(57)【要約】  再沸騰ジェット装置が少なくとも２つの連続するノズルを具え、当該ノズルは、第１のノズル内で熱水を沸騰させ、第２のノズル内で気相を減速および減少させ、次いで第２のノズル内で加速および再沸騰させるよう構成されている。気相の第２減速および減少は第２のノズルの出口において生じる。それぞれの減速は気相を減少させることによって液体を加熱する。したがって、加圧入力流体のエネルギは、ノズルの動作によって効率的に熱に変換される。混合チャンバを有するスチーム噴射用収束−発散ノズルを第１のノズルの代わりに使用し、第１の沸騰をさせることもできる。第２の減速が完了する前に熱水流と混合させるため、他のノズルを用いて第２のノズルの出口に冷水流を導入することもできる。【選択図】図１
2014511121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力下で熱水流を第１のノズルに供給して、前記第１のノズル内で前記熱水流を超音速に加速すると共に少なくとも約３分の１の気液体積比を得ながら、前記熱水流を沸騰させるステップと；
前記熱水流を前記第１のノズルから第２のノズルの発散部に放出して、急激な圧力変化と共に前記熱水流を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、前記熱水流を加熱し、前記熱水流を微小な蒸気の連行気泡を有する均一等方性液に変化させるステップと；
前記第２のノズルの第２の部分を通って流動を加速させて、前記第２のノズルの出口において前記熱水流を超音速に加速すると共に少なくとも約３分の１の気液体積比を得ながら、前記熱水流を第２沸騰させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法がさらに、前記第２のノズルの出口付近に放出する第３のノズルを介して圧力下で冷水流を供給し、前記熱水流と混合する直前に前記冷水流を加速および沸騰させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項２に記載の方法がさらに、前記第２のノズルの出口直後の下流で前記熱水流と前記冷水流とを混合するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項３に記載の方法がさらに、前記熱水流と前記冷水流の混合物を出口に放出するステップであって、当該出口は、急激な圧力変化と共に前記混合物を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、前記混合物を加熱するよう構成されているステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法がさらに、前記熱水流を出口に放出するステップであって、当該出口は、前記熱水流を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、前記熱水流を更に加熱するよう構成されているステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法がさらに、鋭形エッジの開口部を介して前記熱水流を前記第１のノズルに供給するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
第１のノズルを介して液体物質の気相を前記物質の冷液相に噴射し、前記第１のノズルの下流の混合チャンバにおいて熱水流を沸騰させるステップと、
前記混合チャンバの収束部を介して前記熱水流を供給して、前記熱水流を超音速に加速し、少なくとも約３分の１の気液体積比を得るステップと、
前記収束部から第２のノズルの発散部に通じる一定断面チャネルに前記熱水流を放出して、急激な圧力変化と共に前記熱水流を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、前記熱水流を加熱し、流動を微小な蒸気の連行気泡を有する均一等方性液に変化させるステップと；
前記流動を第２のノズルを通って加速して、前記第２のノズルの出口において前記熱水流を超音速に加速すると共に少なくとも約３分の１の気液体積比を得ながら、前記熱水流を第２沸騰させるステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法がさらに、前記物質の冷液相をノズルを通って前記混合チャンバに供給するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法がさらに、前記第２のノズルの出口付近に放出する第３のノズルを介して圧力下で冷水流を供給し、前記熱水流と混合する直前に前記冷水流を加速および沸騰させるステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法がさらに、前記第２のノズルの出口直後の下流で前記熱水流と前記冷水流を混合するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の方法がさらに、前記熱水流と前記冷水流の混合物を出口に放出するステップであって、当該出口は、急激な圧力変化と共に前記混合物を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、前記混合物を加熱するよう構成されているステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１２】
請求項７に記載の方法がさらに、前記熱水流を出口に放出するステップであって、当該出口は、前記熱水流を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、前記熱水流を更に加熱するよう構成されているステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
請求項７に記載の方法において、前記一定断面チャネルが、その直径の約４乃至６倍の範囲内の流動長さを有する円筒チャネルを具えていることを特徴とする方法。
【請求項１４】
連続して接続された少なくとも２つのノズルを具えるジェット装置において：
圧力下で第１のノズルに供給された熱水を沸騰させるよう構成された第１のノズルと；
前記第１のノズルの出口に接続された第２のノズルであって、前記熱水の気相を減速および減少させ、次いで前記第２のノズル内で加速および再沸騰させ、前記第２のノズルの出口において前記気相を第２減速および減少させるよう構成された第２のノズルと、
を具えていること特徴とするジェット装置。
【請求項１５】
請求項１４に記載のジェット装置において、前記第１のノズルが、一定断面チャネルを具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項１６】
請求項１５に記載のジェット装置において、前記第１のノズルがさらに、供給された流れを剥離させるよう構成された鋭形エッジの入口開口部を具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項１７】
請求項１５に記載のジェット装置において、前記チャネルが略円筒形であって、その直径の約０．５乃至１倍の範囲内の流動長さ有していることを特徴とするジェット装置。
【請求項１８】
請求項１４に記載のジェット装置において、前記第２のノズルが、可変発散部を有するディフューザーを具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項１９】
請求項１４に記載のジェット装置がさらに、出口において前記第２のノズルの出口と流体連通し、入口において加圧液供給用の連結部と流体連通している第３のノズルを具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項２０】
請求項１４に記載のジェット装置がさらに、前記第２のノズルの出口に接続される放出チャネル用の連結部を具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項２１】
連続して接続された少なくとも２つのノズルを具えるジェット装置において：
第１のノズルを介して液体物質の気相を前記物質の冷液相に噴射し、前記第１のノズルの下流の混合チャンバにおいて液体流を沸騰させるよう構成された第１のノズルと；
前記混合チャンバと流体連通し、熱水流の気相を減速および減少させるよう構成された一定断面チャネルと；
前記一定断面チャネルの出口に接続された第２のノズルであって、当該第２のノズル内で気相を加速および再沸騰させ、次いで急激な圧力変化と共に第２減速させ、前記第２のノズルの出口において前記気相を減少させるよう構成された第２のノズルと、を具えることを特徴とするジェット装置。
【請求項２２】
請求項２１に記載のジェット装置において、前記第１のノズルが、収束−発散ノズルを具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項２３】
請求項２２に記載のジェット装置がさらに、出口において前記第１のノズルの出口と流体連通し、入口において加圧液供給用の連結部と流体連通している第３のノズルを具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項２４】
請求項２１に記載のジェット装置において、前記一定断面チャネルは略円筒形であり、その直径の約４乃至６倍の範囲内の流動長さを有していることを特徴とするジェット装置。
【請求項２５】
請求項２１に記載のジェット装置において、前記第２のノズルが、可変発散部を有するディフューザーを具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項２６】
請求項２１に記載のジェット装置がさらに、前記第２のノズルの出口に接続される放出チャネル用の連結部を具えていることを特徴とするジェット装置。
【請求項２７】
請求項２１に記載のジェット装置がさらに、出口において前記第２のノズルの出口と流体連通し、入口において加圧液供給用の連結部と流体連通している第３のノズルを具えていることを特徴とするジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、例えば、ポンプ媒体または排出媒体を加熱するための噴射装置および噴射方法を含むジェット噴射技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱媒体混合物の液体流を用いた二相変化を含む熱生成ジェット装置および方法が、１９９８年５月１０日に発行された、本願出願人による露国特許第２１１０７０１号に開示されている。このような変化の１つは、熱媒体混合物の加速、その沸騰、１を越えるマッハ数を有する沸騰した二相超音速流の形成、次いで液体流の加熱に伴う急激な圧力変化を含む。他の変化は、流動の加速、その沸騰、１に等しいマッハ数を有する流動モードの形成、流体の減速、および液体の更なる加熱に伴う微小な蒸気−ガス気泡が充満した等方性液体流への変化を含む。蒸気を熱媒体の１つとして使用することができる。この方法により、熱媒体の加熱を増大させることが可能となる。
【０００３】
しかしながら、この方法は望ましい効率よりも低い。効率は、二相流を蒸気−ガス気泡を有する液体流へと変化させる第２のステップにおいて、超音速流が有する流体の内部エネルギが運動エネルギに変換することによって減少する。一方、マッハ数が高いほど、運動エネルギへの内部エネルギの変換がより激しくなることが知られている。効率損失は特に二相流に一般的であり、マッハ数は、減速した流動の同一または同様のパラメータにおける単相流のマッハ数の数倍となりうる。さらに、先行技術の噴射ノズルは、二重変化ジェット噴射の利点を実現するのに必要な超音速まで沸騰流体を連続的に加速することはできない。
【０００４】
したがって、ポンプ媒体または排出媒体を加熱するためのジェット噴射装置および方法において、先行技術のこれらの制約および他の制約事項を克服することが望ましい。
【発明の概要】
【０００５】
本技術は、例えば、加速ノズルを離れる時に超音速流に達したことによる熱媒体のエネルギ、およびポンプ液を沸騰させる加速ノズルからの出口における圧力が減少したことによって増加する加熱した熱媒体のエネルギの双方をより完全に使用することで、熱媒体の加熱を強化することにより、ジェット装置の動作効率の増大を実現するといった、向上したジェット噴射に関する目的および他の目的を達成することができる。新たな技術によるジェット噴射装置は、２００８年９月２５日に出願され２０１０年３月２７日に最初に公開された、本願出願人による露国特許出願第２００８１３８１６２号に主に記載されているようなノズルを使用することができ、当該参考文献は参照によりその全てが本書に援用されている。
【０００６】
ジェット熱変換装置の動作方法は、圧力下で熱水の投入熱媒体をノズルに供給するステップと、冷水の投入熱媒体を供給するステップと、以下の状態変化を実施するようにそれらを混合するステップと、を含みうる。幾つかの実施形態では、双方の投入物は水を含む。状態変化のうち最初の２つは加熱した液体に対して実施され、不均一な二相流を形成しながら沸騰する第１の速度まで熱（加熱）媒体を加速させることを伴う。この二相流は、ノズルを介して少なくとも１のマッハ数の速度まで加速され、次いで、減速によって急激な圧力上昇を受け、これにより、二相流を微小なガスの連行気泡を有する亜音速の均一等方性液体流に変換し、液体の熱媒体を加熱する。ガス気泡を有する加熱した液体媒体は次いで、熱媒体混合物が再び沸騰して熱媒体の不均一二相流が再び生じる速度まで加速される。発散ノズル部内でマッハ数が１まで上昇し、次いでノズル出口でマッハ数が１より高くまで上昇するように、加速が行われる。
【０００７】
第３の状態変化は、受熱する（当初は低い温度の）熱媒体において実施される。受熱熱媒体は、沸騰して、ほぼ１または１のマッハ数、すなわち近音速の二相流を形成する速度まで加速される。したがって、上記プロセスは、２つの二相流、すなわち、加熱した熱媒体の超音速流と、受熱熱媒体の近音速流を生じさせる。超音速流と近音速流を混合して超音速の二相流混合物を形成し、次いで減速する。減速した結果、混合流は微小な蒸気−ガス気泡が充満した熱媒体混合物の均一等方性液体流に変化する。さらに、流動を主に液状に変化させることにより、混合物の液体流は加熱され、ジェット装置内に得られる圧力下で蒸気−ガス気泡を有する熱媒体混合物の加熱された液体流が需要者に供給される。
【０００８】
本技術は、以下の通り、上記要約した方法の変形態様を含みうる。例えば、代替的な一実施形態では、加熱した液体媒体は蒸発し、圧力下で噴射ノズルに供給されて冷水の受熱流体と混合される。例えば、熱投入流体はスチームを含み、冷気投入は水を含みうる。ノズル内に供給される蒸発熱媒体は受熱液と混合し、ノズル出口において１を超えるマッハ数の超音速の不均一二相流を形成する。次いで、流動の圧力が急激に上昇し、急激な圧力変化の際の気相の圧縮により熱媒体混合物を加熱すると同時に、超音速の二相流を熱媒体混合物の単相液流に変化させる。その後、熱媒体混合物の流動は、熱媒体混合物が沸騰して１を超えるマッハ数の超音速の二相流を再び形成する速度まで加速される。次いで、流動を減速して、二相流を微小の蒸気−ガス気泡が充満した熱媒体混合物の均一等方性液体流に変化させ、さらに熱媒体混合物を加熱して圧力を上昇させる。その後、加熱した熱媒体混合物の液体流は、ジェット装置において得られる圧力下で需要者に供給することができる。
【０００９】
他の実施形態では、加熱した液体媒体は蒸発し、圧力下で噴射ノズルに供給されて冷水の受熱流体と混合する。ノズル内に供給された蒸発した熱媒体は受熱液と混合し、ノズル出口において１を超えるマッハ数の超音速の不均一二相流を形成する。次いで、二相流を減速することにより、この二相流は、微小の蒸気−ガス気泡が充満した熱媒体混合物の均一等方性液体流に変化する。減速は更に、気相の圧縮によって流動を加熱し、流動内の圧力を上昇させる。次いで、熱媒体混合物の流動は、熱媒体混合物が再び沸騰し、１を超えるマッハ数の超音速の不均一二相流を形成する速度まで加速される。次いで、更なる受熱媒体を供給し、沸騰して、ほぼ１または１のマッハ数すなわち近音速の二相流を形成する速度まで加速する。したがって、このプロセスは２つの二相流、すなわち加熱した熱媒体混合物の超音速流と、受熱熱媒体の近音速流を生じさせる。これらの超音速流および近音速流を混合して超音速の二相流混合物を形成し、次いで減速する。減速した結果、混合流は微小の蒸気−ガス気泡が充満した熱媒体混合物の均一等方性液体流に変化する。さらに、流動内の気相を主に液状に圧縮することにより、混合物の液体流は加熱され、ジェット装置内に得られる圧力下で微小の蒸気−ガス気泡を有する熱媒体混合物の加熱した液体流が需要者に供給される。
【００１０】
供給された熱水投入を用いて上記方法を実施するジェット装置は、以下の通り、連続して接続された少なくとも２つのノズルを具えうる。第１のノズルは、圧力下で第１のノズルに供給された熱水を沸騰させるよう構成されており、第２のノズルは第１のノズルの出口に接続され、熱水の気相を減速および減少させ、次いで第２のノズル内で加速および再沸騰させ、第２のノズルの出口において気相を２度目の減速および減少させるよう構成されている。第１のノズルは一定断面のチャネルを具えうる。第１のノズルはさらに、供給を境界層剥離させるよう構成された鋭形エッジの投入口を具えうる。チャネルは略円筒形であって、直径の約０．５乃至１倍の流動長さを有しうる。第２のノズルは、可変発散部を有するディフューザーを具えうる。ジェット装置はさらに、出口において第２のノズルの出口と流体連通し、入口において加圧液供給用の連結部と流体連通している第３のノズルを具えうる。ジェット装置はさらに、第２のノズルの出口に接続される放出チャネル用の連結部を具えうる。
【００１１】
供給された熱蒸気投入、例えばスチームを用いて、上記方法を実施するジェット装置は、以下の通り、連続して接続された少なくとも２つのノズルを具えうる。第１のノズルは、当該第１のノズルを通して液体物質の気相を物質の冷液相に噴射し、第１のノズルの下流の混合チャンバにおいて熱水流を沸騰させるよう構成されており、混合チャンバを介して一定断面チャネルに接続することができる。このチャネルは、熱水流の気相を減速および減少させるよう構成することができる。第２のノズルは、一定断面チャネルの出口に接続され、第２のノズル内で加速および再沸騰させ、次いで第２のノズルの出口において気相を２度目の減速および減少させるよう構成することができる。第１のノズルは、収束−発散ノズルを具えうる。ジェット装置は、出口において第１のノズルの出口と流体連通し、入口において加圧液供給用の連結部と流体連通している第３のノズルを具えうる。この一定断面チャネルは略円筒形であって、直径の約４乃至６倍の流動長さを有しうる。第２のノズルは、可変発散部を有するディフューザーを具えうる。ジェット装置は、第２のノズルの出口に接続される放出チャネル用の連結部を具えうる。ジェット装置は、出口において第２のノズルの出口と流体連通し、入口において加圧液供給用の連結部と流体連通している第３のノズルを具えうる。
【００１２】
前述の例は、均一等方性液体流と不均一二相流の間の流動変化と組み合わせて、急激な圧力変化を利用したジェット装置内の液体の熱媒体の混合および加熱は、熱伝達効率を向上させることを実証している。以下の詳述を考慮することにより、当業者は、ジェット噴射装置および方法、ならびにその更なる利点や目的をより完全に理解することが可能となるであろう。最初に簡潔に説明する添付の図面を参照されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、加熱媒体として熱水を使用する、本書に記載するような動作方法を実施するのに適したジェット装置用の流動部の概略図である。
【図２】図２は、加熱媒体として蒸気を使用する、本書に記載するような動作方法を実施するのに適したジェット装置用の流動部の概略図である。
【図３】図３は、図２の装置を示す代替的な概略図である。
【図４】図４は、加熱媒体として熱水を使用するジェット噴射装置の動作方法を示すフロー図である。
【図５】図５は、加熱媒体として熱蒸気を使用するジェット噴射装置の動作方法を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本願装置および方法について更に詳しく記載する前に、開示する実施形態を支持する特定の理論上の留意事項を示す。このような留意事項の１つは、プロセス流れにおける沸騰の開始に関するものである。プロセスフローにおいて飽和蒸気圧に達した後の沸騰プロセスの開始が遅れるのを防ぐため、液体流内に蒸気変換核の存在を要することがある。蒸気を加熱する熱媒体として使用する実施形態では、蒸気噴射が液体流内に多くの微小気泡を生じさせるため、この問題は生じない。このような気泡は、気泡を保持する液体の温度を遙かに超える温度を有する蒸気を含むことができ、したがって、このような気泡は変換核として機能する。
【００１５】
熱い液体、例えば水を熱媒体として使用する場合は、異なる状況が生じる。本願出願人による露国特許出願第２００８１３８１６２号に記載された熱水に適したノズルは、収束部に滑らかな入力端部を有し、変換核がないと、飽和圧力未満に圧力を著しく低下させた後であっても、液体沸騰に遅れを招いてしまう。その結果、理論上算出したものとは異なるノズル動作が生じ、ひいては装置全体の効率損失を生じさせてしまう。
【００１６】
この不利益を回避するため、このノズルまたは同様のノズルは、蒸気生成デバイスとしてノズルの入口に鋭形エッジの開口を有するように構成することができる。このように設置された場合、ノズルのボトルネック部直径は、以下に記載する留意事項に応じて適切な大きさに作られる。流体力学において、Ｚｈｕｋｏｖｓｋｙ  Ｎ．Ｅ．は、大きい直径の管または導管から大気中への液体放出係数を算出する以下の公式を提案している。
2014511121.tif 000003
ここで、ｄは開口直径であり、Ｄは供給ラインの直径である。
Ｄ＞＞ｄの場合、μ＝０．６０９となる。
【００１７】
この既定の相関関係は、自由噴射ジェットの形態において、大気圧の無限空間に冷水を放出した結果を十分に示している。しかしながら、この公式は、大気圧よりも高い逆圧を有する有限の注入空間への放出について正確に示すものではなく、広範囲の初期温度および圧力に対するスロート部の直径の問題は確定していない。ジェット内のプロセスの物理的本質は完全には理解されていない。ノズルの入口および発散部に蒸気生成インサートを有するノズル内で沸騰している液体流の動作は、出願第２００８１３８１６２号の図１に示すデバイスについて記載された算出方法に準じて説明することができる。ノズル１０２に特有の特徴は、軸に沿って圧力が低下し、その結果として処理液が沸騰すると、音速を経る移行が二度生じることである。液体−気体混合物の合計体積に対する気体成分の体積の比として規定された、相の最小体積比‘β’が１／３（３分の１）の値を達成するとき、最初の移行が生じる。これは、発散部１０３への入口１０７におけるノズルのボトルネック部に位置する鋭形エッジの開口部からの出口において生じる。音速を経る移行は、ノズルの出口部の圧力Ｐ０１に依存する、ノズルの出口１０４の相の最大体積比であるβ（Ρ０１）において二度目が生じる。
【００１８】
ノズルの出口と入口における混合物の流量は同一であって、全く同一の相関関係によって特定される。
ｇｃｒ（Ｐ０１）・ｆ、
ここで、ｆは断面積であって、ｇｃｒ（Ｐ０１）は、急激な変化前の、圧力を関数とした混合物の特定の限界質量流であって、相関関係
2014511121.tif 000004
によって、よどみ点圧力と関連付けられる。ここで、ｋは等エントロピー指数であって、ノズルの発散部の変化圧力Ｐ０１、さらには相の体積比およびよどみ点圧力の関数である。特定の臨界流は、
ｇｃｒ（Ｐ０１）＝（ｋ（Ｐ０１）・Ｐ０１・ρ・（１−β（Ｐ０１）））５
と等しい。ここで、ρは液体密度であり、ノズルの断面積の比は特定流量と反比例の関係にあるため、
2014511121.tif 000005
である。
【００１９】
加速ノズル１０２の出口部およびノズルの発散部１０３への入口１０７内のよどみ点圧力の等式に基づく規定の相関関係に関して、鋭形エッジの開口部とノズルの出口部の面積比は、これらの断面における液相と気相の体積比Ｍと反比例し、直径比は
2014511121.tif 000006
と等しい。
【００２０】
急激な圧力変化を考慮すると：
ａ（Ｐ０１）２＝ｗ１（Ｐ０１）・ｗ２（Ｐ０１）であり、
ここで、ａ（Ｐ０１）は音速であり、ｗ１（Ｐ０１）は急激な圧力変化前の二相混合物の速度であり、ｗ２（Ｐ０１）＝ｗ１（Ｐ０１）×（１−β（Ｐ０１））は急激な圧力変化後の二相混合物の速度である。この式を急激な圧力変化がある状態に代入すると、以下の式が得られる。
2014511121.tif 000007
結果として、加速ノズルの入口とノズルの出口部における、開口の直径の二乗の比は、以下のように記載することができる。
2014511121.tif 000008
【００２１】
ここで、ｄはノズル入口における直径であり、Ｄはノズルの出口における直径であり、Ｍは液相／気相の体積比である。この比率を上記Ｚｈｕｋｏｖｓｋｙ  Ｎ．Ｅ．の公式に代入すると、次のように変換される。
2014511121.tif 000009
ノズルの発散部の入口における相の体積比が１／３であることを考慮すると、式Ｍ１＝１．５が得られる。この式において、流量係数は開口の直径、または供給ラインの直径の何れにも依存しないが、鋭形エッジの開口を通って放出するジェットの形状および幾何学的サイズが、二相流を沸騰させるための特定の超音速ノズルに応じて設定される場合には、処理液の特性のみに依存し、本願出願人による露国特許出願第２００８１３８１６２号に
2014511121.tif 000010
と記載されている。
【００２２】
流量係数に関するこの式はノズルの出口の圧力に依存することを示し、同様にノズルへの入口における液体（想定するケースでは、水）の特性に依存するにもかかわらず、この公式によってノズルへの入口における広範囲の温度（２０℃乃至２００℃）および圧力（０．２乃至２ＭＰａ）について算出が実施され、流量係数は一定であり、Ｄ＞＞ｄ：μ＝０．６０９の状態について、Ｚｈｕｋｏｖｓｋｙ  Ｎ．Ｅ．の公式にしたがって算出される値と等しい。
【００２３】
これは、この値が基本的性質を有し、水の最も重要な特徴、すなわちその圧縮率と潜在的な内部エネルギを特定するという事実を示している。
【００２４】
出願第２００８１３８１６２号は、液体を沸騰させるよう動作する加速ノズルの出口部における直径Ｄ（Ｐ０１）をどのように特定するかを記載している。ノズルへの入口における開口部の直径は、以下の相関関係によって算出される。
2014511121.tif 000011
ここで、ノズル１０２の長さは、開口直径ｄの約０．５乃至１．０倍である。
【００２５】
上記の通り、図１は、熱媒体として熱水を使用する、上記のような方法を実施するためのジェット装置１００用の流動部の概略図を示している。熱生成ジェット装置１００は、入口１０１と、断面発散ノズル１０３を有するノズル１０２と、混合ノズル１０４と、支流入口１０５と、出口１０６とを具えうる。
【００２６】
熱生成ジェット装置１００は、以下のように動作しうる。加熱した熱媒体として液体媒体を使用する場合、この媒体は圧力下でノズル１０２に供給される。加熱した液体の熱媒体は、入口１０１から蒸気生成ノズル１０２を通って、加速ディフューザー１０３へと供給される。ここで、部分（ａ）では鋭形エッジから流動が剥離し、流動が狭まり、中の圧力が減少して、さらに狭窄部（ｂ）内を進む流動を沸騰させる。気相と液相の体積比は１／３になり、流体が超音速となり、部分（ｃ）におけるノズル１０２から出口１０６に急激な圧力変化が生じる。加速ノズル１０３への入口では、流動は主に微小な蒸気気泡を有する液体であり、この気泡は、二相流内の圧力を低下させると同時に急速な液体沸騰の開始を促進する蒸気生成核である。
【００２７】
ノズル１０３は、図示のように、可変発散部を有するディフューザー形状を有しうる。ここで、混合物の密度が減少して速度が増大し、部分（ｄ）において流動が臨界となって、さらに超音速まで発展する。部分（ｅ）において速度は最小速度に達し、圧力は最小圧力に達する。支流パイプ１０５を介して環状混合ノズル１０４に供給された受熱水もまた、部分（ｅ）における低い圧力によって沸騰し、加速ノズルから来る二相流と混合する。
【００２８】
ここで、流動は、混合した直後に二相混合物が超音速で出口パイプライン１０６に供給されるような割合かつパラメータで混合される。出口１０６への移行は、パイプライン１０６内に急激な圧力変化（上昇）を生じさせる。突然の圧力変化の際、二相流は、１／３未満の気液体積比を示す均一等方性単相液の亜音速流に急速に変化する。ここで、このような相流の急速な状態変化は、急激な圧力変化の際に流動を加熱することによって同時に生じる。この均一な液体流は、この段階で形成された微小な蒸気気泡が充満していることがある。この流動は、入力加熱媒体による効率的かつ急速な熱伝達を実現しながら、加熱された液体として需要者に供給される。
【００２９】
図１に示すような水−水ボイラーの理論パラメータ値を、本書に開示される技術例として構成される動作プロトタイプについて算出した。出願日時点で、プロトタイプによる実験データはまだ入手できていない。算出された入口パラメータは以下の通りである。
熱水の入口圧力：Ｐ１＝０．４４ＭＰａ
熱水の入口温度：Ｔ１＝１１０℃
水に供給された電力（ワット数）：ＭＥ＝５００ｋＷ
使用される幾何学的数値は以下の通りである。
ノズルの狭窄部の直径：ｄ＝１８ｍｍ
ノズルの出口部の直径：Ｄ＝１１６ｍｍ
算出した出口パラメータは以下の通りである。
出口圧力：Ｐ２＝０．１３８ＭＰａ
水の出口温度：Ｔ２＝７７．６℃
出口電力（ワット数）：Ｑ＝１０００．６ｋＷ
水の流出量：ｇ＝１５ｍ３／ｈ
急激な変化前の音速：ａ＝２７．５６ｍ／ｓ
急激な変化前の圧力：Ｐ０＝０．００８５ＭＰａ
圧力の急上昇（急激な変化）前の流速：ｗ１＝２３１．３９ｍ／ｓ
圧力の急上昇（急激な変化）前のマッハ数：Ｍ＝８．３９
上記算出値は単なる例示であって、本書に開示された発明の概念を限定するものとして解釈すべきではない。実験結果は上記理論値とは異なることがあることも認識されたい。
【００３０】
熱生成ジェット装置の動作方法を具体化する他の変形態様は、主に熱供給媒体として蒸気が圧力下でジェット装置の入口１０１に供給されるという点で、上記の装置とは異なっている。すなわち、熱供給媒体は蒸気の形態で噴射される。その結果、大量の熱伝達によって冷たい熱媒体を加熱するプロセス、ならびに二相流を形成するプロセスが増加する。ここで、上述したように、二つの相変化、すなわち急激な圧力変化による熱媒体混合物の流動の変化と、超臨界流の状態にある熱媒体混合物の流動の変化が流動内で行われる。最初に行われる熱媒体混合物の流動の変化は沸騰させるために熱媒体混合物を特別に加速させる必要がなく、媒体混合物の加熱プロセスを促進させることができるという点が本質的に異なっており、急激な圧力変化後に液体内に形成される気泡は、加速ノズルで液体が沸騰している際に蒸気生成核として機能する。
【００３１】
したがって、図２は、加熱媒体として蒸気を用いる、本書に記載するような動作方法に適した他の装置２００の概略図を示している。図３は、ジェット装置２００の代替図を示している。この装置は、以下の動作、すなわち、加熱するための第１の冷ストリームを受取チャンバ２０１からノズル２０３を通って混合チャンバ２０４に供給しながら、圧力下で熱媒体の蒸気を収束−発散ノズル２０２の部分（ａ）に供給し、ノズル２０２からの流出物を混合チャンバ２０４内に入れる動作を促進させるものと理解することができる。ノズル２０２および２０３の下流にある混合チャンバ２０４における部分（ｂおよびｃ）間で熱媒体を混合する際に、熱媒体の蒸気−液体混合物が形成される。この蒸気−液体流は、混合チャンバの円筒部２０５への収束入口部によって超音速まで加速される。この蒸気−液体流は、円筒部２０５への入口部周辺で約１／３の気／液体積比を有しうる。
【００３２】
チャンバの円筒部２０５に入った後、蒸気−液体流は減速して急激な圧力上昇を受ける。この円筒部２０５は、以下に記載するように、減速と圧力上昇が生じるように設計することができる。急激な圧力上昇に伴い、二相の蒸気−液体流は、微小の連行気泡を有し、１／３未満の気／液体積比を有する亜音速の均一等方性液体流に変化する。さらに、混合チャンバの円筒部２０５内で急激に圧力変化した際に気相が減少する結果、熱媒体混合物の流動が加熱される。したがって、この流動は、亜音速かつ高温で下流ノズル２０６に放出される。
【００３３】
次いで、このプロセスの液体流は、当該液体流が加速蒸気−液体ノズル２０６内で沸騰する速度まで加速される。このノズル２０６は、図示のように、可変発散部を有するディフューザー形状を有しうる。このプロセスの流動は再び、断面発散ノズル２０６の加速ノズル部分（ｅ）内に、１／３を超える気／液体積比およびマッハ数１を有する不均一な二相流の状態を実現する。次いで、液体流は、加速ノズル２０６から出口において、実質的に１よりも大きいマッハ数の最大速度まで加速される。
【００３４】
熱投入媒体として双方とも蒸気を使用する、装置２００に関する動作方法の２つの異なる態様は、以下のように実施することができる。一実施形態では、装置２００は、超音速流が加速ノズル２０６からの出口に達した後に、急激な圧力変化の際に流動を減速させることによって、出口パイプライン２０８において、微小の蒸気−ガス気泡が充満した熱媒体混合物の均一等方性液体流への変化が実現するように動作するよう構成される。この変化は、流動内の気相の減少および圧力上昇によって、熱媒体混合物の液体流を更に同時に加熱することにより実現する。次いで、熱媒体混合物の加熱された液体流は、得られる圧力下で需要者に供給される。支流パイプ２０７を介しては何も供給されず、この機構は削除または除外することができる。
【００３５】
代替的な実施形態では、装置２００は、熱投入蒸気の供給が以下の特徴によって上記実施形態とは異なって動作するように構成される。第２の冷水投入ストリームが、支流パイプ２０７を通って部分（ｆ）において発散ノズル２０６の出口に更に供給される。この部分の圧力は低いため、第２の冷投入ストリームも沸騰し、ほぼ１のマッハ数を有する近音速まで加速される。次いで、第２の冷ストリームは、加速ノズル２０６から部分（ｆ）に供給された熱い超音速の二相流と混合される。混合された二相流は超臨界流である。出口パイプライン２０８での急激な圧力変化（上昇）の際、混合された二相流は、微小の蒸気の連行気泡を有する均一等方性液体流に変化する。この状態では、加熱された液体は、出口２０８において得られる圧力で需要者に放出されうる。
【００３６】
装置２００の第１の部分は、２０００年８月２７日に発行された、本願出願人による露国特許第２１５５２８０号に開示されているような遷音速ジェット装置（ＴＪＡ）を含むことができ、混合チャンバ２０４の円筒部における急激な圧力変化の際に可能な限り最大限の減速圧力を実現するように改変されている。比較すると、露国特許第２１５５２８０号に記載されたＴＪＡの対応部分は、円錐角度（ｙ）を有するディフューザーの形態に構成されている。遷音速流でのＴＪＡへの入口における蒸気と水の初期パラメータのセットについて、急激な圧力変化（上昇）後の減速圧力は、急激に変化する前のノズルに得られる厳密に規定された圧力値の最大値を有する、ということが理論的に証明され、試験によって確認されている。ここで、上述したように、既定の放出量で二相流を沸騰させる部分の直径は、急激な変化前の圧力の関数でもある。したがって、減速圧力が最大値を有する急激な変化前の圧力を特定して、混合チャンバ２０４の円筒部２０５の対応する直径値を算出することができる。経験上、混合チャンバの円筒部の最適長さ‘Ｌ’は、Ｌ＝混合チャンバの直径の４乃至６倍に規定され得ることを示している。
【００３７】
上述に従って供給される熱水を利用して流体を加熱するためのジェット装置の動作方法３００は、図４に示すように、以下の通りに実施することができる。この方法は、圧力下で熱水流を第１のノズルに供給し、第１のノズル内の熱水流を超音速に加速すると共に少なくとも約３分の１の気液体積比を得ながら、熱水流を沸騰させるステップ３０２を含みうる。この熱水流は鋭形エッジの開口（入口）を通って第１のノズルに供給され、境界層剥離および急速沸騰させることができる。次いで、この方法はさらに、第１のノズルから第２のノズルの発散部に熱水を放出して、熱水を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、熱水流を加熱させて、流動を微小な蒸気の連行気泡を有する均一等方性液に変化させるステップ３０４を含みうる。この方法はさらに、第２のノズルの第２の部分を通って流動を加速させて、第２のノズルの出口において熱水流を超音速に加速すると共に少なくとも約３分の１の気液体積比を得ながら、熱水流を第２沸騰させるステップ３０６を含みうる。
【００３８】
この方法３００はさらに、圧力下で第２のノズルの出口付近に放出する第３のノズルを通って冷水を供給し、熱水流と混合する直前に冷水を加速および沸騰させるステップ３０８を含みうる。この方法はさらに、第２のノズルの出口直後の下流で熱水流と冷水を混合するステップ３１０を含みうる。この方法はさらに、熱水流と冷水の混合物を出口に放出するステップ３１２を含んでもよく、この出口は、混合物を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、混合物を加熱するよう構成されている。代替的に、この方法はさらに、途中で混合することなく熱水流を出口に放出するステップ３１４を含んでもよく、この出口は、熱水流を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、熱水流を更に加熱するよう構成される。
【００３９】
同様に、供給される熱蒸気を利用して流体を加熱するためのジェット装置の動作方法４００は、図５に示すように、以下の通りに実施することができる。この方法は、第１のノズルを通って液体物質の気相を物質の冷液相に噴射し、第１のノズルの下流の混合チャンバにおいて熱水流を沸騰させるステップ４０２を含みうる。この方法はさらに、混合チャンバの収束部を通って熱水流を供給し、熱水流を超音速に加速して、少なくとも約３分の１の気液体積比を得るステップ４０４を含みうる。この方法はさらに、収束部から第２のノズルの発散部に通ずる一定断面チャネルへと熱水を放出して、熱水を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、熱水流を加熱させて、流動を微小な蒸気の連行気泡を有する均一等方性液体に変化させるステップ４０６を含みうる。この一定断面チャネルは、直径の約４乃至６倍の流動長さを有する円筒チャネルを具えうる。この方法はさらに、第２のノズルを通って流動を加速させて、第２のノズルの出口において熱水流を超音速に加速すると共に少なくとも約３分の１の気液体積比を得ながら、熱水流を第２沸騰させるステップ４０８を含みうる。
【００４０】
この方法４００はさらに、ノズルを通って混合チャンバに物質の冷液相を供給するステップを含みうる。この方法はさらに、圧力下で第２のノズルの出口付近に放出する第３のノズルを通って冷水を供給し、熱水流と混合する直前に冷水を加速および沸騰させるステップ４１０を含みうる。この方法はさらに、第２のノズルの出口直後の下流で熱水流と冷水を混合するステップ４１２を含みうる。この方法はさらに、熱水流と冷水の混合物を出口に放出するステップ４１４を含んでもよく、この出口は、混合物を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、混合物を加熱させるよう構成される。代替的に、この方法は、途中で冷水と混合することなく熱水流を出口に放出するステップ４１６を含んでもよく、この出口は、熱水流を亜音速に減速し、気液体積比を約３分の１未満に減少させ、熱水流を更に加熱するよう構成される。
【００４１】
開示された主題に応じて実行されうる方法が、幾つかのフロー図を参照して記載されている。説明を簡略化するために、これらの方法は一連のブロックとして図示され記載されているが、幾つかブロックは異なる順番で、および／または本書に図示され記載された他のブロックと同時に存在してもよいため、主張される主題はブロックの順番によって限定されるものではないと理解および認識されたい。さらに、図示された全てのブロックが本書に記載の方法を実行するために必ずしも必要ではなく、様々な別のブロックを省略しても、本書に記載または主張された代替的な実施形態の１つの残りのブロックによって実行することができる。
【００４２】
記載された熱生成ジェット装置の動作方法は、大規模な熱源の建設および再建、および極北地域を含むセントラルヒーティングシステムを有しない様々な建物用、さらに家庭、オフィスビル、建築物、小屋および別荘における水の加熱、熱水供給用の加熱システムといった自家用熱生成ユニットの製造の双方において実現することができる。これらの方法は、産業廃棄物処理設備、放射性廃棄物処分工場、塩水脱塩設備、および清浄な飲料水の取得工場の建設および再建においても実現することができる。本書に記載された実施形態は、単にジェット噴射に関する例示的な様々な装置および方法にすぎない。本発明はこれらの例によって限定されるものではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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