对气体进行加压的能量的过量能量。
195.一些实施方式的一方面涉及对发动机中热流体和气体的混合物中的流体液滴的尺寸进行选择和控制，以便在混合物通过发动机期间保持流体加热气体。
196.在一些实施方式中，通过确定孔的直径来控制流体液滴的尺寸，热流体通过该孔被喷射到发动机中。在一些实施方式中，所选择的孔的直径可选地考虑了流体在所需温度下的表面张力，以产生所需尺寸的液滴。
197.一些实施方式的一方面涉及使用来自诸如太阳能和/或废热和/或地热的热源的热量来操作热力发动机。
198.上述对从经压缩和/或加热的气体与流体混合产生功的改进适用于使用来自各种来源的热量，包括来自工业过程的废热和来自太阳能装置、例如聚光太阳能装置以及例如热太阳能电池板的废热。
199.一些实施方式的一方面涉及以诸如压缩气体或热量的形式存储能量，并且以可能受益于上述气体过程的好处的方式释放所存储的能量。
200.在一些实施方式中，以比先前更有效的方式释放所储存的能量。
201.使功输出连续
202.应注意，用于包含流体和气体的腔室是参考本文的各种实施方式描述的。腔室通常在其开口处包括阀，并且阀通常被操作以打开并允许流体或气体或压缩气体进入，并且关闭以允许过程在腔室内发生而不允许流体或气体在过程期间离开腔室。
203.例如，在一些腔室中执行被描述为等容加热的过程。等容或恒定体积加热是在腔室关闭的情况下进行的，不允许流体或气体离开腔室，从而保持体积恒定。
204.应注意，本文所述的腔室可在过程的一个阶段关闭，而在另一阶段打开。在一些实施方式中，为了产生能量而不停止腔室以完成过程的一个阶段，两个或更多个腔室可以用于执行相同的过程，并且当一个腔室关闭并且不提供流体和气体来做功时，另一腔室可以打开并提供流体和气体来做功，从而提供更连续的功输出。
205.发动机类型
206.各种发动机可以通过本文所述的方法获得的流体和气体中的气体膨胀来提供动力。所有此类发动机旨在包括在本文所述的实施方式的变型中，作为一些非限制性示例包括：涡轮机、卡普兰设计涡轮机、佩尔顿轮、水电涡轮机、高温导热油(thermal oil)涡轮机、冲压喷气发动机、以及喷气发动机。
207.热源
208.各种热源可以使用本文描述的方法向流体和气体提供热量。所有此类热源旨在包括在本文所述的实施方式的变型中，作为一些非限制性示例包括：太阳能；集中太阳能；地热；来自工业过程的废热；和来自化石燃料的热量。
209.我们不知道高效发动机，例如效率大于33％，容量低于20mw，温度低于850k，例如用于太阳能领域。存在诸如汽轮机等高效热力发动机，但其容量大于20兆瓦，需要巨大的能源或太阳能场，投资巨大。小型汽轮机(《1mw)的效率通常低于20％。
210.小型高效发动机可能允许使用分布式集中太阳能，其中规模经济可以将成本降低到类似于光伏发电，低于3美分/千瓦时，根据国家可再生能源实验室(nrel)的sunshot计
划，这将打开到2050年、在美国太阳能占50％的路径，而今天太阳能占10％。
211.当今的小型热力发动机，如斯特林发动机、蒸汽涡轮发动机和燃气轮机，在850k时通常效率低下(效率低于25％)，而且通常很昂贵。
212.对于诸如小于3兆瓦的小容量，没有已知的具有成本效益的发动机，例如成本低于750美元/kw。
213.根据本文所述的一些实施方式的热力发动机的潜在益处是热力发动机可以比现有发动机更具成本效益，直到至少15mw的容量。
214.根据本文所述的一些实施方式的热力发动机的潜在益处是在发动机中除了气体之外还使用流体可以潜在地将发动机的尺寸减小多达3个数量级。
215.在一些太阳能系统中，太阳能在大约850k的典型温度下转化为热能，此时的能量密度与化石燃料的能量密度相比较低。已知的热力发动机通常依靠气体运行，其中气体扮演两个角色：1)进行膨胀和压缩的热力学功。2)将能量带入发动机。由于气体的单位体积热容量相对较差，因此它们在发动机中的膨胀会导致温度降低。这与卡诺描述的气体膨胀应等温发生的理想发动机形成对比。这种与理想卡诺发动机的偏差导致效率降低。
216.一些实施方式的一个方面涉及热力发动机，其中传热流体在热力学膨胀和压缩期间向发动机内部的气体供应热，从而导致等温或接近等温的膨胀和压缩，并提高效率。
217.术语卡诺发动机描述了理论上最有效的工作，可以通过等温压缩和等温膨胀在恒定温度下由泵和涡轮机完成。
218.现在参考图1a，图1a是根据示例实施方式的方法的简化流程图图示。
219.图1a旨在示出热过程，热过程可能从压缩气体中提取比气体膨胀不是等温时提取的功更多的功。
220.图1a所示的方法包括：
221.提供流体(140)；
222.提供气体(141)；
223.对气体和流体进行组合(143)；
224.使气体和流体进行等温膨胀(147)，
225.从而产生功(148)。
226.在一些实施方式中，该方法包括在等温膨胀(147)之前对气体进行等容加热。
227.现在参考图1b，图1b是根据示例实施方式的方法的简化流程图图示。
228.图1b旨在显示热过程，该热过程可能从压缩气体中提取比气体加热不是等容时提取的功更多的功。
229.图1b还示出了一个可选的等温膨胀阶段，如果膨胀不是等温的，它可能从压缩气体中提取更多的功。
230.图1b所示的方法包括：
231.提供热流体(160)；
232.提供气体(161)；
233.对气体和流体进行组合(163)；
234.进行等容加热(165)；
235.使气体能够进行膨胀(167)，
236.从而产生功(168)。
237.在一些实施方式中，使气体能够进行膨胀(167)包括使气体能够进行等温膨胀。
238.现在参考图1c，图1c是根据示例实施方式的热力发动机的简化框图图示。
239.图1c旨在示出通用的热力发动机，其中对加压气体和流体进行组合且并产生功。
240.在图1c的热力发动机中，加压气体150和流体151在组合器152中进行组合。
241.加压气体膨胀，近乎等温膨胀153，或接近等温膨胀，并且还对流体进行加速。
242.由于单位体积流体的热容量远大于单位体积气体的热容量，因此气体和流体组合的温度变化不会像没有流体存在只有气体膨胀时那么多。
243.产生的功可能受益于加速流体的质量，加速流体的质量通常大于气体的质量。
244.现在参考图1d，图1d是根据示例实施方式的热力发动机的简化框图图示。
245.图1d旨在示出通用的热力发动机，其中气体和加热的流体组合在一起，并产生功。
246.在图1d的热力发动机中，气体155和加热的流体156在组合器157中组合。
247.在不允许气体膨胀的容积158中，气体通过来自流体的热传递而升温。加热是等容加热，或接近等容加热。
248.等容过程，也称为恒容过程、定容过程或等体过程，是一种热力学过程，在该过程中，经历此类过程的封闭系统的体积保持不变。
249.在一些实施方式中，因为流体的热容量比气体的热容量大得多，所以气体和流体组合的温度不会变化很大。
250.在等容加热之后，允许加压气体膨胀，近乎等温膨胀159，或接近等温膨胀，并且还对流体进行加速。
251.产生的功可能受益于加速流体的质量，加速流体的质量通常大于气体的质量。
252.可以实现等温压缩或接近等温压缩，以及等温膨胀或接近等温膨胀。100％等温功容量为：pvlan(p/p0)焦耳。通过在对气体进行压缩或使气体膨胀时将流体与气体混合，我们将流体的热质量添加到气体中，并且实现50％到接近100％的等温压缩和膨胀。流体可选地在50摄氏度和更高、100摄氏度和更高、350摄氏度和更高的温度下被压缩和/或膨胀，并且在高达非常高温的传热流体(htf)上保持气体温度在大约750摄氏度和更高达1500摄氏度。气体的基本等温压缩和膨胀是通过在等温过程中液体和气体在腔室中的混合来执行的。液体的高热容量使气体保持近似恒定的温度。例如，将空气作为气泡注入水中或用水喷洒空气是增加空气与水之间的表面积以实现空气的等温膨胀和压缩的两种有效方法。液体可以是传热流体，可选地处于高温。作为一些非限制性示例，在700k下的油或在830k或更高的熔盐。
253.恒定温度下的大腔室有可能实现压力的缓慢变化，这有可能实现高效的等温过程。气泡或液滴在流体与气体之间的热传递非常高，有可能实现等温过程。流体中的气泡或气体中的液滴的高传热系数能够作为快速过程实现等温膨胀。例如，初始尺寸为1mm的液滴可以等温地在1秒内膨胀10倍。
254.本文描述了受益于等温过程的特性的热力发动机的各种示例。
255.一些示例的方面涉及太阳能的储存和转换，以及废热到电的转换。
256.一些示例的方面涉及使用与气体混合的高温不可压缩流体(例如熔盐或导热油)以使气体在高温下等温膨胀以产生功。
257.一些实施方式的一方面涉及发电。加压水驱动发电机的水力涡轮机的典型效率为90％，并且是最高效且最具成本效益的能量转换器中的一些。
258.水电储能将水泵送到高海拔地区，然后用于发电，电能效率约为70％-80％，被认为是一种高效的储能方法。
259.本文描述了使用腔室的储能实施方式，其中高度势能(高度差)被压力和温度差代替。在这样的示例存储系统中，水或一些其他流体被水电泵从低压腔室泵送到高压腔室中。高压腔室在封闭的腔室内有空气或一些其他可压缩气体。在一些实施方式中，空气被绝热地(等熵)压缩，并且空气的压缩也使空气升温，因此经加热的压缩空气以热量和压力的形式储存能量。在一些实施方式中，空气被压缩并从热源(例如太阳能、废热、地热源)额外加热以及仅通过压缩加热，并且经加热的压缩空气以热和压力的形式储存能量。在排放阶段，水通过水轮机从高压腔室流向低压腔室，从而对能量进行回收。在电力方面，这样的系统回收了大部分电能。此类系统报告的往返效率约为70％-80％。
260.在详细解释本公开的至少一个实施方式之前，应当理解，本公开在其应用方面不一定限于以下描述和/或在附图和/或示例中说明的构造的细节和/或部件和/或方法的布置结构。本公开能够以其他实施方式或以各种方式实践或执行。
261.在高温和高压下使用大腔室的示例性实施方式方法和系统
262.现在参考图1e，图1e是示例实施方式的简化图示。
263.图1e描绘了如下系统：包括低压腔室14、高压腔室23、泵110和涡轮机112，用于使用热能对空气加压，以通过涡轮机112转换为电能。
264.作为一般示例，考虑图1e中描绘的水电储能系统，包括处于环境压力和环境温度下的第一腔室1。作为非限制性示例，第一腔室1可以是50立方米的罐，至少部分地填充有流体114，压力为1巴并且温度为300k。第一腔室1通过泵110连接到第二腔室2，第二腔室2至少部分地填充有气体116，例如空气。
265.对泵110进行驱动将对气体116进行压缩的流体114泵送至第二腔室116中，可选地等温地泵送至第二腔室116中。泵送的流体被示为第二腔室116中的流体122。
266.加压空气可选地从第二腔室116充注到腔室5并且可以在压力下储存在腔室(一个或更多个)6中。
267.在一些实施方式中，腔室6中的等温压缩可以向环境释放热量，如箭头121所示。
268.沿相反方向将压力从腔室6排放到第二腔室2中，该第二腔室至少部分地填充有流体122，例如水122，可驱动水轮机(未图示)发电(图中未包括)。
269.储存高压气体并随后提供给涡轮机可用于转换成电能。
270.在一些实施方式中，第三腔室3包含处于高温下的液体124。例如，处于850
°
k下的熔盐，或处于700
°
k下的导热油，或处于略低于其沸点的温度下的、处于压力下的水。
271.涡轮机112——在一些实施方式中是耐化学腐蚀且设计成用于工作液体和温度的涡轮机——用作水电涡轮机以通过将流动转化为旋转转化为电力来发电。涡轮机112连接到第三腔室3，并且连接到低压、例如环境压力或1巴下的第四腔室4。
272.对于涡轮机112，这种设计可以使用弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、冲击式涡轮机、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计，并且在一些实施方式中使用通常用于熔盐和/或高温导热油泵的材料。
273.在一些实施方式中，涡轮机112产生的电力可用于操作泵110。
274.在一些实施方式中，涡轮机112可选地通过轴126直接连接到泵110或通过齿轮连接到泵110以控制泵110的流速。当第三腔室3处的压力增加时产生功，并且轴126对泵110进行驱动。
275.作为一些非限制性示例，图1e中描绘的系统的示例操作条件可能包括：
276.将第一腔室1中处于室温和/或环境压力的水——在此称为状态1——泵入第二腔室2，第二腔室2可以完全或部分带有空气116，等温压缩空气至高于环境压力，例如至于40bar、100bar、300bar或其他值，在此称为状态2。
277.在一些实施方式中，第二腔室2中的水喷雾或第二腔室2中的气泡循环同时压力增加可选地能够保持等温或接近等温压缩。
278.在一些实施方式中，只要水的热容量显着大于压缩空气的热容量，就保持等温压缩。这些条件可选地使用足够量的水来实现。
279.水通过从第二腔室2的空气管道将空气压缩进入腔室5、6。
280.在一些实施方式中，腔室5可选地小于腔室6，在一些情况下以由操作温度限定的比率。
281.在一些实施方式中，腔室5可选地用于驱动涡轮机112，而腔室6用于存储额外的压缩空气，这些压缩空气稍后可用于驱动涡轮机112以在第二腔室2与第二腔室1之间发电。
282.在一些实施方式中，在腔室5和/或6中喷射水可以用于对压缩空气进行冷却，以实现等温压缩。
283.在一些实施方式中，腔室5具有加热管道的入口，其中熔盐流可选地使温度升高。当温度升高且腔室5密封时，压力升高。对于300k下的40bar，在850k下达到113bar的压力，在此称为状态3。
284.在状态3，第三腔室3可选地部分填充有熔盐。在第三腔室3与腔室5之间打开气流将第三腔室3处的压力增加到113bar，可选地不产生流动。
285.当在第三腔室3与第四腔室4之间能够流动时，产生功，并且在一些实施方式中，轴126旋转。在第四腔室4中，空气等温膨胀至环境压力，达到称为状态4的状态。
286.在一些实施方式中，空气的等温膨胀是通过在第三腔室3中喷射熔盐或循环气泡来实现的。
287.可选地，可以通过将初始较低压力插入腔室3来避免高压。例如，300k时的初始15bar在850k时达到42.5bar，或者任何其他压力，只要产生所需的能量转换即可。下面计算数值示例。
288.113bar情况的数值示例：
289.第一腔室1和第二腔室12各具有50立方米的尺寸。压力为1巴的空气体积被压缩到第二腔室2中，在本示例中，压缩到压力为40巴的1.25立方米的空气体积。室温下的这种等温压缩空气被捕获在腔室5 6中。当空气被压缩时，腔室就被密封并且可选地水从第二腔室116排出回到第一腔室1以重新用于将空气压缩到腔室6中，可选地压缩到腔室6的盒中。
290.将腔室5 6放大，熔盐温度为850k，而室温为300k。这样的比率导致可以通过等温过程执行的功的比率，这导致两个腔室之间的期望的尺寸比率。
291.将空气压缩到40bar所需的功是：
[0292][0293]
使用一部分熔盐对腔室5中40bar下的捕获的空气进行加热。将腔室5中40bars压力下的空气加热850k后，压力增加温度比率为40*850/300＝113bars，以及相同体积的空气通过等温膨胀可以完成的总功增加了以下因素：
[0294][0295]
上述计算表明，产生该压缩的功可能只需要压缩空气的1/3.62＝27％。本例中加热腔室5的容积可以仅为第二腔室2中压缩空气容积的27％。
[0296]
以第二腔室2中40巴下的1.25立方米压缩空气为例，腔室5可为0.345立方米，而腔室6可为0.9立方米。
[0297]
为了从热压缩空气中提取功，热压缩空气可选地作为气泡或通过其他混合方法注入可选地完全充满熔盐的第三腔室3，这将腔室3加压至113巴。熔盐第三腔室3处的压力可选地引起对涡轮机112进行驱动的流动，从而产生功。随着压力随流动下降，空气体积等温膨胀。
[0298]
在一些实施方式中，机械功可选地由轴126传递到系统的较冷(例如300k)部分，其中泵110可选地等温地压缩空气。如上所述，该功可能足以将整个50立方米的空气从环境压力压缩到40巴下的1.25立方米，从而对腔室5和6进行填充。
[0299]
上述过程可选地继续，直到所有腔室6都充满为止。
[0300]
在一些实施方式中，腔室6可以是一个大腔室，例如具有50立方米的容积，当腔室3被排空和再填充时，该大腔室可选地部分地被排放。该过程可选地重复直到大腔室6中的压力下降，例如下降到环境压力。大腔室的这种使用可以具有成本效益。利用这种能量，3.62个腔室6可以填充有40巴下的压缩空气。腔室1为1巴，腔室2为至40巴的可以存储在腔室6中的压缩空气。
[0301]
在一些实施方式中，腔室6可以是多个腔室。在一些实施方式中，阀使得加压气体能够单独地流入多个腔室6中的一个或更多个腔室，并且使加压气体单独地从多个腔室6中的一个或更多个腔室流出。
[0302]
在一些实施方式中，具有两个腔室5、5b使得一个腔室能够在另一个腔室被减压(排放)的同时被压缩(充气)，以可能地允许在涡轮机112和泵110处更连续的流动。
[0303]
在一些实施方式中，系统成倍增加以增加总容量。
[0304]
可选地，多于一个腔室5、5b同时用于排放，潜在地增加涡轮机112功率。
[0305]
我们注意到，在一些情况下，当空气进入腔室5时，空气可选地处于环境温度。这可以通过用水喷雾或热交换器对第二腔室2进行预冷却来实现。
[0306]
在一些实施方式中，代替重新填充第二腔室2和第三腔室3，泵110和涡轮机112的方向可选地反转，并且高压腔室变成第一腔室1和第四腔室4。可选地，气流可以是指向新的高压第一腔室1和第四腔室4。在这种情况下，当第三腔室3被排空并且第四腔室4被填充时，第四腔室4可选择地被密封并且空气可选择地被注入第四腔室4以增加其压力。来自第四腔
室4的流可以对涡轮机112进行驱动，同时返回到第三腔室3。这样的循环可选地重复并且腔室像双活塞发动机一样运行，在相同的旋转方向上推动涡轮机。
[0307]
在某些情况下，压力梯度的变化不一定会导致涡轮机112和泵110在相反方向上工作。在一些实施方式中，操作方向可以通过将新的高压腔室1和4连接到泵110和涡轮机112的相同高压侧的附加管道来保持，如同腔室2和3处于高压的情况下一样。
[0308]
现在另外参考图2，图2示出示例实施方式的p-v图和t-s图。
[0309]
图2以p-v(压力-体积)图202和t-s(温度-熵)图222的形式示出了在示例实施方式系统中发生的热力学过程。
[0310]
p-v图表202具有体积[m3]的x轴204和压力[bar]的y轴203。
[0311]
t-s图表222具有熵s[mj/k]的x轴224和温度[kelvin]的y轴203。
[0312]
图表202 222中所示的值是根据下面描述的示例实施方式的，并且描述的过程是示例实施方式过程。
[0313]
在上述状态1(参考标记206 226)，系统处于300k并且空气被等温压缩，可选地通过喷射水喷雾，例如，压缩至40巴。通过注入(inject)与空气温度相同或近似相同温度的水，当压力下降时，水的大热容量使压缩空气保持在近似固定的温度，因此膨胀被称为等温膨胀。
[0314]
当热量离开系统时，系统达到状态2(参考标记207 227)，参见q1(out)211。
[0315]
接下来，将空气作为气泡插入到例如850k的熔盐中，可能表现出理想或接近理想的气体膨胀。对于非限制性示例计算，我们考虑体积为50立方米、压力为40巴的加压空气。
[0316]
空气随着流动体积的增加而缓慢膨胀。我们考虑待加热的空气以恒定体积达到压力和状态3(参考标记208 228)。
[0317]
最后，随着熔盐流向较低的压力，气泡或喷雾通过等温膨胀产生功，从而增加体积并且对涡轮机进行驱动。系统放松至状态4(参考标记209229)下的1巴的环境压力。
[0318]
在一些实施方式中，例如如图1e所示，涡轮机112可选地通过轴126连接到泵110，泵11o对状态1与2之间的空气进行压缩、可选地进行等温压缩。
[0319]
在t-s图表222中描绘了相同的过程。
[0320]
在一些实施方式中，泵110是电动驱动的，而第三腔室3与第四腔室4之间的涡轮机112连接到发电马达，如在其他涡轮机电力系统中一样。
[0321]
总效率的计算示例：
[0322][0323]
p
1v1
＝mrt1＝＞m＝p
1v1
/rt1＝2353kg
[0324]
q2＝mpcvδt＝2353kg*780*550k＝280kwh(＝1009mj)
[0325][0326]
[0327]
系统中的潜在损失可能是状态4下的850k热量，这可能会导致：
[0328]
q4＝mpc
p
δt＝2353kg*1000*550k＝360kwh(＝1294mj)
[0329]
g4是输入到气体以将气体加热到与流体温度相等的温度的热量。
[0330]
在一些实施方式中，可选地通过在状态2下对空气进行加热或在涡轮机的最终发电时对水进行加热来恢复热量。
[0331]
与环境温度相比，此阶段的热水可能会导致更大的膨胀。使用例如废热，该阶段的水可以可选地处于90摄氏度。
[0332]
由等温膨胀达到的效率可能达到90％。等温膨胀大约是上述完整压缩膨胀循环的一半，并且表明整体潜在实际效率为：
[0333][0334]
没有如上所述的热回收。
[0335]
重新捕获50％的q4热量，其中q4是用于对离开系统的气体进行加热的热量，可选地通过在850k下的出口空气与腔室5之间使用热交换器来实现重新捕获，效率可以是：
[0336][0337]
功率消耗
[0338]
在某些情况下，实际上，希望以降低空气温度为可能的代价注入(inject)大量空气以提高生产率。
[0339]
在一些实施方式中，可选地通过例如太阳能接收器处的集中太阳能来递送热补偿。对于太阳能应用，传热流体(htf)，例如来自太阳能接收器的熔盐、导热油或其他，可用作对热力发动机进行驱动的腔室3和4中的导热流体。
[0340]
在一些实施方式中，可以可选地使用两种不同的流体。在一些实施方式中，热交换器用于将热量从太阳能htf传递到发动机htf。
[0341]
对于太阳能应用，发动机、例如图1e的泵110可以全天运行，将能量作为压缩空气(或其他气体)存储在腔室、例如腔室6中，随后使用水轮机将其转换为电能。
[0342]
在一些实施方式中，发动机可以操作性地连接到发电机，例如涡轮机112，并且产生的电能可以存储在电池中。
[0343]
在一些实施方式中，蓄热器可以是太阳能系统的一部分，并且涡轮机112的htf可以从蓄热器接收热量，从而允许连续运行。
[0344]
在一些实施方式中，增加发动机htf的温度取决于发动机htf的冷却速率，这取决于发动机容量(产生的功率)和热损失。在一些实施方式中，太阳能-htf与发动机-htf之间的热交换可以发生在每个循环中或当发动机-htf被冷却时。
[0345]
在一些实施方式中，热源是来自工业来源的废热。
[0346]
在一些实施方式中，可以使用地热热源。
[0347]
在一些实施方式中，作为图1e所示的非限制性示例，随着空气膨胀，腔室3中的熔盐温度例如从850k下降到700k。这种150k的减少可以可选地通过热源(例如太阳能接收器)
来补偿。
[0348]
在一些实施方式中，由于与每个循环产生的功相比htf的大热容量，htf的温差小于1度。在这种情况下，腔室3和腔室4可以在温度降低之前执行数百个循环，并且油需要被重新加热。
[0349]
对于太阳能应用的示例性实施方式，以上使得能够在许多循环(数十或数百个循环)的延迟下用太阳能-htf对发动机-htf进行重新加热。通过减少再加热事件的次数，加热的延迟提供了质量流量的可能的降低和/或成本的可能的降低。
[0350]
在一些实施方式中，在腔室3被清空之后，作为再填充过程的一部分，泵(图中未包括)使熔盐(流体128)从腔室4通过太阳能接收器130循环进入腔室3，这可能导致熔盐(液体124)的温度在太阳能接收器处增加，可选地回到850k。在这样的示例中，q2+q3＝37015mj(1031kwh)是接收器在每个循环持续时间内的输入热量。对于1小时的循环，这相当于1.031mwh。
[0351]
关于比率(rates)的讨论
[0352]
在上面的示例中，接收器产生q2+q3＝1.031mwh的热量以用于对50m3的空气腔室-6进行排放。
[0353]
在一些实施方式中，例如对于具有1.03mw热功率的太阳能或废热接收器，可以在1小时内排放满50m3的腔室。同时，系统可选地在该1小时(hour)内将3.62个这样的腔室充注至40bar，并且腔室1和2可选择地运行113个循环。这样的比率可能难以实施。增加系统中腔室的数量可以在更长的循环持续时间内支持类似的热输入功率。例如，与相同的1mw接收器一起使用的十个腔室1和十个腔室2系统将接收相同的1mw总热功率输入，每个周期可能实现5分钟。将如图1e所示的系统分成两组，每组5个子系统，每个子系统都可能使一组5个腔室-6个排放，同时为另一组5个腔室-6个进行充注。
[0354]
在一些实施方式中，并联添加多个系统潜在地将周期持续时间延长至任何所需的周期。
[0355]
在一些实施方式中，在腔室6通过涡轮机最终排放期间，即使没有热回收，1.03mw的太阳能接收器也可能每天(day)供应1.03mwh*0.45*6
hours
＝2.781mwh的电力，以及当50％的热量被回收时，1.03m wh*0.55*6
hours
＝3.4m wh/day，效率为55％。
[0356]
动态功率范围：
[0357]
熔盐涡轮机和水泵可能会在很大的压差范围内工作。例如，在第一个排放周期中，腔室3与腔室5之间的压差为113bar，并下降到～2bar，而在最后一个排放周期中，压差《10bar，下降到～2bar。泵可能会产生在2bar与40bar之间的压力。
[0358]
为了克服这样的挑战，在一些实施方式中，人们可以可选地使用卡普兰涡轮机，其中叶片角度可以可选地根据变化的压差而改变，潜在地增加最佳压差的范围。
[0359]
可选地，如果使用佩尔顿轮，设计用于将压力转化为流动动能的喷嘴可以根据循环之间和循环内的压差被调整和/或替换为不同的喷嘴。
[0360]
可选地，泵与涡轮之间的齿轮可以根据需要转换功率，从而使泵和涡轮保持在最佳运行状态。
[0361]
使热腔室(3)压力降低：
[0362]
熔盐(salt)(或其他热流体(fluid))对泵和存储器进行驱动。在上面的示例中，所
做的功是2670mj，这可以根据以下等式通过不同压力和体积的熔盐来实现：
[0363][0364]
等同于上述在113巴(bar)下运行的50立方米(m3)体积示例的可能的压力(pressure)值和体积(volume)值的示例列表包括：
[0365]
p[bar]v[m3]101159.21420445.498630261.593140180.894350136.460860108.65357089.752428076.140269065.9086910057.9607111051.6231412046.4611611350
[0366]
通过时序空气注入来使高温腔室中的体积和压力减少
[0367]
到目前为止，我们描述了平衡系统，其中高温循环和冷循环可能会同时对所有腔室进行重新填充。该描述包括可选地具有在水腔室-2的体积的数量级上的体积的熔盐腔室-3，例如上表中描述的体积。
[0368]
在一些实施方式中，腔室5可选地包含足够的空气来对腔室3进行填充。
[0369]
在一些实施方式中，我们允许腔室3中的熔盐比水腔室1循环的输入和输出循环更快地完成输入和输出循环，我们可以通过输入和输出循环次数的比率潜在地减少腔室3的体积。
[0370]
在一些实施方式中，可选地保持冷循环持续时间与热循环持续时间之间的同步。例如，充注-排放快10倍可将腔室3的体积和腔室5的体积减小10——数量级。
[0371]
在一些实施方式中，可以可选地使用较小的腔室3、4和5，例如通过图3中描绘的系统。
[0372]
现在参考图3，图3是示例实施方式的简化图示。
[0373]
图3描述了如下系统：包括低温腔室301 302和高温腔室303 304、泵310和涡轮机312，用于使用热能对空气加压，以通过涡轮机312转化为电能。
[0374]
图3示出了示例性实施方式，该示例性实施方式使用快速高温循环来减少参考图1e所示的腔室3、4和5的体积。
[0375]
图3示出了图1e中的腔室6的盒(cassettes)，可选择地由更大的腔室306代替。
[0376]
在一些实施方式中，腔室305可选地附接在腔室303的底部。
[0377]
现在描述图3的系统中的非限制性示例能量流。
[0378]
处于状态1的腔室301中处于环境温度(例如～300k)和/或环境压力的水被泵送到腔室302中，腔室302可以完全或部分填充有空气316，对空气进行等温压缩，通过空气暴露于具有高热容量的流体，该流体在膨胀过程中保持近似恒定的温度，在环境温度下达到高于环境压力的压力，例如40bar、100bar、300bar或其他值，从而从状态1转变为状态2。处于状态2的压缩空气可选地存储在腔室306中，处于状态2，例如在40巴的压力和环境温度例如300k下。在一些实施方式中，空气通过起泡而暴露于腔室3中的流体。在一些实施方式中，流体被喷射到腔室3中的空气中。
[0379]
加压空气可选地从腔室306供给至腔室305，之后关闭阀315，并且将由热源314加热的热流体或空气或流体/气体混合物供给至腔室315和/或到腔室303，对作为流体/空气混合物的加压空气进行加热，在腔室303内达到状态3。例如，腔室303包含0.02m3的熔盐，温度为850k，压力为113bar。
[0380]
温度为850k和压力为113bar的熔盐用于对涡轮机312进行驱动，进给到腔室304中，从而失去压力和/或温度。作为非限制性示例，腔室304可以包含温度为700k和环境温度例如300k的熔盐。
[0381]
在一些实施方式中，腔室304可以具有0.02立方米的体积。
[0382]
在一些实施方式中，热源314可以是太阳能接收器和/或一些其他热输入。
[0383]
在一些实施方式中，轴将能量从涡轮机312传递到泵310。在一些实施方式中，除了所产生电力的其他用户之外，涡轮机312产生的电力被提供给泵310。
[0384]
对于涡轮机312，这种设计可以使用弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、冲击式涡轮机、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计。
[0385]
在一些实施方式中，在对腔室303进行填充之前，腔室305可选地填充有冷空气——作为非限制性示例——处于40巴压力下。腔室305可以从之前的循环中保持热。在这种情况下，空气与腔室305的壁之间的传热速率可选地设计成比用空气快速填充腔室305和腔室305的密封慢。
[0386]
例如，空气以40巴的压力被添加到腔室305空气中。进入腔室305的空气被加热到113巴的压力。如果腔室303的容积为20升，则腔室305的容积可选择为20升/113＝0.18升。
[0387]
当打开腔室306与腔室305之间的阀时，压力可能会在短时间内、例如几毫秒达到平衡，比典型的传热速率更快，从而可能地消除或显着降低温升。
[0388]
在一些实施方式中，几个这样的腔室305和303以时间顺序的方式使用，以实现涡轮机的连续或接近连续的动力。与汽车发动机类似，可选地有2、3、4或其他数量的腔室，可选地在不同时间填充，可选地在它们的循环之间具有相等的相位差。
[0389]
在一些情况下，使用可选地反向连接的附加管道系统，(例如腔室303连接到涡轮机312的低压侧，腔室304连接到涡轮机312的高压侧，并且也类似地用于腔室301和302。在这种情况下，当腔室303和301为空时，对阀进行翻转以在腔室301与302之间以及腔室303与304之间切换。在这种示例构型中，腔室304也可选地在其底部连接到腔室305。每个腔室303的排放时间与前面的示例(50m3)相同的发电量可能与腔室的尺寸和数量成正比。对于(每个腔室305和303的)20升体积和10个腔室，排放(discharge)时间可以是10*3600/50000*20＝14秒。
[0390]
体积和压力之间的折衷也可以通过使用快速空气注入来降低压力同时增加腔室
303和305的尺寸来实现。
[0391]
通过产生真空将热量转化为功
[0392]
到目前为止，我们已经描述了一种利用热量产生压力梯度和产生机械功的方法。该方法使用可能很昂贵的高温和高压腔室。此外，在高温下运行并由潜在腐蚀性介质运行的涡轮机可能很昂贵。消除涡轮机的使用和/或高温和/或高压腔室的使用可能是有利的。
[0393]
现在参考图4a，图4a是根据示例实施方式的用于通过产生真空将热转化为功的系统的简化图示。
[0394]
图4a示出了与图3的系统部分类似的系统。类似于图3的部分包括腔室-1 401、泵410、腔室-2 402和腔室6 406。
[0395]
图4a还示出腔室-3 403和阀415，腔室2 402或腔室6 406可以根据阀设置通过阀415而向腔室-3 403提供加压气体。
[0396]
图4a以非限制性示例的方式示出了包含300k和1bar下的水的50m3体积的腔室-1 401，这些例如是环境条件。环境条件的选择仅作为示例。泵410将水从腔室1401转移到具有密封空气或一些其他气体的腔室2 402中。空气被泵送的水例如通过使用水喷雾或水中的循环气泡进行等温压缩。作为非限制性示例，压力为40巴的压缩空气可选地被收集在腔室-6 406中。来自腔室-6 406的压缩空气用于将腔室3 403处的压力增加到——非限制示例——40bar。
[0397]
来自可选的太阳能接收器414或诸如废热源414的一些其他热源的热空气可选地被传送到腔室4。作为非限制性示例，热空气的温度为850k。
[0398]
腔室4 404可选地被密封，并且水喷雾可选地将空气冷却至环境温度，例如300k。
[0399]
在一些实施方式中，提供来自腔室3 403的水作为冷却用水。腔室4 404中的压力可能下降300k/850k倍，从1bar降至0.353bar。涡轮机412通过将腔室3403与腔室4404之间的压差转化为轴416的旋转来执行机械功。
[0400]
对于涡轮机412，这样的设计可以使用弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、冲击式涡轮机、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计。
[0401]
应注意，涡轮机412所做的功与涡轮机两端(across the turbine)压差的自然对数(ln)成正比，因此将腔室4 404中的压力降低大约三倍增加了通过添加大约ln(3)＝～1.1到大约例如ln(40bar/1bar)＝ln40＝～3.7而可以完成的功，并且产生的功提高大约1.1/3.7＝～30％。
[0402]
在一些实施方式中，腔室3 403中的空气或气体的膨胀是等温过程，其中流体保持大致稳定的温度。
[0403]
在一些实施方式中，腔室4 404中的空气或气体的膨胀是等温过程，水或其他流体的喷雾保持大致稳定的温度。
[0404]
真空方法可能会使用腔室重新填充的重复循环。
[0405]
对涡轮机与泵之间的功率进行调节
[0406]
在所描述的一些方法和系统中，轴可选地连接在做功的涡轮机和用于压缩空气以做功的泵之间。使用轴直接连接涡轮和泵可能无法调节泵与涡轮机之间的功率。
[0407]
在一些情况下，轴可选地连接到齿轮箱(未示出)，齿轮箱提供涡轮机旋转与泵旋转之间的转速比的一些选择。这允许更宽的动态范围以潜在地实现更高的效率。
[0408]
在一些情况下，齿轮箱可选地能够覆盖与泵侧所需的最大压力相关的整个转速比范围，对于上述示例，该最大压力为40bar并且是对于涡轮机处的最小压差。
[0409]
在一些实施方式中，压力补偿泵被包括在液压泵中以能够在大范围的压差上对空气进行压缩。
[0410]
在一些实施方式中，空气从腔室301中的1巴压缩到腔室302中的40巴，并且泵提供1巴至40巴的压差。
[0411]
对于所描述的示例，对于也在最终循环期间运行的涡轮机，例如当图3的腔室6 306几乎是空的，具有例如2bar的压力时，2bar压力下的气体将增加压力，加热到例如700
°
k后到4.7bar。在这种情况下，图3的系统可以使用比率为10的齿轮，其中涡轮机是泵的10倍快，以向泵提供足够的能量。
[0412]
在一些实施方式中，涡轮机和泵之间的传动比随着涡轮机两端的压差减小而增加。
[0413]
在腔室6 406使用期间压力变化的另一端，在系统的第一个循环期间，腔室6 406具有例如40巴的压力，其被加热并增加到图3的腔室3 303中93巴。
[0414]
在某些情况下，那时，泵310可以对着图3的基本上空的腔室2302工作。在这种情况下，旋转比可以是大约10倍，其中泵更快。
[0415]
在一些实施方式中，实现2个数量级的动态范围(旋转范围的比率为0.1至10)是通过诸如卡普兰泵的泵设计实现的，其通过改变涡轮机叶片角度潜在地实现更宽的效率范围。
[0416]
在一些情况下，涡轮机是卡普兰设计涡轮机。
[0417]
降低操作压力
[0418]
在一些系统中，可能优选在比上述更低的压力下操作。例如，将17.6巴下的冷空气注入370摄氏度的导热油中会产生40巴的操作压力，从而驱动40巴的涡轮机。在另一个示例中；将8.75巴下的冷空气注入370摄氏度的导热油中会产生20巴的操作压力，这允许驱动专为20巴设计的涡轮机。
[0419]
通过在压力降低的情况下动态改变负载来维持高效涡轮机
[0420]
当图3的高温高压腔室-3 303或图3的高温腔室-4 403被排放时，压力从其最大值下降到较低的压力，可选地低至涡轮机312可以运行的最小值。较低的压力可以接近环境压力，或一些更高的压力。当压力下降时，从喷嘴喷出的驱动涡轮机的htf速度降低。对于涡轮机，最大效率是当流体速度是涡轮机切向速度的两倍时。常规涡轮机通常针对由系统的水头压力限定的恒定负载运行。在这种常规系统中，针对恒定负载(与高压相匹配)的压力下降会减慢涡轮机的旋转并降低涡轮机的效率。在某些情况下，涡轮机连接到发电单元。在这种情况下，涡轮机上的负载由发电量决定。减少发电量以匹配压力的降低，可能会将涡轮叶片尖端的线速度保持在流体速度的50％，从而保持最大效率。这种效果可以通过对发电单元的电控系统来实现。可选地，因为负载减少与压力减少相匹配，所以由htf的压力驱动的诸如活塞之类的机械元件可以控制电负载并且代替电控制系统。
[0421]
这种控制类似于连接到电动汽车中的制动器的电动汽车发电机。制动器上的高压会增加发电机的发电量(通过增加负载产生更多电能)。降低制动器上的压力会降低发电机负载。
[0422]
在一些实施方式中，涡轮机通过轴连接至将能量储存为压缩空气的泵。在这种情况下，随着htf压力下降而减少涡轮机上的负载的机械元件类似于汽车刹车片。增加涡轮机上的压力会增加负载，与htf速度相比，将涡轮机速度保持在最佳值。
[0423]
在一些实施方式中，涡轮机与泵之间的机械齿轮可能在整个动态压力范围内保持最佳涡轮速度，或者至少在动态压力范围内保持优于无齿轮的涡轮速度。
[0424]
在一些实施方式中，压力补偿泵用于在广泛的压差范围内进行有效泵送。
[0425]
本文描述的示例的一方面以作为可压缩气体的空气与诸如水和/或导热油和/或熔盐之类的流体的组合为例。然而，这种概念可以用任何气体来实现：例如co2、n2、蒸汽和许多其他气体。传热流体可以是任何有用的流体，例如用于聚光太阳能发电厂或核电站的流体，包括熔融钠。
[0426]
理想的卡诺循环是以等温过程为基础的。然而，同样的概念也可以通过等压膨胀或压缩气体推动腔室3中的流体并驱动涡轮机来实现。
[0427]
在某些情况下，按需将压缩气体从腔室6释放到水腔室3中以用于驱动水力涡轮机，从而将储存的气压转化为电能。在这样的过程中，气体的膨胀可能取决于水的温度。
[0428]
在一些实施方式中，将水加热到升高的温度可能会增加示例装置的效率。例如，在40bar和400
°
k下取50m3的气体可能比在相同条件下300
°
k下的气体多25％的能量(将被转化为电能)。利用水的高热容量和低热损失率，有可能在能量存储阶段结束时对水进行加热。
[0429]
在太阳能接收器的示例中，当太阳下山，白天接收热量的盐可能仍然很热，但可能不足以对涡轮机进行驱动而作为熔盐。
[0430]
在一些实施方式中，盐的余热可选地被传递到水腔室，从而使水的温度升高。
[0431]
在一些实施方式中，涡轮机具有其有效运行的最小压力值。最小压力可以保持热气体和htf在腔室3或腔室4中的残余压力。可以通过连接腔室3和4与腔室2之间的管道来恢复此压力，绕过涡轮机并直接增加腔室2中的压力以进行存储。
[0432]
在一些实施方式中，在气体有机会冷却之前执行残余压力的使用。
[0433]
根据上述示例的循环，腔室3和4在完全气体膨胀之后留有热气体(例如空气)。当腔室在下一个循环期间重新填充htf时，可能会浪费空气的热量。
[0434]
在一些实施方式中，通过在腔室5填充有压缩的冷空气之后对腔室5进行加热来防止热损失。在这样的实施方式中，腔室5中的压力随着加热而增加，从而减少来自流体例如来自油的热传递。
[0435]
在一些实施方式中，例如在太阳能应用中，使用大腔室5，其在一整天内为操作提供足够的空气。这种空气供应可对应于10m3、50m3或100m3的腔室尺寸。在每个发动机循环中使用腔室3和腔室4中的余热来加热腔室5，可能会使腔室5的温度少量升高，但会回收可能浪费的热量。在一些实施方式中，在晚上，腔室5使用液压泵进行重新填充。
[0436]
现在参考图4b，图4b是根据示例实施方式的能量生产系统中使用的热力发动机的简化图示。
[0437]
图4b描绘了热接收器421，例如太阳能接收器，可选地与蓄热器、腔室0 422和油驱动的htf-发动机423集成在一起。在图4b的示例实施方式中，导热油，例如在400℃elsius的温度下，用于驱动100kw涡轮机423。轴424将涡轮机423连接到泵425，泵
425将流体压缩到包含初始空气量的腔室1 426和2 427中，以提供初始压缩空气到一个或更多个腔室-6 428。在一些实施方式中，轴424还连接到发电机428以用于发电，以储存在电池435中或提供给电网436。
[0438]
来自热接收器421的加热的流体例如被收集到腔室3 431中。
[0439]
来自腔室6 428或腔室2 427的压缩空气被提供给腔室5 433a。当腔室5 433a被密封时，来自腔室3 431的加热的流体然后被提供给腔室5 433a，其中加热的流体对压缩空气进行加热并且压力增加温度比。加热的流体和气体被引导至涡轮机423，在涡轮机423中产生功并如上所述使用。
[0440]
对于涡轮机423，这样的设计可以使用弗朗西斯涡轮机、卡普兰式涡轮机、冲击式涡轮机、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计。
[0441]
在一些实施方式中，流体随后填充腔室4 432。当气体压力填充腔室5 433bb并且腔室5 433b被密封时，腔室4 432处的流体被提供给腔室5 433b，并且通过加热来自腔室4 432的流体来增加压力。然后加压流体和气体对涡轮机423进行驱动。
[0442]
在一些实施方式中，流体返回腔室3 431，完成循环，并且循环重新开始。
[0443]
在一些实施方式中，图4b的示例性实施方式包括htf储器腔室7 429。htf储器腔室7 429可选地在涡轮机423处的一个或更多个循环之后对油进行收集。
[0444]
在一些实施方式中，在一天结束时，气体压力用于将收集在htf储存室7 429中的htf转移到热接收器421或腔室0 422中以进行再加热。
[0445]
在一些实施方式中，包含可能的热流体和/或气体的腔室和引导可能的热气体的管道可选地是绝热430的。绝热的部件可以可选地包括腔室3 431、腔室4 432、腔室5 433a 433b、可选的腔室7 429。
[0446]
为100kw太阳能接收器设计的400℃下的受控体积计算：
[0447]
考虑惯性参考系中的空气体积。
[0448]
步骤1：在环境条件下，从腔室1426中的3立方米的受控体积的空气开始。
[0449][0450]
根据理想气体等式，pv＝nrt，将气体压力从大约1bar增加到40bar会使体积减小到0.075立方米。当过程是等温完成时，从气体中移出到周围环境的热量为q1＝w1＝p
1v1
ln(v2/v1)＝1.107mj。
[0451]
步骤2：将含油气体以恒体积加热至673k。假设空气(air)与油(oil)的体积比为4/96。值得注意的是，使用4％的空气而不是2％的空气可以将腔室尺寸减小2倍，压力损失小于1％)，热容量为并且油密度为738kg/m3。所得温度为：
[0452]
3.51*0.81*δt
air
＝0.075*0.96/0.04*738*2.89*δt
oil
[0453]
δt
oil
＝373-δt
air
＝＞δt
air
＝372.97k.
[0454]
空气和油的温度均为673k。由空气吸收的热量为：q2＝mcvδt＝3.51kg*0.81*373k＝1.06mj，并且压力增加到，对于理想气体为p2＝673*40bar/300＝89.7bar。
[0455]
步骤3：对近似等温膨胀进行计算，
[0456]
q3＝w3＝v3p3ln(v4/v3)＝0.0375m3*89.7bar*ln(89.7)＝3.02mj
[0457]
投入的总能量为q2+q3＝1.06mj+3.02mj＝4.08mj。
[0458][0459]
由于q2+q3＝0.075m3引起的油温变化0.96/0.04*738*2.89*δtoil。
[0460]
δt
oil
＝1k。在一些实施方式中，油温下降了1开尔文度，因此可以在另一个循环中再次使用，以对更多的气体进行加热。
[0461]
理想的效率为的实际效率(假设在水力发电中为90％)可能在没有从腔室4回收热量的情况下实现，并月的实际效率是从第4腔室回收50％的热量。
[0462]
在一些实施方式中，从腔室4的热回收通过工作温度、例如为约400℃的流出空气与被填充和密封之后的腔室6之间的热交换器完成。
[0463]
q3＝w3转化为流体的动能以通过涡轮机转化为电能。
[0464]
在示例性实施方式中，具有0.1mw
th
(0.1mj/s)的热供应意味着4.08[mj]/0.1[mj/s]＝40.8s的持续时间用于清空腔室3 431并且转换到腔室4 432。
[0465]
在一些实施方式中，这样的太阳能接收器和htf发动机可以使用热存储，利用太阳辐射来对热存储进行加热，并且热存储可以按需对htf发动机进行驱动。
[0466]
在一些实施方式中，通过在太阳辐射可用时驱动htf发动机并为按需使用的电池充电，可以使用电池存储来代替热存储。
[0467]
在一些实施方式中，一个或更多个腔室6 428中的压缩空气用于储存能量。
[0468]
在一些实施方式中，当几天没有太阳时，比上述能量存储容量长，htf发动机可以使用氢气、沼气、天然气或任何其他燃料源运行。通过这种方式，系统可以运行24/7/365并取代仅使用化石燃料(天然气、煤或其他)运行的能源系统，这样的系统可以在太阳能可用时收集太阳能，以及转移到由同样的系统存储的存储的能量，当太阳能和储存的能量都不可用时，最终转向使用燃料。用多源能源系统取代化石燃料涡轮机可能会降低整个电网系统的成本。
[0469]
在一些实施方式中，在高于环境温度的温度、例如高于373k下的低质量废热对htf发动机进行驱动。
[0470]
在一些实施方式中，温度低于沸点的热水可以用作驱动涡轮机的htf，即，用于使用连接到腔室2 427的水力电动机(未示出)将压力转换为电能。在这种情况下，高温水提高压力增加输出功率。
[0471]
关于图4b的腔室3 431、腔室4 432和腔室5 433的讨论：
[0472]
在一些实施方式中，图4b的腔室5 433a 433b的使用被去除，未加热的加压空气从
腔室3 431和腔室4 432的顶部被提供，在加热流体被供应之前腔室3 431和腔室4 432是密封的，并且空气被加热且压力增加。去除腔室5 433潜在地降低了成本和复杂性。图4c描述了此类系统的可选构型和腔室的构型。
[0473]
现在参考图4c，图4c是根据示例实施方式的用于对加热的流体和气体进行混合的腔室的使用的简化图示。
[0474]
图4c示出了腔室441。可以打开阀442以将加热的流体提供到腔室441中。然后可以关闭阀442。可以打开阀443并且可以将压缩空气提供到腔室441中。然后可以关闭阀443，以免失去压力。加热的流体在等容过程中对腔室441中的压缩空气进行加热，因为气体不能膨胀并且不能对流体进行压缩。
[0475]
在一些实施方式中，腔室441还具有泵444，泵444可选地对腔室441中的空气和流体进行混合。在一些实施方式中，泵444可以从腔室441的底部抽吸流体并且将流体喷射在腔室441的顶部。
[0476]
在一些实施方式中，泵444从腔室441的顶部泵送空气并且将空气注入腔室441底部的流体中，作为通过流体向上冒泡的气泡，沿途对气体进行加热。
[0477]
腔室441包括出口445，当出口445打开时，允许流体和气体有力地流入发动机、例如图4b中所示的htf发动机423。
[0478]
现在参考图4d，图4d是根据示例实施方式的使用两个腔室的简化图示。
[0479]
图4d示出腔室3 452和腔室4 453(没有参照图4b描述的腔室1 426和腔室2 427)。
[0480]
在一些实施方式中，腔室4 453的部分填充留下足够的体积以插入冷空气而不是来自图4b的腔室5 433b的空气。当冷空气被注入时，腔室4 453被密封，并且可选的喷雾油泵(或空气气泡泵)诸如如图4c所示的运行并且空气的温度达到油的温度。然后打开油阀并且油流到热力发动机459，例如图4b中所示的佩尔顿轮，使热力发动机旋转。油可选地通过排放口排放到腔室3 452。
[0481]
在一些实施方式中，油穿过收集腔室451。
[0482]
在一些实施方式中，油穿过蓄热器451或太阳能接收器451以再加热。再加热可以在每个循环中进行，或者在多个循环之后进行，以增加温差。
[0483]
然后，对腔室3 452进行密封，注入冷空气，并且重复该过程。
[0484]
图4d示出了如下构型：其中两个腔室可以交替提供加热的流体和气体以对热力发动机进行驱动。
[0485]
图4d示出了用于向热力发动机459提供流动的喷嘴457 458 459。
[0486]
对于热力发动机459，这种设计可以使用涡轮机、弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、佩尔顿轮、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计。
[0487]
现在参考图4e，图4e是根据示例实施方式的用于对加热的流体和气体进行混合的腔室的使用的简化图示。
[0488]
图4e示出腔室483，其中竖向地放置有窄管道484，窄管道484的顶部和底部开口。管道484在其顶部连接到板485，并且板485将腔室483分成板485上方的顶部部分和板485下方的底部部分。
[0489]
可以打开阀481以将加热的流体提供到腔室483中。然后可以关闭阀481。
[0490]
在一些实施方式中，加热的流体通常被提供以占据腔室483的大约95％的体积。
[0491]
在一些实施方式中，加热的流体被填充以便不到达板485上方。
[0492]
可以打开阀482并且可以将压缩空气提供到腔室483中。然后可以关闭阀482，以免失去压力。加热的流体在等容过程中对腔室483中的压缩空气进行加热，因为气体不能膨胀并且不能对流体进行压缩。
[0493]
加热的流体遍布管道484周围，并且在管道484内部。当在腔室483底部的阀485打开时，被加热和加压的空气通过管道484膨胀并且将流体推出腔室483。加压的气体的膨胀几乎是等温进行的，因为空气穿过管道，而膨胀的气体应该冷却，在这种情况下，膨胀的气体从高温和高热容量的热源——管道和管道周围的油接收热量。
[0494]
通过阀485流出的流体有力地流入发动机，例如图4b中所示的htf发动机423。
[0495]
现在参考图4f，图4f是根据示例实施方式使用两个腔室的简化图示。
[0496]
图4f示出了第一腔室470a和第二腔室470b、用于供给压缩空气的管道469a和469b、用于将htf流喷射到佩尔顿轮465上的喷嘴466、用于收集用过的htf的可选的盆467、以及用于对气体和htf的流动进行控制的阀468。
[0497]
图4f示出了如下示例构型：每个腔室有两个管道。
[0498]
在一些实施方式中，将流体部分填充到第一腔室470a中留下足够的体积以从管道469a插入空气。当空气被注入时，第一腔室470a被密封并且空气的温度达到htf的温度。然后阀468打开并且htf流向热力发动机，例如佩尔顿轮465，使热力发动机旋转。htf可选地排放到盆467，并从盆467排放到第二腔室470b。
[0499]
在一些实施方式中，htf被收集在可选的盆467中。
[0500]
在一些实施方式中，htf穿过蓄热器或太阳能接收器(未示出)以进行再加热。再加热可以在每个循环中进行，或者在多个循环之后进行，以增加温差。
[0501]
然后，对第二腔室470b进行密封，通过管道469b注入冷空气，并重复该过程。
[0502]
图4f示出了如下构型：其中两个腔室可以交替提供用于对热力发动机进行驱动的htf。
[0503]
在图4e和图4f以及本文描述的其他示例构型中，htf可以通过重力从腔室流入。在一些实施方式中，泵可以将htf泵送到腔室中。
[0504]
对于热力发动机465，这种设计可以使用涡轮机、弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、佩尔顿轮(pelton wheel)、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计。
[0505]
保持接近等温过程的油滴的尺寸和速度：
[0506]
q3＝w3分别是在等温膨胀过程中需要供给的热量和做的功。热量q3从油滴传递到气体(空气或其他气体)。为简单起见，我们以15kw佩尔顿轮为例，它可以适用于任何其他涡轮机，支持6kw的总净功率(由于初始压力和损失的投资，这导致40％的效率)。
[0507]
传递的热量，其中为每秒喷入空气中的喷油总量，是油的单位体积热容量，而δt
oil_air
是空气与油之间的最终温差。例如，对于不超过δt
oil_air
＝10
°
度的温差计算如下对于δt
oil_air
＝50
°
，对
于δt
oil_air
＝100
°
，
[0508]
应注意，在一些实施方式中，传热功率等于发电功率。
[0509]
在一些实施方式中，不使用控制系统来控制喷雾泵。在一些实施方式中，没有控制系统的轴或其他机械或电气线路连接在佩尔顿轮的主轴与喷雾泵之间。当发电量高时，喷雾泵以高容量运行，当发电量低时，喷雾泵产生低喷雾率。
[0510]
在一些实施方式中，可选地使用控制系统来控制与佩尔顿轮处的压力和流速变化相关联的喷射速率。
[0511]
与喷油相关的需要考虑的参数是液滴尺寸和速度：尺寸太小且液滴热容量小，这可能导致温度下降和效率低下。尺寸太大可能会降低液滴表面积与体积比，并且降低传热率。
[0512]
在一些实施方式中，改变液滴直径通过改变提供的液滴速率来补偿，以保持恒定的油体积和/或质量和/或热容率。例如，油体积可以表示为其中r是液滴半径。
[0513]
计算液滴尺寸：
[0514]
液滴尺寸影响液滴的终端速度、液滴在空气中的持续时间以及从液滴的传热率。
[0515]
例如，在20巴的平均压力、温度为673k的油和10度的油温差下工作，直到它返回流量，预计值范围如下：
[0516][0517]
其中“nu”代表努塞尔数，“t”代表加热到最终温度的时间。
[0518]
上表中的传播距离等于终端速度到最终温度的时间。
[0519]
在一些实施方式中，腔室的近似尺寸，长度、直径和宽度中的一个或更多个，可选地被选择为等于传播距离，传播距离是最终速度乘以时间到最终温度。
[0520]
从上面的计算可以看出，对于几米尺寸的腔室，在空气温度保持在油温以下不低于20度的条件下，有用的液滴直径为5毫米或更大，其中直径为5毫米的液滴在其温度降低10度之前的传播长度为3.7厘米。因此，直径大于1毫米的液滴可以实现更高的温差。
[0521]
以喷射状构型将气体与流体混合的喷嘴
[0522]
在某些情况下，代替在腔室中对气体和htf进行混合，可选地将气体与htf流一起注入喷嘴中。
[0523]
对空气和流体进行混合的方式可以如“underwater two phase ramjet engine”(hezi varshay和alon gany，hezi varshay和alon gany的美国专利号u.s.5,598,700)中所述进行。在该方法中，提出了一种船用马达，其中空气被注入喷嘴，等温膨胀，并且压力被转化为水的动能。
[0524]
然而，上述推进使用环境温度下的水。
[0525]
喷气(喷射jet)的示例实施方式
[0526]
在本文所述的一些实施方式中，空气和热流体混合。
[0527]
现在参考图5，图5是根据示例实施方式使用喷嘴作为热力发动机的简化图示。
[0528]
图5示出示例性实施方式，其中适合在高温下操作的喷嘴530，例如，使用700
°
k的空气和导热油，可以代替参考图1e和参考附加实施方式描述的腔室5和腔室3，其中热htf用于对压缩空气进行加热。
[0529]
环境温度例如300k下的空气，可选地在腔室502中被压缩，例如压缩至40巴，并且可选地在腔室505中可选地不膨胀地被加热至例如700k的温度，达到压力93.3巴。
[0530]
700k的热导热油流入521喷嘴530。700k的空气注入522喷嘴530中。当空气等温膨胀时，空气压力转化为油的动能。高速导热油可选地驱动发动机，例如涡轮机532，从而做功。
[0531]
在一些实施方式中，发动机可以是佩尔顿轮，佩尔顿轮旋转并且可选地连接到轴526，可选地驱动两个腔室例如腔室501和腔室502之间的液压泵以产生加压空气。在一些实施方式中，加压空气储存在腔室506中。上述过程类似于图1d的描述。
[0532]
对于热力发动机532，这种设计可以使用涡轮机、弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、佩尔顿轮、特斯拉涡轮机和用于水电涡轮机的类似设计。
[0533]
在一些实施方式中，油可以收集在收集室525中，用于重新使用和/或用于油和空气之间的分离。
[0534]
需要注意的是，空气不需要加压进入。气体可以在没有加压的情况下进入，并且可以通过加热而不膨胀产生压力，也称为等容加热。可以不加压进入，在膨胀受限处通过加热产生压力，这接近等容加热。
[0535]
这种系统和方法相对于上述系统和方法的潜在优势是可以提取的高输出功率。另一个优点是更连续的操作(更长的循环)，并且不需要大的腔室3和/或腔室4并且不需要大量的传热流体。还描述了一种完全连续的操作方法。
[0536]
现在参考图6，图6是根据示例实施方式的能量产生设置中使用的示例实施方式热力发动机的简化图示。
[0537]
图6示出了具有固定喷气构型的闭环循环，其中诸如空气之类的气体被注入622到喷嘴630中，喷嘴630对加热的htf 621的输入进行接收，形成等温膨胀的气泡。气体膨胀提高了htf喷气速度，并且加热的气体的压力转化为htf的动能。
[0538]
在一些实施方式中，诸如冲击式涡轮机或佩尔顿轮之类的发动机632用于将htf速度转换成对泵610进行驱动的轴626的旋转。泵610可选地将诸如水之类的流体泵送到腔室602中，在腔室602中对空气进行加压。在一些实施方式中，加压的空气储存在储存腔室606
中。
[0539]
对于发动机632，这样的设计可以使用涡轮机、弗朗西斯涡轮机、卡普兰涡轮机、佩尔顿轮、特斯拉涡轮机和用于水电腔涡轮机的类似设计。
[0540]
在一些情况下，喷射622到喷嘴630中的空气可选地在加热腔室605中被预热以在封闭腔室中产生空气的等容加热。可选地，空气的预热通过htf喷雾或htf中的气体的气泡来完成。
[0541]
在一些情况下，阀607用于确保高压气体不会返回腔室606。
[0542]
在一些情况下，循环泵(未示出)使htf在发动机632之后返回到喷嘴630中，可选地以期望的压力和速度返回。
[0543]
在某些情况下，循环泵驱动htf通过热交换器627以进行再加热。可选地，循环泵用来自蓄热器的热htf代替冷htf。
[0544]
类似旋转喷气发动机的构型示例
[0545]
在一些实施方式中，喷气机直接旋转连接到发电机和/或泵的轴以产生空气压力和压缩空气存储。
[0546]
现在参考图7a-图7d，图7a-图7d是根据示例实施方式的类似喷气发动机配置的热力发动机的简化图示。
[0547]
图7a示出了在环形htf池704中或在环形htf池704上方旋转的两个喷气喷嘴702a和702b的配置。这种配置的潜在优势是能够持续发电(与一些封闭腔室配置相反，在一些实施方式中，压力可能会在占空比中呈指数下降)。
[0548]
在各种实施方式中，一个、两个或更多个喷嘴可以可选地在环形htf池704中或在环形htf池704上方旋转，产生旋转扭矩，该旋转扭矩被传递到轴706，轴706连接到发电机单元708或泵708。来自空气源712的空气被供应710通过中心轴和臂714到达喷嘴702a和702b。
[0549]
在一些实施方式中，空气在喷嘴702a和702b中等温膨胀，使轴706旋转，产生电功和/或机械功。
[0550]
作为非限制性示例，图7a示出了两个喷嘴702a和702b旋转连接到发电机708或泵708或液压泵708的主轴706的俯视图。
[0551]
在各种实施方式中，可以连接任意数量的喷嘴702以产生更多的功率。
[0552]
在一些实施方式中，阀716可用于将从空气源712向喷嘴702a和702b提供空气打开和关闭。
[0553]
注意，参照图7a和参照下文描述的图8a-图8c、图9、图10a、图10b、图11和图14，臂714和喷嘴702a、702b的数量不限于两个。应理解可以是任何整数数量的臂和喷嘴，并且两个臂714和两个喷嘴702a和702b仅是非限制性示例。
[0554]
应注意，在一些实施方式中，来自诸如参照图1e、图3、图4a-图4f、图5和图6所描述的源和/或腔室的压缩空气可用于提供压缩空气来为图7a-图7d、图8a-图8c、图9和图14所描述的热力发动机提供动力。
[0555]
在一些实施方式中，如图7a-图7d、图8a-8c、图9和图14中所述的热力发动机可选地连续使用，进给有来自诸如参考图1e、图3、图4a-图4f、图5和图6之类的源和/或腔室的压缩空气。这与用压缩空气对腔室进行充注的系统形成对比，当腔室中的压力用完时，停止从上述来源对腔室进行再充注。
[0556]
图7a所示配置的一些非限制性示例操作参数包括：
[0557]
示例1：htf可以处于高温，例如670k，或者在从100c到1500c的范围内，并且可以在5巴的压力和670k的高温下，或者在从100c到1500c的范围内提供加压空气。
[0558]
示例2：htf可以处于高温，例如670k，并且可以在5巴的压力和环境温度下提供加压空气。在一些实施方式中，空气在与加热的htf混合时加热。
[0559]
示例3：htf可以处于环境温度，例如21℃，并且可以在5巴的压力和环境温度下提供加压空气。在一些实施方式中，加压空气可由加压空气源提供。在一些实施方式中，加压空气源用于以加压空气的形式储存能量，如参考图1e、图3、图4a-4b、图5和图6所描述的，并且图7a的配置用于产生能量，例如以电的形式。
[0560]
图7a的配置可以提供以下一项或多项好处：
[0561]
无需使用htf泵来向喷嘴702a和702b连续提供htf。当喷嘴运行时，离心力将htf沿着臂714输送到喷嘴702a和702b，并且来自被输送到喷嘴的htf的吸力从htf池704抽吸htf。
[0562]
喷嘴的操作可以可选地通过向喷嘴的输入提供加热的htf来启动，甚至喷嘴的操作可以可选地通过手动泵、或者通过当臂旋转时不需要使用的启动泵来启动。
[0563]
在一些实施方式中，向喷嘴提供压缩空气可以将旋转启动。
[0564]
应注意，当图7a的配置的臂714旋转时，沿臂714流向喷嘴702a 702b的htf沿臂714加速，产生吸力，在一些实施方式中，该吸力可用于将htf从htf池704朝向喷嘴702a和702b抽吸。
[0565]
沿着向喷嘴792a和702b供应htf的径向臂714的压力分布沿着臂714增加。
[0566]
在一些实施方式中，压缩气体在沿臂714的位置被注入到htf中。
[0567]
在一些实施方式中，htf沿着臂的流动可产生抽吸，该抽吸可将气体吸入臂中。将加压气体的压力添加到流动的htf的抽吸作用中会在注入位置产生特定压力。
[0568]
在一些实施方式中，选择注入位置使得htf和气体沿着臂714向外流动，产生吸力以将htf从htf池704抽吸到臂714中。
[0569]
在一些实施方式中，选择注入位置使得htf的流动将气泡拖向喷嘴702a和702b。
[0570]
向喷嘴702a和702b供应htf的径向臂714中的压力分布沿着径向臂增加——离旋转中心越远，压力越大。
[0571]
在一些实施方式中，在低于htf温度的空气温度下沿径向臂714将空气注入htf导致对空气加热以及增加压力。作为流体的htf不可压缩，并阻止空气膨胀，导致空气等容加热以及htf流向喷嘴702a和702b。
[0572]
在一些实施方式中，气泡可以以与注入臂714时相同或更小的尺寸到达喷嘴702a和702b。
[0573]
在一些实施方式中，气泡可以在与htf相同的温度下到达喷嘴702a和702b。
[0574]
应注意，当臂714旋转时，离心力施加在htf上。由于流体通常比气体密度更大，甚至比压缩气体密度更大，因此htf被推离旋转轴，而根据阿基米德原理，气泡被推向旋转轴。
[0575]
在一些实施方式中，为了使气泡到达喷嘴，由htf施加在气泡上的拖曳(drag)力将气泡与htf流一起拖动，使其强于推动气泡与htf流相反的阿基米德力。
[0576]
在一些实施方式中，当喷嘴702a和702b附近有气泡时，气泡尺寸可能比注入手臂时更小，并且阿基米德力可能低于在注入位置处的力。
[0577]
在如图7a所示的实施方式中，以下参数通常可以相互作用：
[0578]
取决于沿臂的距离和旋转速度的离心力；
[0579]
气泡的气体压力；
[0580]
臂的旋转速度；
[0581]
htf的径向流速；
[0582]
htf随其流动拖曳气泡的拖曳系数；
[0583]
气泡大小，该气泡大小影响拖曳系数；
[0584]
气泡空气质量，它与气泡空气压力一起影响气泡尺寸；
[0585]
从旋转中心到气体注入位置的径向距离；以及
[0586]
喷嘴的径向位置。
[0587]
下面描述了非限制性的计算示例：
[0588]
该示例描述了在距旋转轴线的径向距离r1(此处称为位置1)处将空气注入htf，而喷嘴位于径向距离r2处，其中(此处称为位置2)。
[0589]
取喷嘴处气体气泡的压力为p2，喷射位置处气体气泡的压力为p1，由于离心力f＝mω2r，故p2＝2*p1。
[0590]
假设在r1与r2之间流动过程中空气温度增加了一倍，气泡(bubble)体积保持不变，这对应于气泡进行了等容加热；v
bubble_2
＝v
bubble_1
。
[0591]
拖曳力为fd＝1/2ρθ2cda，其中，ρ为htf密度，θ为气泡相对于htf速度u
htf
的速度，cd为拖曳系数，a为气泡直径。
[0592]
作用在htf上的离心(centrifugal)力为f
cent
＝mω2r，阿基米德原理表示该力沿相反方向作用在气泡上，以将气泡推向旋转轴线，其中m是由于气泡而位移的htf的质量，并且ω是旋转速度。在的本非限制性示例的情况下，位置2处的喷嘴处的离心力与注入位置1处的离心力之间的关系为
[0593]
在一些实施方式中，使htf拖动气泡的拖曳力大于离心力，以使气泡以正速度沿径向方向流动。
[0594]fcent_r2
＜f
d_r2
，对于r1和r2之间的所有r值都成立，包括r＝r2。
[0595]
在气泡尺寸、htf的速度和其他系统参数之间发现以下关系：
[0596][0597]
在一些实施方式中，使用低于上述u
htf
的htf流速值，例如50％的u
htf
，这仍然允许气泡到达喷嘴，并且气泡沿途减慢。
[0598]
在一些实施方式中，气体压力随着htf的径向流动而增加，从而随着流动压缩空气，这可以潜在地减少或消除对在这样的实施方式中使用的注入空气的初始压缩的需要。使用径向流来压缩空气可以降低压缩空气的初始压力，这可能会简化系统和/或提高能源效率。在一些实施方式中，未压缩气体被添加到htf，并且当htf与htf一起流动到更高压力
的位置时，未压缩气体被压缩，例如作为非限制性示例，将气体添加到旋转臂714，并允许旋转以在气体沿旋转臂向外流动时对气体加压。
[0599]
控制
[0600]
如本文所述的热力发动机的控制可选地通过控制一些输入参数来提供。
[0601]
在一些实施方式中，这种热力发动机的转速可选地通过控制进入气体的压力来执行，可选地通过对控制进入气体的压力和/或流速的阀进行控制来执行。
[0602]
在一些实施方式中，这种热力发动机的转速可选地通过控制进入的htf的速率来执行。
[0603]
在一些实施方式中，这种热力发动机的转速可选地通过控制可调喷嘴的尺寸和/或形状来执行。
[0604]
在一些实施方式中，可选地执行控制以提高使用本文所述的热力发动机的能量生产系统的效率。
[0605]
在一些实施方式中，可选地执行控制以增加能量生产系统的效率，其中如本文其他地方所述计算效率。
[0606]
等容或准等容加热
[0607]
本文描述了等容加热的一些实施方式。然而，在一些实施方式中，应用准等容加热过程，即使准等容加热可能不如等容加热有效。使用准等容加热过程的示例性实施方式可以包括气体的加热，其中在加热期间发生一些膨胀，随后压缩气体。总而言之，气体已经被加热，并且气体最终体积保持大致相同，因此该过程的结果是相同体积或近似相同体积，并且更热的气体，类似于等容加热。
[0608]
上述过程可以在压力增加的流动中实现，这可能导致加热气体，这可以导致气体膨胀，随后被压缩，最终达到与等容加热相同的压力、体积和温度。
[0609]
在示例性实施方式中，过程包括在气体膨胀时对气体进行等压加热，然后进行绝热压缩，例如在诸如旋转臂714之类的管道中进行绝热压缩。
[0610]
在一些实施方式中，准等容加热是沿着旋转管道例如臂714实现的，其中离心力对流体和气体混合物流产生增加的压力。
[0611]
图7b、图7c和图7d示出了与htf 724 734 744池相关的喷嘴的三个示例性实施方式配置的侧剖视图。
[0612]
图7b、图7c和图7d示出了安装在安装件721 731 741上的喷嘴722 732 742。在图7b、图7c和图7d的非限制性示例中，安装件包括加压空气进给部。
[0613]
图7b、图7c和图7d示出了提供向前推动力726 736 746的喷嘴722 732 742，其可用于使图7a的轴706旋转，从而产生功。
[0614]
图7b和图7c示出了喷嘴722 732，加热的htf进给723 733到喷嘴的前部。在图7b和图7c的实施方式中，进给到喷嘴722 732中的htf处于进给到喷嘴742中的所需温度。在如图7b和图7c所示的一些实施方式中，htf池724 734中的htf可能不被加热，并且htf在被提供给喷嘴722 732时可以被加热。在如图7b和图7c所示的一些实施方式中，htf池724 734中的htf可以被加热到期望的温度。
[0615]
图7d示出了在htf池744内行进的喷嘴742。在图7d的实施方式中，htf池744中的htf处于用于进给到喷嘴742中的期望温度。在一些实施方式中，htf池744中的htf被加热到
期望温度。
[0616]
图7b示出了喷嘴722在htf池704上方行进的喷嘴配置。
[0617]
图7c示出了喷嘴732掠过htf池704的表面的喷嘴配置。
[0618]
图7d示出了喷嘴742浸没在htf池704中的喷嘴配置。
[0619]
图7c和7d示出了喷嘴732 742，其中htf流出734 744直接进入htf池704。图7b示出了喷嘴722将htf 724排出在空气中，并且排出的htf 724落入htf池704。
[0620]
在一些实施方式中，翅片735 745或挡板735 745放置在htf池中，以使从喷嘴732 742出来的流734以类似于在冲击式涡轮机杯中流动的方式旋转。这种翅片可能通过降低htf在htf池704中的速度来提高效率，并且可能对htf从喷嘴732 742的流出734 744提供阻力，并可能增加由喷嘴732 742提供的前向推动力736 746。在一些实施方式中，翅片735 745可选地设计成中断htf的流动管线737 747混合流动，以消除池中htf的循环流动。消除池中的这种流动潜在地减少了在htf池744内操作的喷嘴742的拖曳。
[0621]
在一些实施方式中，htf池中的htf例如是处于高温和环境压力下的670k下的油、熔盐或其他流体。在一些实施方式中，当温度下降到低于特定温度时更换或重新加热htf。
[0622]
在这种喷嘴中，增加气流会增加功率。
[0623]
在一些实施方式中，例如如图7d所示，htf池中喷嘴的速度在每秒10米与50米之间。增加喷嘴的速度会增加功率，直到拖曳限制效率。
[0624]
在一些实施方式中，注入空气721的初始压力为2巴或更高，可选地高于10巴、20巴或40巴。与喷嘴发动机相关的一个参数是以克/秒为单位的气流。对于2kw功率的发动机，典型值在每秒20克与40克之间。增加气流会增加推力(功率)。可以通过将每秒400克的空气供应注入到以每秒20米的速度旋转的单个喷嘴来实现20kw的发动机。喷嘴中的气流速率通常小于htf质量的0.3％，减压后，空气的体积通常不超过空气加htf体积的70％。应注意，增加入口面积会增加喷嘴的推力。
[0625]
如图7d所示的喷嘴浸入htf中的配置的潜在问题是拖曳力，它可以将发动机效率降低50％。在一些实施方式中，可选地通过降低旋转速度来降低拖曳力。
[0626]
在一些实施方式中，通过将喷嘴大部分放置在htf水平面之外并且仅出口喷嘴接触htf水平面来减少拖曳力，如图7c所示。当喷嘴在htf外部时，喷嘴的入口连接到供应htf的管道，此外喷嘴还有供应空气的管道。
[0627]
在一些实施方式中，空气供应管道和/或htf供应管道沿着或通过连接到喷嘴发动机的旋转对称轴的杆而连接到喷嘴。
[0628]
对流动方向进行塑造
[0629]
在一些实施方式中，旋转臂、例如图7a中所示的旋转臂714的流动方向形状可选地不是直的。
[0630]
在一些实施方式中，在确定旋转水平管道的形状时可选地考虑离心力和/或科里奥利力。
[0631]
考虑的一些因素包括：
[0632]
防止气体和流体混合物中的气穴现象；
[0633]
由于施加在htf上的力，htf从管道壁分离；
[0634]
流体与管道壁摩擦引起的摩擦损失；以及
[0635]
保持气体和流体的混合物，和/或防止气泡生长并将气体与流体分离，和/或防止气体气泡向与流体不同的方向行进。
[0636]
在一些实施方式中，管道形状类似于沿径向方向从旋转传送带的中心向外朝向传送带的边缘抛出的球的路径。
[0637]
在一些实施方式中，管道形状被设计成降低气体和流体混合物的径向速度，其在一些实施方式中甚至达到在管道的周向端部处纯切向的流动。
[0638]
我们注意到，当气体和流体混合物在到达管道的喷嘴端部时沿切线方向流动时，气体气泡可能会“漂浮”在与离心力方向相反的方向上，或者与htf流相切，这可能会将气体与htf分离，这可能会降低发动机的效率。在一些实施方式中，为了消除气体与流体的潜在分离，可选地在管道内部添加翅片，布置成沿流动方向旋转流动。通过这样做，气体气泡可选地保持在与htf均匀混合的均匀混合物中。
[0639]
现在参考图8a，图8a是根据示例实施方式的类似多喷气发动机配置的设备的简化图示。
[0640]
图8a示出了反应装置800，反应装置800具有两个喷嘴802和两个弯曲的或s形的臂814。图8a还示出了气体或空气入口807，气体或空气入口807将空气或气体引入管道806中，管道806提供空气或气体到混合腔室808。
[0641]
弯曲臂814通过罐或容器816中的流体入口812接收流体输入。弯曲臂814在支承件810上旋转。
[0642]
在一些实施方式中，弯曲臂814可选地被设计和/或成形为降低气体和流体混合物的径向速度，其在一些实施方式中甚至达到在喷嘴802处纯切向的流动。
[0643]
在一些实施方式中，弯曲臂814可选地设计和/或成形为在气体和流体混合物的混合和/或流动期间减少和/或消除空化。
[0644]
在一些实施方式中，通风口818可以可选地设置在罐或容器816中。通风口818可以用于从容器816中引导加热的气体，以用作可选的附加或第二热力发动机(未示出)的热源，以用于从图8a的热力发动机的余热中收集能量。
[0645]
在一些实施方式中，第二热力发动机可选地与图8a的热力发动机具有相同类型，可选地以不同的温度和/或压力设置操作。
[0646]
现在参考图8b和图8c，图8b和图8c是根据示例实施方式的反应装置的简化图示。
[0647]
图8b是立体图，而图8c是从上面看的剖视图。
[0648]
图8b和图8c示出了具有四个喷嘴834的转子830的实施方式。转子830包括用于空气的入口端口832、用于htf的入口端口(未示出)，并且横截面图8c还示出用于气体和流体混合物从转子830的中心到喷嘴834的螺旋流动路径。
[0649]
联合反应和脉冲发动机
[0650]
如图7a-7d所示的反应喷嘴(喷嘴通过对喷射的气体和流体的反应而加速)和如图5和图6所示的脉冲涡轮机可以可选地潜在地提高效率。从图7a-7d中所示的喷嘴喷出的气体和流体射流与世界相比可能不是零速度，这意味着气体和流体射流中存在可以收集的残余能量。
[0651]
在一些实施方式中，附加的脉冲发动机，例如图5或图6中所示的佩尔顿轮可用于将这种残余动能转化为功或电。
[0652]
在一些实施方式中，这种次级脉冲发动机或佩尔顿轮的实施方式可以是围绕反应喷嘴的环，也能够旋转，并且被喷射的气体和流体混合物旋转。在一些实施方式中，环可以可选地具有与反应涡轮机的臂相同的旋转中心。
[0653]
现在参考图9，图9是根据示例实施方式的处于组合反应和脉冲构造的热力发动机的简化图示。
[0654]
图9是热力发动机900的俯视图，示出了两个反应喷嘴902，安装在两个旋转臂914上，沿第一方向906旋转，对气体和流体混合物903进行喷射。图9还示出了环916和翅片或杯904捕获喷出的气体和流体混合物903，减慢喷出的气体和流体混合物903的速度，甚至可能将喷出的气体和流体混合物903的速度减慢到零，并且沿与第一方向906相反的第二方向908使环916旋转。
[0655]
在一些实施方式中，旋转臂914提供旋转运动以对一个能量采集器(未示出)产生功或电，并且旋转环916提供旋转运动以对另一能量采集器(未示出)产生功或电。
[0656]
在一些实施方式中，旋转臂914和旋转环916机械连接以提供旋转运动以向能量采集器(未示出)产生功或电。
[0657]
图9示出了连接旋转臂914和旋转环916的可选齿轮910，以提供它们的旋转运动以产生功或电。
[0658]
在一些实施方式中，环以旋转臂的旋转速度的一半速度旋转。这样的实施方式可以提供捕获旋转运动以产生功或电的最佳效率。
[0659]
在一些实施方式中，外环可以可选地包括类似于特斯拉涡轮机形式的翅片，其可以潜在地抵抗气蚀。沿着环放置成排的密集的翅片、叶片或板，而不是杯状件。喷射的气体和流体射流可选地在叶片之间流动，并通过粘性和/或粘附力使环旋转。
[0660]
本文所述的htf发动机可能在低温下具有出色的效率，这可能非常适合从废热中收集能量。
[0661]
作为非限制性示例，htf发动机可以潜在地作为传统发电机、例如燃气轮机的联合(次级)循环，使用其废热，该联合由此增加收集的总功率。
[0662]
作为非限制性示例，可以使用例如汽油、氢气、天然气或柴油运行的发电机排出的废气温度高于300℃，适合用于本文所述的htf发动机，其中效率在30％以上。
[0663]
如本文所述在热力发动机中使用清洁空气作为压缩气体可将可选用作htf的导热油的最大操作温度限制在300℃以下，以避免导热油htf和清洁空气自燃。这可能会限制发动机效率。废气可能含氧量低。
[0664]
在一些实施方式中，废气可选地用于加热以及作为压缩气体的一者或更多者可以提高效率。
[0665]
在一些实施方式中，废气对油htf进行加热，从而失去热量和冷却，然后由压缩机进行压缩。可选地，废气被绝热压缩，再次增加它们的温度，并且增加的温度可能潜在地增加htf温度和膨胀效率。
[0666]
在一些实施方式中，压缩机可选地将气体与水混合，并且水提取由压缩产生的热量，保持气体温度与水的温度相等，使得在存在水的情况下的压缩成为等温压缩。
[0667]
废气中的低氧含量可能允许使用油，同时避免在高温下自燃，所述高温例如300c、350c或400c，这可能取决于废气中的氧浓度。
[0668]
应注意，图5、图6、图7、图8a-8c、图9和图10中描述的热力发动机或喷嘴或涡轮机也可以在环境温度下运行，通过气体或空气的等温膨胀将气体或空气压力转化为动能。这种转换可能有助于将以压缩空气形式存储的能量转换为连续过程中的功。
[0669]
等温连续气体压缩
[0670]
下面描述的实施方式提供等温或准等温连续气体压缩。这样的实施方式可以潜在地消除对压缩空气腔室的需要。
[0671]
本文描述了等温气体压缩的一些实施方式。
[0672]
然而，在一些实施方式中，应用准等温压缩工艺。使用准等温压缩工艺的示例实施方式可以包括较冷的气体和较热的流体的混合，其中发生流体对气体的加热，随后是气体的额外压缩。总而言之，气体的温度与流体的温度相等，然后通过流体压力进一步压缩气体，气体最终压力高于通过例如等容加热实现的压力，并且可能更接近等温压缩。
[0673]
现在参考图10a，图10a是根据示例实施方式的用于连续等温气体压缩的装置的简化图示。
[0674]
图10a示出了装置1000，装置1000包括罐或容器1002，由分隔器1005分成下部部分1004和上部部分1006。
[0675]
一个或更多个喷嘴1016安装在臂1014上。臂1014设计为旋转，类似于图7a-7d、图8a-8c和图9所示的臂。
[0676]
当臂1014和喷嘴1016旋转时，可选地通过机械轴或电动机(未示出)旋转，离心力作用在臂中的流体上，迫使流体流向喷嘴1016并从喷嘴1016流出1022。流体的运动产生吸力1024，从下部部分1004吸取更多的流体1010。当臂旋转时，流体1010被吸入或泵入上部部分1006。随着流体1010被添加到上部部分1006，空气或气体被压缩，从而提高容器1002的上部部分的压力。
[0677]
可以使用压缩气体或空气，例如通过管道1028抽吸，管道1028上可以包括也可以不包括压力阀。
[0678]
在一些实施方式中，用于连续压缩的附加气体或空气可通过单向阀被提供至上部部分1006(未示出)，从而使气体或空气能够进入上部部分1006。
[0679]
在一些实施方式中，可以通过管道1020向旋转臂1014提供1018用于连续压缩的附加气体或空气。臂1014的旋转和流体从喷嘴1016的喷射1022可选地吸入附加气体或空气，并且即使在臂1014中，离心力也会对进入的气体或空气进行压缩。
[0680]
将气体或空气提供到旋转臂中的流体中可能会增加由压缩的气体和流体混合物从喷嘴1016喷出1022的力。增加由压缩的气体和流体混合物从喷嘴1016喷出1022的力可能会减少使臂1014旋转所需的力，从而可能通过对相同或更大的压缩压力需要更少的力来提高装置1000的能量效率。
[0681]
在一些实施方式中，浮阀1008使积聚在顶部部分1006中的流体能够流回底部部分1004，以便不积聚在顶部部分1006中，并且不允许释放压缩气体。
[0682]
在一些实施方式中，下部部分1004处于环境压力下。图10a示出了可选的开口1012，开口1012能够平衡下部部分1004与容器1002外部之间的压力。
[0683]
在一些实施方式中，马达或机械轴(未示出)旋转臂1014和喷嘴1016，引起对流体1010进行抽吸的离心力。在竖直(轴向)管道1026的上层，压力低于环境压力，这使环境压力
下的气体以可选的受控速率进入管道。在一些实施方式中，气体流速被控制为与流体流速相比足够小以维持旋转臂1014中的气体不连续性从而维持液体的离心压力。压力随着与旋转中心的径向距离增加而增加。
[0684]
在一些实施方式中，流体1010的流速可选地高于气体流速的20％。离心力对气体进行压缩，而流体温度可选地与气体温度相等。流体通常具有比气体高得多的热容量，因此气体被带到流体的温度。
[0685]
在一些实施方式中，流体比气体或空气热，导致气体或空气的压力通过增加的温度而增加。
[0686]
喷嘴1016的旋转速度和距中心的距离通过离心力增加了从喷嘴输出的气体的压力。
[0687]
压缩空气被收集在容器1002的上部部分1006中，并可能通过压力阀连续排出，而流体通过浮阀1008返回到下部部分1004，以再次被吸入喷嘴1014。
[0688]
在一些实施方式中，这样的装置可以轴连接到如图7a-7d、图8a-8c和图9所示的热力发动机以供应压缩气体，使得由热力发动机产生的一些能量可以为用于热力发动机的空气或气体的压缩提供动力。
[0689]
可以实现类似的构造，其中压缩空气腔室附接到喷嘴中的每个喷嘴，并且压缩气体或空气从压缩空气腔室(一个或更多个)中抽出。
[0690]
现在参考图10b，图10b是根据示例实施方式的用于连续等温气体压缩的装置的简化图示。
[0691]
图10b是图10a的示例实施方式的示例实施方式变体。
[0692]
图10b示出了包括罐或容器1042的装置1040，其中一个或更多个发动机或喷嘴1056安装在臂1044上。臂1044被设计成旋转，类似于图7a-7d、图8a-8c、图9和图10a所示的臂或转子。
[0693]
当臂1044和喷嘴1056旋转时，可选地通过机械轴或电动机(未示出)旋转，离心力作用在臂中的流体上，迫使流体流向喷嘴1056并从喷嘴1056流出1062。流体的运动产生吸力1060 1064，从容器1042抽吸流体1050。随着臂旋转，流体1050被吸入或泵入臂1044，并且气体或空气1060也被吸入臂1044。空气或气体1060被压缩，提高了安装在喷嘴1056出口处的压力腔室1057中的压力。
[0694]
压力腔室1057中的压缩气体或空气可以例如通过从压力腔室1057引出的管道1064抽吸并在装置1040的出口处提供1070压缩气体或空气来使用，装置1040上可以包括或可以不包括压力阀。
[0695]
在一些实施方式中，阀1058使积聚在压力腔室1057中的流体能够流回容器1042，从而不积聚在压力腔室1057中。
[0696]
在一些实施方式中，容器1042处于环境压力下。图10b示出了可选的开口1052，开口1052使容器1042能够与容器1042外部的压力相等。
[0697]
图7a-7d、图8a-8c和图9示出了可选地接收压缩气体或空气输入的热力发动机。图10a和图10b示出了压缩空气发生器。
[0698]
热力发动机和压缩空气发生器可以结合使用。
[0699]
现在参考图11，图11是根据示例实施方式的使用热力发动机和压缩空气发生器的
组合的能量产生系统的简化图示。
[0700]
图11示出了包括压缩空气发生器1102和热力发动机1104的系统1100。
[0701]
图11的压缩空气发生器1102包括含有位于旋转臂1110上的一个或更多个喷嘴1108的第一容器1106，从第一容器1106吸取1112流体1114，吸入1116气体或空气，并将1118气体和流体混合物喷射到第一容器1106中。该过程在第一容器1106中产生压力增加。
[0702]
压缩气体通过连接管道1120从压缩空气发生器1102流向热力发动机1104。
[0703]
在一些实施方式中，可选的压力阀1122维持第一容器1106中的特定压力并用于向热力发动机1104供应气体。
[0704]
热力发动机1104包括第二容器1124，第二容器1124包含旋转臂1128上的一个或更多个喷嘴1126。当臂1128旋转时，热力发动机从第二容器1124吸取1130流体1132，并通过管道1120接收压缩气体或空气，进入臂1128。该旋转通过喷嘴1126喷射1134气体和流体混合物，产生使臂1128旋转的反应，从而产生功或能量。
[0705]
在一些实施方式中，作为非限制性示例，热力发动机1104通过诸如链条1136之类的机械链节向压缩空气发生器1102提供动力。在一些实施方式中，机械链节可以包括一个或更多个轴，或齿轮。
[0706]
在一些实施方式中，热力发动机1104可选地通风1138，以便在热力发动机1104的操作期间不升高压力。
[0707]
在一些实施方式中，提供了具有热回收的可能连续运行的热力发动机。气体，例如空气、氮气或废气，可选地在室温下被连续等温压缩。
[0708]
在一些实施方式中，气体在进入用作热力发动机的等温膨胀系统涡轮之前可选地被等容加热。
[0709]
在一些实施方式中，气体在室温下被注入，然后通过离心力随着水平旋转管道中的流动被等容加热。
[0710]
在一些实施方式中，喷嘴中的气体等温膨胀使等温压缩单元和电动马达两者旋转。气体在高温和环境压力下从喷嘴中排出。
[0711]
在一些实施方式中，热交换器可选地提取用于冷空气输入的等容加热的热量。可选地，热量对冷空气加热，同时气体膨胀，随后通过旋转的htf的离心力进行气体压缩。
[0712]
在一些实施方式中，可以使用准等容压缩，例如，执行冷空气的等压加热，然后通过htf的离心力进行绝热压缩，这可能不如等容加热有效。
[0713]
在一些实施方式中，如图10a-10b、图11和图12所示的两个联接的系统可选地用于压力电池的连续充电和/或压力电池的连续放电。
[0714]
在一些实施方式中，电力对气体压缩单元进行驱动，如图10a-10b和图11所示。
[0715]
在一些实施方式中，热量驱动诸如本文所述的热力发动机，例如图11的热力发动机1104，以用于压力罐的气体或空气的连续等温压缩。加压气体或空气随后可选地用于连续等温膨胀单元中的连续排放以使用诸如图11的热力发动机1104之类的热力发动机产生能量。
[0716]
在一些实施方式中，气体的等温膨胀可以在环境温度下进行，可选地与水混合，以将压力转化为电。
[0717]
在一些实施方式中，水被加热，并且被加热的水增加膨胀和提取能量的量，例如以
电的形式。
[0718]
在一些实施方式中，可选地使用高温htf以连续模式从压力和热量两者发电。
[0719]
现在参考图12a和图12b，图12a和图12b是根据示例实施方式的添加和未添加空气或气体的水射流的照片。
[0720]
图12b示出了空气压力如何转化为动能。
[0721]
从空气或气体与水的混合物中提取能量的过程的效率被计算为从喷嘴喷出的水射流中的额外能量与压缩空气的等温能量之间的比率。计算比较了实验装置入口处的值和喷嘴出口处的值，如下所示：
[0722][0723]
其中以“in”为下标的值为入口处的值，以“out”为下标的值为从喷嘴出口处的值，“a”下标表示空气值，“w”下标表示水值，ρ表示水的密度，p表示压力，pa是环境气压，v是水体积，u是水流速度。测量入口水的压力p
in
和注入空气的压力pa以及和空气两者的流速。u
in
是根据流速和截面计算的。
[0724]
使用喷嘴的实验表明，由于水中气体的等温膨胀，效率超过80％。
[0725]
进行了比较，将连接到仅通过htf流操作的喷嘴的称重传感器上的负载和与速率高达10克/秒、压力高达3巴的气体或气体气泡的htf流进行比较。
[0726]
图12a示出了从喷嘴喷出的第一水射流1202，图12b示出了从同一喷嘴喷出的第二气体和水射流1204，其中在2巴压力下以10克/秒的速度向水中添加空气。
[0727]
射流1202、1204到达的距离和高度说明第二射流1204包含比第一射流1202更多的能量。
[0728]
现在参考图13，图13是根据示例实施方式的方法的简化流程图图示。
[0729]
图13的示例性实施方式方法是一种用于将热量转换为机械功的方法，包括：
[0730]
将以第一温度进入的传热流体(htf)提供给混合腔室(1302)；
[0731]
将以第二温度进入的压缩气体提供给混合腔室(1304)；
[0732]
使气体和htf能够混合，从而产生气体和htf混合物(1306)；
[0733]
使气体和htf混合物中的htf能够对气体进行加热并且使气体和htf混合物中的气体进行等温膨胀(1308)；
[0734]
对气体和htf混合物中htf的体积进行限制，从而增加气体的压力并且导致气体和htf混合物的流动加速(1310)；
[0735]
使气体和htf混合物通过喷嘴喷出，从而将htf的热量转化为动能(1312)；以及
[0736]
使用动能来产生机械功(1314)。
[0737]
现在参考图14，图14是根据示例实施方式的系统的简化图示。
[0738]
图14的系统包括如本文所述的能量产生部件，以及附加的可选部件。
[0739]
图14示出了为发电机1408提供动力的热力发动机1402。
[0740]
在一些实施方式中，热力发动机1402可以为向热力发动机1402提供压缩空气或气
体的压缩机1406提供动力。
[0741]
在一些实施方式中，发电机1408可以为向热力发动机1402提供压缩空气或气体的压缩机1406提供动力。
[0742]
在一些实施方式中，提供1405用于操作热力发动机1402的加热的流体。该流体由热源1412加热，作为一些非限制性示例，例如为太阳能加热、地热加热、来自发电厂的废热、来自用于冷却原子能发电厂的冷却剂的热量、来自用于冷却化石燃料发电厂的冷却剂的热量、化石燃料燃烧、来自工业应用例如水泥制造、吸热化学反应等的热量。
[0743]
在一些实施方式中，加热的流体可以可选地存储在可选的输入储存器1404中。
[0744]
在一些实施方式中，来自热力发动机1402的热气体或空气可以可选地用于对预热储存器1410中的流体进行加热，预热储存器1410可能地对从热力发动机1402排出的热量进行收集，并且可选地使用热量来对旨在于热力发动机1402的运行中使用的流体进行预热。
[0745]
在一些实施方式中，压缩空气的等容加热在热力发动机1402中完成。加热的空气到达热力发动机中的喷嘴并且产生作为旋转运动的机械能。
[0746]
在一些实施方式中，部分机械能驱动压缩机1406，可选地通过机械轴或皮带或链传动驱动，并且额外的机械能用于为发电机1408提供动力。
[0747]
在一些实施方式中，发电机也可以通过机械轴或皮带或链传动来驱动。
[0748]
在一些实施方式中，空气用作被压缩的气体，并且例如在550摄氏度的温度下的熔盐用作传热流体。从喷嘴喷出的热空气可能地接近环境压力，但仍然很热，例如处于接近550摄氏度的温度，可以可选地被引导至预热储存器1410，以用于热再利用。
[0749]
在一些实施方式中，出现的热空气可以可选地驱动第二热力发动机(未示出)，在一些实施方式中是处于较低温度的第二热力发动机。
[0750]
如上式所计算的，图14中所示的系统预计将以η＞40％的效率运行。
[0751]
预计在本技术到期的专利有效期内，将开发出许多相关的热力发动机，并且术语热力发动机的范围旨在包括所有此类先验新技术。
[0752]
如本文所用，关于数量或值，术语“约”是指“在
±
75％以内”。
[0753]
术语“包含”、“包括”、“具有”及其变体表示“包括但不限于”。
[0754]
术语“由...组成”旨在表示“包括并限于”。
[0755]
术语“基本上由...组成”是指该组合物、方法或结构可以包括额外的成分、步骤和/或部分，但前提是额外的成分、步骤和/或部分不会实质性地改变要求保护的组成、方法或结构的基本和新颖特征。
[0756]
如本文所用，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。例如，术语“单元”或“至少一个单元”可以包括多个单元，包括它们的组合。
[0757]
此处使用的词语“示例”和“示例性”是指“用作示例、实例或说明”。描述为“示例或示例性”的任何实施方式不一定被解释为优选或优于其他实施方式和/或排除并入来自其他实施方式的特征。
[0758]
此处“可选”一词的意思是“在一些实施方式中提供，在其他实施方式中不提供”。本公开的任何特定实施方式可以包括多个“可选”特征，除非这些特征冲突。
[0759]
贯穿本技术，本公开的各种实施方式可以以范围格式呈现。应当理解，范围格式的描述仅仅是为了方便和简洁，而不应被解释为对本公开范围的僵化限制。因此，范围的描述
应该被认为已经具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的各个数值。例如，对诸如1至6的范围的描述应被视为具有具体公开的子范围，例如1至3、1至4、1至5、2至4、2至6、从3到6等，以及该范围内的单个数字，例如1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。
[0760]
每当此处指示数值范围时(例如“10-15”、“10到15”或由这些另一个此类范围指示链接的任何一对数字)，都意味着包括范围内的任何数字(分数或整数)指示的范围限制，包括范围限制，除非上下文另有明确规定。短语“范围/范围变化/范围介于”第一个表示数字与第二个表示数字，“范围/范围变化/范围从”第一个表示数字“到”、“最多”、“直到”或“通过”(或另一个这样的范围指示术语)第二指示数字在本文中可互换使用并且意在包括第一指示数字和第二指示数字以及它们之间的所有分数和整数。
[0761]
除非另有说明，本文中使用的数字和基于该数字的任何数字范围都是在合理测量精度和本领域技术人员理解的舍入误差范围内的近似值。
[0762]
应当理解，为了清楚起见，在单独实施方式的上下文中描述的本公开的某些特征也可以在单个实施方式中组合提供。相反，为简洁起见，在单个实施方式的上下文中描述的本公开的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合或在本公开的任何其他描述的实施方式中合适地提供。在各种实施方式的上下文中描述的某些特征不应被认为是那些实施方式的基本特征，除非该实施方式在没有这些元件的情况下不起作用。
[0763]
尽管已经结合其特定实施方式描述了本公开，但是显然许多替代、修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的。因此，旨在涵盖落入所附权利要求的精神和广泛范围内的所有此类替代、修改和变化。
[0764]
申请人的意图是将本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用整体并入说明书中，就如同每个单独的出版物、专利或专利申请都是具体和单独的一样在引用时指出，它将通过引用并入本文。此外，本技术中对任何参考文献的引用或识别不应被解释为承认此类参考文献可作为本发明的现有技术使用。就使用章节标题而言，它们不应被解释为必然限制。此外，本技术的任何优先权文件通过引用整体并入本文。

技术特征：
1.一种将热量转化为机械功的方法，所述方法包括：将以第一温度进入的传热流体(htf)提供给混合腔室；将以第二温度进入的压缩气体提供给所述混合腔室；使所述气体和所述传热流体能够混合，从而产生气体和传热流体混合物；使所述气体和传热流体混合物中的所述传热流体能够对所述气体进行加热并且使所述气体和传热流体混合物中的所述气体进行等温膨胀；对所述气体和传热流体混合物的体积进行限制，从而增加所述气体的压力并且导致所述气体和传热流体混合物的流动加速；使所述气体和传热流体混合物通过喷嘴喷出，从而将所述传热流体的热量转化为动能；以及使用所述动能来产生机械功。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机械功用于对发电机进行驱动。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述机械功用于对压缩机进行驱动，所述压缩机用于对进入的所述压缩气体进行压缩。4.根据权利要求1所述的方法，其中，进入的所述传热流体的所述第一温度大于90摄氏度。5.根据权利要求1所述的方法，其中，进入的所述气体的所述第二温度低于所述第一温度。6.根据权利要求1所述的方法，其中，提供进入的气体，提供进入的传热流体；以及使所述气体和传热流体混合物流过喷嘴包括：将进入的气体提供给多个混合腔室；将进入的传热流体提供给所述多个混合腔室；以及使所述气体和传热流体混合物能够流过多个喷嘴，以及利用所述多个喷嘴的运动来产生功。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体是被所述传热流体进行准等容加热的。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述气体是被所述传热流体进行等容加热的。9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过对选自由以下各项组成的组的参数进行控制来控制对所述动能的产生：进入的所述压缩气体的压力；进入的所述气体的流速；进入的传热流体的流速；所述喷嘴的尺寸；以及所述喷嘴的形状。10.一种用于产生机械功的设备，所述设备包括：热力发动机，所述热力发动机包括：用于对传热流体(htf)进行接受的传热流体输入端口；用于将气体注入到传热流体中的气体注入端口；用于对所述气体和所述传热流体进行混合的腔室，从而产生气体和传热流体混合物；
以及用于所述气体和传热流体混合物进行喷射的喷嘴；以及转子，其中，所述热力发动机包括一个或更多个喷嘴，使得当所述气体和传热流体混合物通过所述一个或更多个喷嘴被喷出时，所述转子响应于喷出的所述气体和传热流体混合物而旋转，从而产生机械功。11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述设备包括：多个热力发动机；以及多个喷嘴。12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述转子包括多个臂。13.根据权利要求10所述的设备，其中，所述热力发动机被设计成在高于200摄氏度的温度下承受传热流体。14.根据权利要求10所述的设备，其中，所述热力发动机被设计成承受包括熔盐的传热流体。15.根据权利要求10所述的设备，其中，所述热力发动机被设计成防止所述气体和传热流体混合物中的气穴现象。16.一种用于对热力发动机进行操作的方法，所述方法包括：将传热流体(htf)提供给热力发动机；将气体提供给热力发动机；使气体和传热流体混合物中的气体进行等温膨胀，从而导致所述热力发动机内部的所述传热流体加速；以及使用经加速的所述传热流体来产生功。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述等温膨胀是准等温膨胀。18.根据权利要求16所述的方法，其中，在实现等温膨胀或准等温膨胀之前，引起所述气体的等容加热。19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述热力发动机包括喷嘴。20.根据权利要求16所述的方法，其中，提供所述传热流体包括提供处于高于50摄氏度的温度下的传热流体。21.根据权利要求16所述的方法，其中，提供所述传热流体包括提供处于环境温度下的传热流体。22.根据权利要求16所述的方法，其中，将气体与所述传热流体混合包括提供处于高于环境压力下的气体。23.根据权利要求16所述的方法，其中，将气体与所述传热流体混合包括提供处于高于环境温度下的气体。24.根据权利要求16所述的方法，其中，将气体与所述传热流体混合包括提供处于环境温度下的气体。25.根据权利要求16所述的方法，其中，将气体与所述传热流体混合包括提供处于高于环境温度下的气体。26.根据权利要求16所述的方法，其中，所产生的功用于对气体加压。
27.根据权利要求16所述的方法，其中，离开所述热力发动机的热气体用于对所述传热流体进行加热。28.根据权利要求16所述的方法，其中，离开所述热力发动机的热气体用于对另外的热力发动机进行驱动。29.一种热力发动机，所述热力发动机包括：用于传热流体(htf)的输入部；用于将气体注入到所述传热流体中的气体喷射器；用于使气体和传热流体混合物中的所述气体进行等温膨胀从而导致所述热力发动机的内部的所述传热流体加速的部分；以及所述气体和传热流体混合物的输出部。30.根据权利要求29所述的热力发动机，包括用于对所述气体和传热流体混合物中的气体进行等容加热的部分。31.根据权利要求29所述的热力发动机，其中，所述热力发动机包括所述热力发动机的用于所述气体的等温膨胀的逐渐变窄的部分。32.根据权利要求29所述的热力发动机，其中，所述热力发动机包括所述热力发动机的用于对所述气体进行等容加热的部分。33.根据权利要求29所述的热力发动机，其中，所述热力发动机包括供所述传热流体流过的喷嘴。34.根据权利要求29所述的热力发动机，其中，所述发动机机械地连接以提供用于将加压气体提供至所述气体喷射器的动力。35.根据权利要求29所述的热力发动机，其中，所述发动机被连接以产生电力来为加压气体提供动力，从而将加压气体提供给所述气体喷射器。36.一种产生旋转动力的方法，所述方法包括：将根据权利要求29所述的热力发动机安装在至少一个转子臂上；以及向所述热力发动机提供流体和加压气体以使所述转子臂旋转。37.根据权利要求36所述的方法，其中，提供流体包括提供温度高于环境温度的加热的流体。38.根据权利要求36所述的方法，其中，提供加压气体包括：提供加压气体并且在距所述转子臂的旋转轴线的如下径向距离处将所述加压气体注入到所述流体中：所述径向距离小于所述气体和传热流体混合物的所述输出部的径向距离。39.根据权利要求36所述的方法，其中，提供加压气体包括：提供加压气体并且在将所述流体输入到所述气体和传热流体混合物的输出部之前的位置处将所述加压气体注入到所述流体中。40.根据权利要求38所述的方法，其中，将所述加压气体注入到所述流体中的所述位置被选择为处于以下位置：在所述位置中不阻止沿着所述臂向外流动的流体流将传热流体从传热流体源吸入到所述臂中。41.根据权利要求38所述的方法，其中，将所述加压气体注入到所述流体中的所述位置被选择为处于以下位置：在所述位置中沿着所述臂向外流动的传热流体将气体拖向所述气体和传热流体混合物的所述输出部。
42.一种对热力发动机进行操作的方法，所述方法包括：将处于第一温度和第一压力下的气体提供给加热腔室；通过来自传热流体(htf)的传热将所述加热腔室中的所述气体等容加热至比所述第一温度高的第二温度，从而将所述气体压力增加至比所述第一压力高的第二压力；将被加热且加压的所述气体提供到包括传热流体的压力腔室中；以及使用所述压力产生传热流体流来对发动机进行操作。43.根据权利要求42所述的方法，包括在所述压力腔室中对所述传热流体和被加热且加压的所述气体进行混合。44.根据权利要求42所述的方法，包括：对从所述发动机排出的所述传热流体进行收集；以及将收集到的所述传热流体提供回到所述压力腔室中。45.根据权利要求42所述的方法，包括：通过使用选自由以下各者组成的组中的热源来对所述传热流体进行加热：太阳能板；聚光太阳能接收器；地热热源；电加热器；化学放热反应；机械摩擦；以及废热。46.根据权利要求42所述的方法，其中，所述发动机提供能量以将处于环境压力的气体压缩到处于第一压力的气体腔室中，并且将处于第一温度和第一压力下的气体提供到加热腔室包括从所述传热流体的腔室进行提供。47.根据权利要求42所述的方法，其中，所述传热流体包括选自由以下各者组成的组的流体：水；油；熔盐；以及熔融金属。48.一种将热量转化为机械功的方法，所述方法包括：将进入的传热流体(htf)提供给混合腔室；将进入的压缩气体提供给所述混合腔室；使所述气体和所述传热流体能够混合，从而产生气体和传热流体混合物；使所述气体和传热流体混合物中的所述气体能够进行等温膨胀，从而减小所述气体的压力并且导致所述气体和传热流体混合物的流动加速；使所述气体和传热流体混合物通过喷嘴喷出，从而将所述传热流体的热量转化为动能；以及使用所述动能来产生电。49.一种连续等温压缩的方法，所述方法包括：
将传热流体(htf)提供到传热流体流管道的传热流体输入部；使所述管道旋转，从而在所述传热流体上引起离心力，以从所述输入部流向第二、更远端的径向位置；将气体提供给所述管道的气体输入部，从而对所述气体和所述传热流体进行混合，其中随着所述气体沿着所述管道流动，由所述管道的旋转引起的增加的离心力导致气体被压缩；以及通过将压缩的热量传递给所述传热流体，使所述气体在压缩过程中保持温度。50.一种系统，所述系统包括：加热腔室，所述加热腔室包含处于第一温度和第一压力下的气体；加热器，所述加热器用于对所述气体进行加热，从而使气体温度和气体压力增加；压力腔室，所述压力腔室布置成接受被加热和加压的所述气体，所述压力腔室包含传热流体(htf)，所述压力腔室包括：用于将所述传热流体与所述气体进行混合的混合元件；以及开口，所述开口用于使所述传热流体以伴随所述气体的等温膨胀的加速的速度离开；以及发动机，所述发动机布置成对经加速的所述传热流体进行接受并且产生功。

技术总结
一种将热量转化为机械功的方法，所述方法包括：将以第一温度进入的传热流体(HTF)提供给混合腔室；将以第二温度进入的压缩气体提供给混合腔室；使气体和传热流体能够混合，从而产生气体和传热流体混合物；使气体和传热流体混合物中的传热流体能够对气体进行加热并且使所述气体和传热流体混合物中的气体进行等温膨胀；对气体和传热流体混合物的体积进行限制，从而增加所述气体的压力并且导致所述气体和传热流体混合物的流动加速；使气体和传热流体混合物通过喷嘴喷出，从而将传热流体的热量转化为动能；以及使用所述动能来产生机械功。还描述了相关设备和方法。还描述了相关设备和方法。还描述了相关设备和方法。


技术研发人员：卡梅尔
受保护的技术使用者：泰克年研究发展基金会公司
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2023/5/16