增加流体动力机上的熵流的方法与流程

1.本发明涉及一种提高流体动力机的效率的方法，其中受导引通过所述流体动力机的流体将动能传递至所述流体动力机。


背景技术：

2.热力循环在技术上以多种方式应用于能量转化。在最重要的公共能源供给的过程中，所使用的绝大部分能量仍由化石能源提供，这些化石能源是数百万年间在地球上通过光合作用形成的。随着人类的能量需求的增加，这一点构成日益严重的问题，因为这些能量资源无法等量替代。此外，这类能量形式的使用造成严重的环境污染。因此，必须逐渐用可再生的能量形式来替代这类能量形式。但这又会带来一系列的问题。
3.两个几乎无限的一次能源是太阳上的核聚变和地球内部的核裂变(地热)。其驱动着地球上的所有能量循环。这种能量也可以例如作为风力、水力或地热二次利用。每年释放的一次能量均超过人类的能量需求。然而这些能量并非随时随地可供使用。此外，开发可再生能源通常成本较高。较长的能量偿还时间和较低的收获因子是继续大量使用化石能源的原因。
4.因此，能量转化过程、能量存储和其效率发挥关键性作用。迄今为止，仅化学能(例如甲烷或氢气)适于较长时间(》6个月)的大量能量存储。尽管电池存储具有良好的效率，但由于成本较高且所需材料较为稀有，因此，仅为移动设备或日常存储的替代方案。抽水蓄能电站仅能用于海拔差异较大的地区。热储能器理论上每体积提供高储能容量。但为了将其转化为其他能量形式，需要增大温差。但由此同样会增加热损失。因此，热存储器适于对供热中的日常波动进行补偿。热存储器对转化为其他能量形式几乎没有意义，因为能量转化的效率较低。
5.针对工业能源供给，主要采用热力学过程，其中燃气或蒸汽发电站的优化潜力有限。最大效率受材料技术上可达到的最高温度和环境温度限制。以热力学过程实现的能量转化的问题特别是体现在压缩空气储能电站，其迄今为止仍不具有商业价值。压缩空气时热能增加。由于无法将所用的地面存储器热隔离，因此，能量以损失的形式输出至周围环境。被压缩的空气在释放能量时重新膨胀，从而导致急剧冷却和结冰。在此，失去压缩中释放出的能量，必须例如通过燃烧天然气来替代。由于输出体积功始终需要膨胀，因此，在所有热力学过程中均需要实现较大温差。
6.在热力学过程中，右旋(输出体积功，热机)与左旋(制冷机、热泵)过程不同。
7.就其本质而言，热能是不同动能形式的效力之和。热力学微观状态的(内部)能量由三个基本部分组成，即平移运动能量e
trans
、振动能e
vib
和转动能e
rot
。由此，每个能量形式均可以与相应部分的总熵对应(s
ges
＝s
vib
s
rot
s
trans
)。
8.e
vib
在气体中相对较少，通常可以忽略不计。e
trans
在单原子气体中占主导地位。在液态下，e
trans
＝0且e
rot
占主导地位。在固态下，分子同样无法转动，总能量由e
vib
决定。在多原子气体中或在气体、液体与固体的界面处，这些不同的动能形式交替起作用。由此，在动
能形式间形成动态平衡。
9.只有内能的平移部分(e
trans
)可以直接用来做体积功。但如果平移冲量(p
trans
)减少，则振动和转动的能量和熵传递至平移运动。平移能量和熵重新增加，且振动和转动部分减少。冲量决定热能量流的方向。冲量与温度相关。在右旋的热力学过程中，在分子的平移冲量较高(高温)的情况下提供热能并且释放机械能。在冲量较低(低温)的情况下，输出热能并且提供机械能。因此，基于能量冲量关系，输出的机械能多于提供的机械能。在热泵(左旋)中，该过程是逆向的。因此，必须为整个过程提供机械功。因此，冲量强度比也决定效率。
10.热能可以随着等熵的状态变化转化为定向机械能。但活塞机和流体动力机上的作用原理不同。作用于活塞的力由分子的平均冲量和冲量(压力)的数量产生。其中，分子以大体相当于声速的平均速度击中活塞。因此，平均冲量由分子质量和声速得出体相当于声速的平均速度击中活塞。因此，平均冲量由分子质量和声速得出如果活塞在膨胀中发生运动，则相对速度降低至声速以下。由此，平均有效冲量总是略低于声速时的冲量。而当压缩时，平均有效冲量略高于声速时的冲量，因为活塞反向运动。
11.现有技术中揭示过流体动力机。在这些流体动力机中，首先用渐缩喷嘴(喷嘴)使可压缩的工作介质加速。不同于许多其他的能量形式，热能在空间内不具有作用方向矢量。其在所有空间方向上同时起作用。渐缩喷嘴将流动的这个无定向的平移能量转化成定向的横向能量。但这样仅能将流动加速至声速，因为超过这个速度后就没有平移能量可用于转化。超过声速的加速的一个解决方案为拉瓦尔喷嘴。在此，在达到声速后，通流截面重新变大。在此过程中所做的体积功实现进一步的横向加速。其缺点在于，熵因拉瓦尔喷嘴的横截面扩展而减少。de 10 2014 004 237 a1描述一种替代方案。其中，将气体与液体的混合物混合并加速。通过提供来自液体的转动能和振动能，可以在无需横截面扩展的情况下将多相流加速至声速以上。基于能量方程式e＝m/2*v2，与活塞机相比，更高的速度能够输出更大的能量，从而实现更高的效率。de 10 2012 108 222 a1中描述过一种类似的方法。在此同样使多相流(空气/水)加速，并且加速至超声速。在此，水分使得流动的质量增加，并且通过提供水分子的转动能和振动能来对平移能量的减少进行补偿。
12.流体动力机中一个较少考虑到的问题是流体动力机下游的分子加速。为此，参阅图1。分子以速度v1在流道中运动(参见图1)。如果分子击中流体动力机(4)，则分子将其横向动能中的大部分释放至流体动力机，并且以速度v2继续运动。速度v2因能量释放而极小，因此，分子运动中声速(vs)占主导地位。由此，力f2同样反向于流动方向起作用。这个力受反向于流动方向的分子冲量的强度和数量影响，并且限制流体动力机的效率。
13.为了减小力并且提高效率，在技术上将热能输出至外部储器。由此，温度降低，分子冲量的强度随之降低。但为显著降低强度，必须输出大量热能和熵。在克劳修斯-朗肯工艺或有机朗肯工艺中，平移速度通过冷凝减小至零。但其中，必须将全部平移能量输出，在多原子的分子中，同样需要将一部分振动能和转动能输出。
14.de 26 54 097 a1描述了低于环境温度时右旋循环的运行。但其中存在热能输出至环境的问题。作者提出的解决方案是热泵。但作者并未解释为什么这个热泵需要的驱动能量少于右旋过程中因更高的温差而额外释放的能量。由于热泵处的热损失和摩擦损失，必须输出额外的热能，根据能量守恒定律，这会使得整个系统的有用能量减少。
15.de 10 2017 127 716 a1描述了一种通过等温压缩进行冷却的方法。该方法利用引力来进行等温压缩。但流体动力机并非设在多相流的流道中，且该方法的目的是在流体
动力机上游进行压缩。由于流体动力机上的熵流相对于多相流而言较低，因此，该方法并非用于产生机械能量，而是用于冷却。


技术实现要素：

16.本发明的目的是提高流体动力机上的效率。
17.本发明用以达成上述目的的解决方案为一种具有权利要求1的特征的方法。本发明用以达成上述目的的解决方案还在于一种根据权利要求2所述的方法。根据权利要求1和2所述的方法的有利技术方案在权利要求3至9中示出。
18.本发明的方法旨在将可压缩的流体流输送至流体动力机。在所述流体动力机上，将所述流体的动能传递至流体动力机。在所述流体动力机上的多变膨胀后，在流体动力机下游，借助通过力场产生并且沿流动方向起作用的力fb，通过将流体的势能转化为流体的动能，将流体的在流体动力机上在动能传递过程中减小的流速增大一定程度，从而将在流体动力机上减小的流体压力重新增大至至少0.1倍的流体动力机上游的流体压力。在技术方面，流体动力机下游的流体压力增大当然受流体动力机上游的流体压力限制。通过力场，例如引力场、离心力场、磁场或者电场，产生所述沿流动方向的力fb。通过分子的沿流动方向的位置变化，将场的势能转化为动能。
19.在根据权利要求1所述的方法中，沿流动方向的力fb起作用，其将反向于流动方向起作用的热力学力f2部分地或完全地补偿。通过在流体动力机下游借助力fb增大流体的流速，使得流体动力机下游的进一步流动走向中的流体压力增大。由此造成的流体动力机直接下游的流体中的压力降低使得流体动力机上的多变膨胀的效率提升。通过力fb将流体的分子加速至速度v2。如果所述流体例如是气体，则速度v2应至少为0.3倍的流体的声速。因此，fb处于f2的数量级。就由两个气体构成的混合物而言，速度v2应至少为这两个气体的声速的加权平均值的0.3倍。在流体动力机下游对流体的分子进行加速对流体动力机的效率有巨大影响。加速的目的是在流体动力机的直接下游降低压力，进而减小反向于流动方向的力。流体动力机下游的加速度越大，本发明的方法对流体动力机的效率的影响便越大，其中，流体动力机下游的流速增大当然受流体动力机上游的流速限制。与为流体声速的0.3倍的流速相比，当例如将流体动力机下游的流速加速至0.5倍或者0.6倍或者0.8倍或者一倍的流体声速时，为流体动力机实现更高的效率，其中在此情形下，流体动力机上游的流速至少约为0.51倍或0.61倍或0.81倍或1.01倍的流体声速。
20.而如果流体由一种气体和一种液体构成，则速度v2应使得该气体(可压缩的流体分量)的分子的平移速度至少为0.3倍的气体声速。
21.在现有技术的方法中，通过将热能和熵输出至环境来实现流动加速。本发明的方法旨在完全避免或者至少显著减少为加速所必需的热能输出，具体方式为，借助通过力场沿流动方向起作用的力fb产生流体分子的加速。力fb独立于分子的运动状态，故甚至能够对具有高动能的分子进行加速。借助分子的较高动能和与之关联的较高的冲量，能够在加速后将热能输出至具有更高强度(温度)的外部储器(能量汇)。
22.根据权利要求3和4，沿流动方向在所述流体动力机上游通过喷嘴(渐缩喷嘴)对所述可压缩的流体进行加速。沿流动方向在流体动力机下游设有扩散器和/或压缩机。
23.借此，首先在渐缩喷嘴处对所述可压缩的流体进行加速，其中将分子的平移动能
(e
trans
)转化为横向动能(e
lat
)，并且将流体分子的振动能和转动能(e
vib
，e
rot
)转化为平移能量(e
trans
)，其中将流体流动加速至速度(v1)。这样一来，平移熵比例(s
trans
)也增大。在流体动力机上释放能量和冲量，使得流体流动的速度重新显著减小。随后，通过流道中的力fb，在流体动力机下游将流体的分子加速至速度v2。随后，在扩散器中和/或在压缩机中，体积有效的能量比例和熵比例(e
trans
，s
trans
)因转化为振动能和转动能而降低。无需将这个比例输出至外部。为了完全补偿f2，需要将分子加速至声速。对于0.3倍流体声速以上的速度v2而言，实现流体动力机的效率的大幅提升。在加速至一倍的声速的情况下，在流体动力机的直接下游产生真空。在扩散器中，将横向动能的一部分重新转化为无定向的热力学运动，其中温度和压力提升。因此，需要输出至环境的热能减小，或者无需将热能输出至环境，这减小因热力学过程而引起的全球变暖。随后以较小的横向速度(v3)进一步流动。
24.分子在流体动力机上游的横向速度(v1)应高于声速。在较高的速度下，基于e＝m/2*v2，释放的能量多于借助fb将分子加速至声速所需的能量。原则上，高于声速的加速基于相对性原理。在渐缩喷嘴中，将分子的平移运动转化为沿流动方向的横向运动。然而，相对于流动外部观察者的平均速度保持恒定。因此，尽管温度降低，仍不会从外部提供额外的能量。但就在流动中携带的振动能和转动能而言，分子的平移运动的强度降低。因此，进行从振动能和转动能至平移能量的能量传递，其可被额外地用于横向加速。借此，横向速度可以高于渐缩喷嘴的入口处的平均平移速度(声速)。这样便能提供具有较小强度(冲量，温度)的能量。这使得过程的效率和能效提升。
25.就扩散器中的负加速度而言，能量流沿相反的方向起作用。横向动能转化为分子的无序平移运动，并使得其强度提升。这样便能将平移能量的一部分转化为振动能和转动能。如果将热能输出至环境，也需要将振动能和转动能一并输出。但如果预先通过外部力fb对流动进行额外的加速，则与体积无关的振动能和转动能的比例提升。因此，可以将更多的能量存储在流动中，并且在再次加速时重新将其释放。
26.振动能和转动能相对于平移能量的比例通过等熵系数描述。因此，在工作温度范围内，流体应具有至少一个等熵系数小于等于1.4的流体分量。在流体的至少一个流体分量具有小于等于1.2的等熵系数的情况下，实现更高的效率。在等熵系数小于等于1.1的情况下，实现进一步更高的效率。
27.所述流体可以是气体或者多相流，其中在本技术中，多相流既指气体混合物，也指由气体和液体构成的混合物。就多相流而言，应将具有高等熵系数(c
p
/cv)的物质与具有低等熵系数的物质混合(例如氦气/n-丁烷)。热能的非体积相关比例(振动能和旋转能)应具有相对于平移能量的高热容。即使就液体而言，原则上也可以计算等熵系数(c
p
/cv)。这个等熵系数大致为1。气体混合物的优点在于：单个分子的较大作用面使得能量交换改善。就纯净物质(由一种气体构成的流体)而言，振动能和转动能的比例由分子结构定义。因此，应使用具有非常小的等熵系数和高分子量的气体。也可以使用由一个气态流体分量和一个液态流体分量构成的多相流，其中，为了在流体动力机下游产生压力减小，速度v2应使得该气体(可压缩的流体分量)的分子的平移速度至少为0.3倍的气体声速。
28.在根据权利要求6所述的方法的进一步方案中，将流体混合物用作工作介质。其中，将具有高蒸气压力的流体与具有低蒸气压力的流体组合。以一定方式选择渐缩喷嘴的入口处的压力，使得两个流体均为液态(振动能和转动能)。如果压力在在渐缩喷嘴中的加
速过程中降低，则所述具有较高蒸气压力的流体达到沸点。通过从所述具有低蒸气压力的流体传递振动能和旋转能，将所述具有高蒸气压力的流体完全蒸发。所述蒸发物理效应也是气穴的基础，在流体动力机上通常需要避免气穴。然而，在本发明的方法中刻意地增强这个效应，用以实现流动的高加速度。现可压缩的(具有平移能量的)流体在流道中因体积增大而大幅加速，并且将能量和冲量释放至流体动力机。通过在扩散器中和/或在压缩机中升压达到凝点，且流体的可压缩分量将其平移能量释放至不可压缩的流体分量(振动能和转动能)。
29.在一个替代性的进一步方案中，也可以根据权利要求7以可逆的化学过程工作。其中，将溶解于液体中的气体输送至渐缩喷嘴。如果压力在在渐缩喷嘴中的加速过程中降低，则反应平衡发生变化，且气体从溶液逸出。这样便为高加速度提供平移能量。所述可压缩的流体将能量和冲量释放至流体动力机。通过在扩散器中和/或在压缩机中升压，反应平衡再次发生变化，且气体因化学反应而溶解在液体中。平移能量被转化为振动能和旋转能。
30.在外部针对fb所提供的能量例如可以通过引力、磁力、电力或者离心提供。同样地，也可以通过以从外部提供的能量工作的其他流体动力机来提供机械力，其中，这个流体动力机在此情形下沿流动方向设于扩散器下游。
31.表1示出了在常压和常温(1bar；300k)下，不同物质在从零到声速(vs)的自由落体过程中因地心引力(～9.81m/s2)引起的加速时间和加速距离的比较。
32.物质vs(m/s)t(s)s(m)氦气102010453028氮气353366351二氧化碳269273688氙气174181543水/空气混合物10110
33.表1
34.从表中可以看出，引力特别适用于具有非常重的分子的介质和多相流。0.3倍的流体声速以上的加速使得扩散器中的压力和温度提升，因此，所述过程也可以在低于环境温度的情况下工作。就较低的温度而言，由于声速较小，也能实现较短的加速距离和加速时间。就由水和空气构成的、水的质量占比较高的混合物而言，水压在10m的下落高度中从0bar提升至1bar。借此也将空气分子压缩至这个压力，并且，空气分子因而以空气的声速运动。总流的声速则低得多。因此，10m的下落高度已足以在做功机下游产生真空。因此，在引力扩散器中，可以在扩散器中或者在扩散器上游提升分子的速度。此举使得等熵膨胀中的下压力减小，并且使得热力学过程的效率提升。
35.与采用引力的情况相比，借助离心力能够产生更大的力。这样便能缩短加速距离，进而减小热力机的尺寸。为此，热力机采用旋转对称的结构并且围绕其旋转轴旋转。通过旋转产生不均匀的相空间。预期值(总体均值)随与旋转轴的距离的增大而增大，进而也随压力、温度和密度增大而增大。如果切向速度处于声速范围内，则在旋转轴处近乎形成真空。压缩机用于补偿过程损失(例如摩擦)，并且无需做较高的体积功。压缩机将工作介质压入渐缩喷嘴，在该处对工作介质进行加速。在沿流动方向减小的离心力fz下，通过热力学力进行另一加速。在流体动力机处，在高速下从分子提取动能。随后在流道中沿流动方向通过fz对分子进行加速。在扩散器中，压力和温度提升。可选地，在压缩机上游可以通过热交换器将热能(q2)输出。在压缩器下游提供热能(q1)。这使得压缩机上的体积功减小。热能可以借助流道的壁部通过热传导运输，但也可以借助位于并行流道中的流体运输。
36.借助具有离心渐缩喷嘴和离心扩散器的热力机，能够通过改变离心力使分子横向加速至超出其声速。可以使用均匀的物质，但也可以使用多相流。在使用具有不同等熵系数的多相流的情况下，温度变化减小，以及，由于不可压缩的分量(旋转能和振动能)增大，能够减小切向速度且进而减小半径。熵流的平移比例在加速过程中提升，且进而也导致流体动力机上的横向速度增大。
37.视应用情况而定，所述流体动力机可以是涡轮机或者mhd发电机。
38.但本发明的方法原则上也适于提升任意多变膨胀的效率。就活塞机上的膨胀而言，在声速下提取能量，并且在流道中在低于声速的相对速度下提供加速能量。但就流体动力机而言，由于在释放机械能时可达到的相对速度更高，预期的效应更大。此外，就活塞机而言，由于工作方式不连续，数个活塞需要以并行和相移的方式工作，从而在流道中产生连续的流动。
附图说明
39.下面结合图式对本发明的实施例进行说明。其中：
40.图1为流体借助于现有技术中的流体动力机的流动，
41.图2为利用本发明的方法的布置方案，
42.图3为利用本发明的方法的另一布置方案，
43.图4为借助于离心渐缩喷嘴和离心扩散器的热力循环，
44.图5为引力扩散器，
45.图6为借助于mhd发电机的热力循环，
46.图7为具有分支熵回路的热泵，
47.图8为具有开放的分支熵回路的热泵，
48.图9为具有分支熵回路的热机，
49.图10为水电机。
具体实施方式
50.图1示出流体借助于现有技术中的流体动力机1的流动。流体动力机1作为叶轮示出。流体流将其动能的一部分传递至流体动力机1，动能在该处作为功输出。流体的分子m以速度v1在流道中运动，并且在流体动力机的叶轮处将其横向动能的一部分释放至流体动力机，随后以速度v2继续运动。
51.图2示出利用本发明的用于增加流体动力机1上的熵流的方法的布置方案。为此，可压缩流体在设计为涡轮机的流体动力机1上多变膨胀。在多变膨胀后，一个额外的力fb沿流动方向作用于流体的分子m，使得分子m在流动方向上被这个力加速。沿流动方向起作用的力fb由力场产生，其中流体的势能转化为流体的动能。通过这个力fb，将由气体或气体混合物组成的流体的分子m在流体动力机下游加速至至少0.3倍的流体声速，从而使得流体动力机上有所减小的流体压力重新增大至至少0.1倍的流体动力机上游的流体压力，从而在
流体动力机的直接下游实现流体动力机的效率提高所需的压力减小。在所示实施方式中，力fb例如可以为引力。在气体与液体的混合物形成的流体中，在流体的速度v2至少使得气体(可压缩的流体分量)的分子m的平移速度至少为0.3倍的气体声速的情况下，在流体动力机的直接下游实现压力减小。
52.图3示出利用本发明的方法的另一布置方案。流体动力机1上的多变膨胀在渐缩喷嘴2上游实施，从而在流体动力机1上游使可压缩流体加速。扩散器3沿流动方向布置在流体动力机1下游。视流体动力机所期望的具体效率提高程度，可以在流体动力机上游在渐缩喷嘴处加速至例如0.31倍、0.51倍、0.61倍、0.81倍或1.01倍的流体声速。随后，在流体动力机下游将流体加速至尽可能接近流体动力机上游的流速值(0.3倍或0.5倍或0.6倍或0.8倍或一倍的流体声速)。压缩机5布置在扩散器3下游，但其中这个压缩机在此是可选的。在另一未示出的技术方案中，设有压缩机5作为扩散器3的替代。流体可作为纯净物(一种气体)、气体混合物或作为气体与液体的混合物存在，力fb例如为引力。
53.图4a和图4b示出在借助于离心渐缩喷嘴和离心扩散器的热力循环中利用本发明的方法的两个布置方案。使流道连同流体一起绕旋转轴4转动。由此，离心力fz作用于流体，流体的密度随着与旋转轴4的距离而增大。在旋转速度最大之处安装压缩机5。流体动力机1布置在旋转轴4上。首先，在渐缩喷嘴2中使流体加速，并且将能量和冲量释放至流体动力机1。在流体动力机1下游，通过增大的离心力使流体加速，且扩散器3中的压力重新增大。在此，同样将流体的分子m加速至至少0.3倍的流体声速。在压缩机5与渐缩喷嘴2之间可以提供热能q1。可选地，在扩散器3与压缩机2之间输出热能q2。在图4a所示实施方案中，流体动力机1在径向上相对旋转轴布置。在图4b中的替代实施方案中，流体动力机1在轴向上相对旋转轴布置。在此，流体同样可以作为纯净物(一种气体)、气体混合物或作为气体与液体的混合物存在。在气体或气体混合物所形成的流体中，在此同样在流体动力机下游将流体加速至至少0.3倍的流体声速，从而使得流体动力机上有所减小的流体压力重新增大至至少0.1倍的流体动力机上游的流体压力，从而在流体动力机的直接下游实现流体动力机的效率提高所需的压力减小。在气体与液体的混合物形成的流体中，在流体的速度v2至少使得气体(可压缩的流体分量)的分子m的平移速度至少为0.3倍的气体声速的情况下，在流体动力机的直接下游实现压力减小。
54.在所示实施方案中，即力fb由离心力fz提供。因此，所描述的借助于离心渐缩喷嘴和离心扩散器的热力机同样适用于重力较小之处(例如太空)。
55.在一种实施方式中，在图3或图4a/4b的布置方案中利用多相流，其中以组分或可逆化学反应的相变(蒸发/冷凝)来做功。例如，如果在4bar和300k下将水与异丁烷的混合物引入渐缩喷嘴2，则这两个组分均为液态。通过渐缩喷嘴2中的加速，压力减小且异丁烷达到其沸点。通过提供液态水的(分子m的)转动能和振动能，异丁烷可蒸发。体积的增大额外加速了流动。在流体动力机1上释放一部分动能。随后，通过引力或离心力横向加速流动。由于扩散器3和/或之后的压缩机5中的压力增大，气体在体积急剧缩小的情况下冷凝。但在此过程中释放的能量无需输往外部，而是以与体积无关的振动能和转动能形式存储在回路中。
56.在使用水-二氧化碳混合物时，二氧化碳溶解在水中并且反应生成碳酸。当渐缩喷嘴2中发生压降时，溶液平衡下降，流道中的气态二氧化碳逸出并且加速流动。由于溶液中形成了浓度平衡，在此预计会出现均匀的气体溢出。在流体动力机上的能量释放和流道中
的加速之后，由于扩散器3和/或之后的压缩机5中的压力增大，气体重新转化为溶液，且多相流的体积减小。随后，二氧化碳与水反应生成碳酸。
57.组分的选择对工作压力有很大影响。在蒸气压力较低的物质(例如异丙醇/水混合物)中，渐缩喷嘴2上游的压力可以小于1bar。这使得设计简化。由于液态水的密度较大，能量密度和熵流仍极大。这样就能在紧凑的尺寸下在流体动力机上实现极大的速度和能量释放。
58.图5示出引力扩散器作为利用本发明的方法的另一布置方案。在渐缩喷嘴2中使流体加速，并且提供至流体动力机1。流道和扩散器3布置在引力方向上，借此，引力fg用作力fb，且流体的分子m因势能转化为动能而加速。如此地设计机器的尺寸，使得压缩机5与渐缩喷嘴2之间的体积大于流体动力机1与压缩机5之间的体积。替代地，可以安装压力平衡容器6。由此，压缩器5在流体动力机1处产生负压，负压使得效率提高。在压缩机5与渐缩喷嘴2之间提供热能q1。可选地，可以在扩散器3与压缩机5之间输出热能q2。
59.由于在流体动力机1中，仅流动的相对速度与供能相关，因此，可以在高速下以流体动力机1提取窄流道中的能量，并且在低速下在较宽的流道中提供能量。基于e＝m/2*v2，在高速下释放的能量多于低速下提供的能量。通过压缩机5提供的机械力(fm)与引力fg作用相同，并且减小流体动力机1下游的压力。为此，在压缩机5与渐缩喷嘴2之间安装压力平衡容器6，其使得渐缩喷嘴2的入口处的压力保持恒定。在可压缩介质中，与扩散器3与压缩机5之间的体积相比，也可以通过渐缩喷嘴2上游的较大体积来实现压力平衡。在开放式过程中，周围大气可以承担压力平衡的任务。如果对压缩机/增压机5做机械功，则扩散器3出口处的压力减小。由此，流体动力机1的出口处的压力几乎减小至零，从而实现较大的流速以及较高的效率。为此，必须有足够的能量可用于在渐缩喷嘴2中加速，可以通过(复杂分子m或多相流中的)大部分振动能和转动能来提供能量。由此，在不设置拉瓦尔喷嘴的情况下也能将流体加速至超声速。由于在高温下无需提供热能q1，而是仅在流动中的分子m的相对平移速度减小的情况下才进行传递，因此，做功机1上的体积有效热容以及熵流is增加。因此，基于p＝t*is(p＝功率，t＝温度，熵流)，在入口温度恒定的情况下，功率p增大。
60.压缩机/增压机5应布置在循环中的最低点附近。压缩机5运行所需的能量w2可以部分地或完全由在流体动力机1处释放的机械能w1提供。
61.图5所示布置方案中所用的流体同样可以作为纯净物(一种气体)、气体混合物或作为气体与液体的混合物存在。在气体或气体混合物所形成的流体中，在此同样在流体动力机下游将流体加速至至少0.3倍的流体声速，从而使得流体动力机上有所减小的流体压力重新增大至至少0.1倍的流体动力机上游的流体压力，从而在流体动力机的直接下游实现流体动力机的效率提高所需的压力减小。在气体与液体的混合物形成的流体中，在流体的速度v2至少使得气体(可压缩的流体分量)的分子m的平移速度至少为0.3倍的气体声速的情况下，在流体动力机的直接下游实现压力减小。
62.图6示出借助于设计为mhd发电机的流体动力机的热力循环，作为利用本发明的方法的另一布置方案。将电解质(例如电离溶液)与可压缩流体的混合物用作工作介质。混合物在渐缩喷嘴2中加速，并且流过设计为mhd发电机的流体动力机1的磁场。其中，电解质的电荷载流子向左或向右偏转，电能通过电极输出。在扩散器3中，流速变慢，其中平移能量转化为振动能和转动能。
63.流体在压缩机5中被压缩，并且流回渐缩喷嘴2。压缩机5与渐缩喷嘴2之间的体积必须大于mhd发电机与压缩机5之间的体积。替代地，可以安装压力平衡容器6。由此，压缩器5在mhd发电机下游产生负压，负压使得流动加速且效率提高。在渐缩喷嘴2上游提供热能q1。可选地，可以在扩散器3下游输出热能q2。
64.这个布置方案的优点在于，相对于拉瓦尔喷嘴的加宽流道，窄流道中可达到的磁场强度更高。此外，电解质的电荷载流子密度较大，这样就能实现机器的紧凑尺寸。不同于使用电离气体的情况，所述过程在环境温度下也可以进行，这样就降低了对材料和成本的要求。
65.图7示出应用于本发明的方法的具有分支熵回路的热泵。将由第一流体分量和第二流体分量形成的流体在渐缩喷嘴2中加速并且提供至流体动力机1，其中至少该第二流体分量是可压缩的。可选地，可以在流体动力机1下游通过力fb在流道和扩散器3中使流体加速，由此，流体动力机1的出口处的压力减小。随后，将与第一流体分量相比具有更大的c
p
/cv比的第二流体分量在分离器7中分离并且提供至压缩机5.2，在该处将第二流体分量加速和/或压缩。温度因压缩而升高。将第一流体分量提供至压缩机5.1，其中温度不变或相对于第二流体分量仅发生极小的变化。这样就能用热交换器8.1将热能q1提供至第一流体分量。在压缩机5.2中被压缩的第二流体分量用热交换器8.2释放其热能q2。随后，在混合器9中将这两个流体分量合并。流体动力机1与压缩机5.2之间的体积必须小于压缩机5.1与混合器9之间的体积。替代地，可以安装压力平衡容器6。由此，压缩机5.1和5.2在分离器9中产生负压，负压使得流体动力机1的效率提高。就显著差异而言，在工作温度范围内，在压缩机5.1、5.2上，第二流体分量的c
p
/cv比应至少为第一流体分量的c
p
/cv比的1.1倍。
66.熵流的大小对效率有很大影响。在入口和出口处的热功率相等(p1＝p2)的情况下，基于p1＝t1·is1
＝t2·is2
＝p2，由i
s1
》i
s2
得出t2》t1。由此，所提供的机械能w
mech
＝|w4| |w5|-|w3|仅需对过程损失进行补偿。由于t2＝t1＝t且i
s1
》i
s2
，因此，p1》p2。在此情形下，能量流p＝t2·is2-t1·is1
＝t
·
(i
s2-i
s1
)从机器流出。因此，视熵流的具体大小，机器也可以用作热机。
67.流体分量的质量流量的大小应使得第一流体分量在压缩机5.1上的熵流i
s1
大于第二流体分量在压缩机5.2上的熵流i
s2
。为显著提高效率，压缩机5.1上的i
s1
的质量流量应至少五倍地大于压缩机5.2上的熵流i
s2
的质量流量。流体动力机入口处的熵流相当于这两个熵流i
s1
与i
s2
之和。
68.图8示出具有开放的分支熵回路的热泵。机器使用的是可压缩部分由空气形成的流体。在入口7处由大气吸入空气，并且在混合器9中与不可压缩的流体(例如水)混合。在渐缩喷嘴2中使流体加速，并且提供至流体动力机1。在扩散器3下游将空气在分离器7中分离并且提供至压缩机5.2。压缩机5.2将空气压力增大至大气压力，从而在混合器9中提供负压。随后，经加热的空气经由出口10流回大气。将流体的较冷的不可压缩部分的压力在压缩机5.1中增大至大气压力。在热交换器8处将从空气中抽走的热能q1重新提供至不可压缩流体。
69.图9示出具有分支熵回路的热机(参见图9)。热机以类似于图7所示热泵的方式做功。在熵回路i
s2
中，先将热交换器8.2中的热能q2输出，再在压缩机5.2中压缩流体。由于与i
s1
相比，熵回路i
s2
中的流体分量的热容较小，因此，仅需输出少量热能。
70.图10示出用于进一步应用所述方法的水力发电机，其将势能和热能转化为机械能。水从上储槽11流向下储槽12。设计为涡轮机的流体动力机1安装在上槽下方。在具有混合器的渐缩喷嘴2(文丘里喷嘴或射流喷嘴)中将水的熵流i
s1
与空气i
s2
混合并且加速。通过加速进行冷却的空气将水分子中的振动能和转动能抽走，并且近似等温地膨胀。其中，水分子与空气一起加速，并且将其能动释放至涡轮机1。在涡轮机壳体1.1中将水与空气分离。水积聚在涡轮机壳体1.1的底部，并且通过引力扩散器加速。10m以上的下落高度使得压力增大约1bar。由此，在涡轮机壳体1.1中形成真空。为了维持这个负压，必须例如用活塞泵或射流泵13将空气经由风道14泵出。
71.附图标记表
72.m
ꢀꢀꢀꢀꢀ
分子
[0073]1ꢀꢀꢀꢀꢀ
流体动力机
[0074]
1.1
ꢀꢀꢀ
壳体
[0075]2ꢀꢀꢀꢀꢀ
渐缩喷嘴
[0076]3ꢀꢀꢀꢀꢀ
扩散器
[0077]4ꢀꢀꢀꢀꢀ
旋转轴
[0078]5ꢀꢀꢀꢀꢀ
压缩机
[0079]
5.1
ꢀꢀꢀ
压缩机
[0080]
5.2
ꢀꢀꢀ
压缩机
[0081]6ꢀꢀꢀꢀꢀ
平衡容器
[0082]7ꢀꢀꢀꢀꢀ
分离器
[0083]8ꢀꢀꢀꢀꢀ
热交换器
[0084]
8.1
ꢀꢀꢀ
热交换器
[0085]
8.2
ꢀꢀꢀ
热交换器
[0086]9ꢀꢀꢀꢀꢀ
混合器
[0087]
10
ꢀꢀꢀꢀ
出口
[0088]
11
ꢀꢀꢀꢀ
储槽
[0089]
12
ꢀꢀꢀꢀ
储槽
[0090]
13
ꢀꢀꢀꢀ
射流泵
[0091]
14
ꢀꢀꢀꢀ
风道。