涡流站
阅读：637发布：2020-05-11
专利汇可以提供涡流站专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及一种用于产生类似于由尘暴和 水 龙卷组成的群组中的一种的 涡流 的涡流站和方法。装置包括：形成涡流站基部的地面平台；多个 叶片 ，以基本上旋流的方式将空气流引导到涡流站中和涡流站周围；至少一个 风 力 涡轮 机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在涡流站的中心产生大气 浮力 涡流，向所述涡流站中心处或中心附近的涡流站的 工作 流体 (例如水)的供应，使得空气处于对工作流体(例如水)的饱和状态或至少部分饱和状态，以足够的量或数量供应工作流体(例如水)，以协助维持所产生的涡流的浮力和 稳定性 。，下面是涡流站专利的具体信息内容。
1.一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
地面平台，形成所述涡流站的基部，
多个叶片，以基本上旋流的方式将空气流引导到涡流站中和所述涡流站周围；
至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流；
向所述涡流站中心处或中心附近的所述涡流站的工作流体(例如水)的供应，使得空气处于对所述工作流体(例如水)的饱和状态或至少部分饱和状态，以足够的量或数量供应所述工作流体(例如水)，以协助维持所产生的涡流的浮力和稳定性。
2.一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
地面平台，形成所述涡流站的基部，
多个叶片，以旋流的方式将空气引导到所述涡流站中和所述涡流站周围(也就是说，具有水平循环)；
至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流；
向所述涡流站中心处或中心附近的涡流站的可蒸发液体或工作流体(例如水)的供应，以足够的量或流率供应可蒸发液体或工作流体(例如水)以提供处于对可蒸发液体或工作流体的饱和状态或至少部分饱和状态的至少一些空气，以增加纵横比(例如，涡流的高度与涡流的核心的宽度的比率)，使得增加的纵横比有助于所产生的涡流的浮力和稳定性。
3.根据权利要求1或2所述的涡流站，其中所述可蒸发液体或工作流体是水，可选地，所述水是加热的水流。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡流站，其中流入所述涡流的空气被充分调节以便接近饱和状态。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡流，其中流入所述涡流站的空气被充分调节，以允许通过在所产生的涡流核心中的冷凝释放足够量的潜热，从而维持所产生的涡流的浮力和稳定性，因此所述涡流比在没有调节流入所述涡流站的所述空气的情况下实现了更高的高度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡流站，其中所述可蒸发液体或工作流体(例如水)以足够的量或数量供应，或者被引导到所述涡流站的空气流被调节为具有足够的饱和度，以使得能够产生相对高纵横比涡流。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡流站，其中相对高纵横比是所述涡流的高度与所产生的涡流的核心的宽度的比率大于约15:1。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡流站，其中所述至少一个风力涡轮机位于或设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的涡流站，其中向所述涡流站提供或供应所述可蒸发液体或工作流体(例如水)或可蒸发液体或工作流体(例如水)的来源，并且如此产生的涡流有助于增加纵横比(例如，涡流的高度与涡流的核心的宽度的比率)，使得增加的纵横比有助于浮力和所产生的涡流的稳定性的增加。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡流站，其中所述叶片和所述至少一个风力涡轮机位于所述地面平台的边界内或边界处。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡流站，其中向所述涡流站的可蒸发液体或工作流体(例如水)的所述供应是通过多个喷嘴从带有泵送的加热的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的歧管馈送的。
12.根据权利要求11所述的涡流站，其中所述多个喷嘴被配置为产生具有相对大表面积的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的相对细小的喷雾，以便允许足够的表面积用于传热，以产生或调节被引导到所述涡流站的空气流(例如暖空气)，使其为对所述可蒸发液体或工作流体(例如水蒸汽)的饱和状态或者至少部分饱和状态，以便通过浮力驱动涡流。
13.根据权利要求11所述的涡流站，其中向所述涡流站的可蒸发液体或工作流体(例如水)的所述供应是从带有泵送的加热的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的歧管馈送的多个喷嘴，以便产生具有相对大表面积的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的细小喷雾，以允许足够的表面积用于传热以产生进入暖空气的涡流的空气流，使其饱和有可蒸发液体或工作流体(例如水蒸汽)，以便通过浮力驱动涡流，并且通过提供轴向应变的垂直加速度使核心在上升中稳定。
14.根据权利要求11所述的涡流站，其中所述多个喷嘴被配置为产生具有相对大表面积的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的相对细小的喷雾，以便允许足够的表面区域用于传热以产生或调节被引导到所述涡流站的空气流(例如暖空气)，使其处于对可蒸发液体或工作流体(例如水蒸汽)的蒸汽的饱和状态或至少部分饱和状态。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的涡流站，其中以足够的体积或量向所述涡流站基部处或附近的涡流的空气流提供可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源，以增加饱和度或实现引入涡流的空气的空气流的饱和度(例如相对湿度高达100％相对湿度)。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的涡流站，其中可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源，一旦蒸发并包括在被引导到涡流的空气流中，即被涡流提升到一定高度并暴露于温度或环境条件下，使得至少一些蒸汽冷凝，从而导致在所述高度处的冷凝中释放潜热。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的涡流站，其中可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源以持续的方式提供或供应(即可以连续地提供或供应)到被引入涡流的空气流中，同时在所述涡流站内维持和操作所述涡流。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的涡流站，其中用于调节被引导到所述涡流站的空气流的可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源增加被引入所述涡流站中产生的涡流的空气的饱和度或湿度。
19.根据权利要求1至18中任一项所述的涡流站，其中所述涡流站是基本上处于地面水平的平床或平台。
20.根据权利要求1至19中任一项所述的涡流站，其中所述叶片围绕所述涡流站的周边以基本上圆形的方式构造或布置。
21.根据权利要求1至20中任一项所述的涡流站，其中所述叶片包括多个可调节的偏转器。
22.根据权利要求1至21中任一项所述的涡流站，其中所述叶片可包括一组固定叶片。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的涡流站，其中所述叶片是帆。
24.根据权利要求23所述的涡流站，其中所述帆由织物构造成。
25.根据权利要求21所述的涡流站，其中所述可调节偏转器叶片是手动可调节或远程可调节的。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的涡流站，其中所述涡流站还包括位于所述涡流站中心的顶部。
27.根据权利要求26所述的涡流站，其中所述顶部为环形形状和/或设置在所述至少一个涡轮机上方并且从所述至少一个涡轮机延伸出。
28.根据权利要求1至27中任一项所述的涡流站，其中所述风力涡轮机包括围绕所述站的垂直中心线旋转的垂直叶片，从而位于所述涡流的基部处的最集中气流的区域中并且在叶片扫过的圆柱形状上产生径向压差，以便稳定涡流的基部不受外部风的横向移动。
29.根据权利要求1至28中任一项所述的涡流站，其中所述风力涡轮机包括围绕所述站的垂直中心线旋转的垂直叶片，从而位于所述涡流基部处的最集中气流的区域中并且在叶片扫过的圆柱形状上产生径向压差，以便稳定涡流的基部不受外部风的横向移动。
30.根据权利要求1至29中任一项所述的涡流站，其中使用多个同心涡轮机，或者使用设置有多个同心叶片组的单个涡轮机。
31.根据权利要求30所述的涡流站，其中所述风力涡轮机位于所述环形顶部的内径之下。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的涡流站，其中用于泵送可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的歧管和喷嘴位于所述涡流站的环形顶部下方和地平面上，位于被引导到所述涡流站的空气流的区域内。
33.根据权利要求11所述的涡流站，其中所述喷嘴将可蒸发液体或工作流体(例如水)引导入并且抵抗被引导到所述涡流站中的空气流。
34.根据权利要求33所述的涡流站，其中所述喷嘴被配置为产生或生成所述可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的细雾或喷雾。
35.根据权利要求1至34中任一项所述的涡流站，其中所述涡流站包括凹形的地板。
36.根据权利要求35所述的涡流站，其中所述涡流站的地板包括用于收集可液体蒸发的液体或工作流体(例如水)的排水管，可选地，所述排水管位于所述地板的中心。
37.根据权利要求36所述的涡流站，其中所述排水管流体连接到储液器或储存设施。
38.根据权利要求37所述的涡流站，其中收集在所述储层或存储设施中的液体可以重复使用或再循环。
39.一种提高涡流站内人造涡流的稳定性的方法，包括：
-提供地面平台，形成所述涡流站的基部，
-经由多个叶片将空气馈送到所述涡流站中，叶片被配置为将供应的空气以引发空气的旋流的方式引导到所述涡流站中，
-提供和定位至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流，以及-将可蒸发液体或工作流体(例如水)供应到涡流站中心处或中心附近的涡流站，以足够的量或流率供应可蒸发液体或工作流体(例如加热的水流或热水流)的供应，以使至少一些空气处于部分或饱和状态以增加纵横比，使得增加的纵横比有助于所产生的涡流的浮力和稳定性。
40.一种维持从涡流站产生的人造涡流的过程，包括：
-提供地面平台，形成涡流站的基部，
-围绕所述涡流站的周边提供和布置多个叶片，用于以基本上旋流的方式(例如，具有水平循环)将空气流引导到所述涡流站中，
-向所述涡流站中心处或中心附近的所述涡流站提供或供应可蒸发液体或工作流体(例如水)的来源，以足够量或流率供应可蒸发液体或工作流体(例如水)的供应，以提供引入涡流站内产生的涡流的处于饱和状态或至少部分饱和状态的至少一些空气流，并且一旦产生涡流继续提供或供应可蒸发液体或工流体(例如水)的所述来源。
涡流站
技术领域
背景技术
[0002] 已经进行了许多尝试以利用废热来发电，但是在低温下可用的低功率密度使得在这样的过程中所需的设备异常大且昂贵。对于“无燃料”能源，资本和运营成本是经济可行性的关键，因此使用大气浮力涡流作为“虚拟烟囱涡流”(以下称为VCV)具有吸引力。因为VCV将浮力集中在地面水平处的高风速，所以避免了高大结构和大型涡轮机的成本。VCV本身可能非常大并且可以以低成本建立。
发明内容
[0004] 本发明的一个目的是提供一种涡流站，该涡流站将增加或至少在某种程度上提高现有系统的效率。
[0005] 本发明的一个替代目的是提供一种涡流站，该涡流站至少将至少在某种程度上克服现有系统的缺点，或者至少为现有系统提供有用的替代方案。
[0006] 所公开的主题还提供了方法或系统，其可以广泛地被认为单独地或共同地包括本说明书中提及或指示的部分、元件和特征，两个或更多个这些部分、元件或特征的任何或所有组合。在本说明书中提及的具有本发明所涉及领域的已知等同物的特定整数的情况下，这些已知的等同物被认为包含在说明书中。
[0007] 在第一方面中，本发明可以广泛地包括一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的组中的一个的涡流涡流站，包括：
[0008] 地面平台，形成所述涡流站的基部，
[0009] 多个叶片，以基本上旋流的方式将空气流引导到涡流站中和所述涡流站周围；
[0011] 向所述涡流站中心处或中心附近的所述涡流站的工作流体(例如水)的供应，使得空气处于对工作流体(例如水)的饱和状态或至少部分饱和状态，以足够的量或数量供应工作流体(例如水)，以协助维持所产生的涡流的浮力和稳定性。
[0012] 在第二方面中，本发明可以广泛地包括一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
[0013] 地面平台，形成所述涡流站的基部，
[0014] 多个叶片，以旋流的方式将空气引导到所述涡流站中和所述涡流站周围(也就是说，具有水平循环)；
[0015] 至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流；
[0016] 向涡流站中心处或中心附近的涡流站的水的供应，使得空气处于饱和状态或至少部分饱和状态，以便有助于产生的涡流的浮力和稳定性，并且确保涡流具有高纵横比。
[0017] 在第三方面中，本发明可以广泛地包括一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
[0018] 地面平台，形成涡流站的基部，
[0019] 多个叶片，以旋流的方式将空气引导到涡流站中和涡流站周围(也就是说，具有水平循环)；
[0020] 至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中涡流站中的空气的运动使得在涡流站的中心产生大气浮力涡流；
[0021] 向涡流站中心处或中心附近的涡流站的可蒸发液体或工作流体(例如水)的供应，以足够的量或流率供应可蒸发液体或工作流体(例如水)以提供处于对可蒸发液体或工作流体的饱和状态或至少部分饱和状态的至少一些空气，以增加纵横比(例如，涡流的高度与涡流的核心的宽度的比率)，使得增加的纵横比有助于所产生的涡流的浮力和稳定性。
[0022] 在第四方面中，本发明可以广泛地包括一种提高涡流站内人造涡流的稳定性的方法，包括：
[0023] -提供地面平台，形成涡流站的基部，
[0024] -经由多个叶片将空气馈送到所述涡流站中，叶片被配置为将供应的空气以引发空气的旋流的方式引导到所述涡流站中，
[0025] -提供和定位至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流，以及
[0026] -将可蒸发液体或工作流体(例如水)供应到涡流站中心处或中心附近的涡流站，以足够的量或流率供应可蒸发液体或工作流体(例如加热的水流或热水流)的供应，以使至少一些空气处于部分或饱和状态以增加纵横比，使得增加的纵横比有助于所产生的涡流的浮力和稳定性。
[0027] 在第五方面中，本发明可以广泛地包括一种用于维持从涡流站产生的人造涡流的过程，包括：
[0028] -提供地面平台，形成涡流站的基部，
[0029] -围绕所述涡流站的周边提供和布置多个叶片，用于以基本上旋流的方式(例如，具有水平循环)将空气流引导到所述涡流站中，
[0030] -向所述涡流站中心处或中心附近的所述涡流站提供或供应可蒸发液体或工作流体(例如水)的来源，以足够量或流率供应可蒸发液体或工作流体(例如水)的供应，以提供引入涡流站内产生的涡流的处于饱和状态或至少部分饱和状态的至少一些空气流，并且一旦产生涡流继续提供或供应可蒸发液体或工流体(例如水)的所述来源。
[0031] 在第六方面中，本发明可以广泛地包括一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
[0032] 地面平台，形成涡流站的基部，
[0033] 多个叶片，以旋流的方式将空气引导到涡流站和涡流站周围(也就是说，具有水平循环)；
[0034] 至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中涡流站中的空气的运动使得在涡流站的中心产生大气浮力涡流；
[0035] 用于向涡流站中心处或中心附近的涡流站供应水的装置，使得空气处于饱和状态或至少部分饱和状态，水以足够的量或数量供应以便协助所产生的涡流的浮力和稳定性。
[0036] 在第七方面中，本发明可以广泛地包括一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
[0037] 地面平台，形成涡流站的基部，
[0038] 多个叶片，以旋流的方式将空气引入涡流站和涡流站(也就是说，具有水平循环)；
[0039] 至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中涡流站中的空气的运动使得在涡流站的中心产生大气浮力涡流；
[0040] 向涡流站中心处或中心附近的涡流站的水的供应，使得空气处于饱和状态或至少部分饱和状态，以便有助于产生的涡流的浮力和稳定性，并且确保涡流具有高的纵横比。
[0041] 在第八方面中，本发明可以广泛地包括一种用于产生类似于由尘暴和水龙卷组成的群组中的一种的涡流的涡流站，包括：
[0042] 地面平台，形成涡流站的基部，
[0043] 多个叶片，以旋流的方式将空气引导到涡流站和涡流站周围(也就是说，具有水平循环)；
[0044] 至少一个风力涡轮机，设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中涡流站中的空气的运动使得在涡流站的中心产生大气浮力涡流；
[0045] 向涡流站中心处或中心附近的涡流站的可蒸发液体(例如水)的供应，以足够的量或流率供应可蒸发液体(例如水)以提供处于饱和状态或至少部分饱和状态的至少一些空气，以增加纵横比(例如，涡流的高度与涡流的核心的宽度的比率)，使得增加的纵横比有助于所产生的涡流的浮力和稳定性。
[0046] 在第九方面中，本发明可以广泛地包括一种用于维持从涡流站产生的涡流的过程，包括：
[0047] 提供地面平台，形成涡流站的基部，
[0048] 围绕所述涡流站的周边提供和布置多个叶片，用于以基本上旋流的方式(例如，具有水平循环)将气流引导到涡流站中，
[0049] 向涡流站中心处或中心附近的涡流站提供或供应可蒸发液体(例如水)的来源，以足够的量或流率供应可蒸发液体(例如水)的供应，以提供被引入涡流站内产生的涡流的处于饱和状态或至少部分饱和状态的至少一些空气流，并且一旦产生涡流继续提供或供应所述可蒸发液体(例如水)的来源。
[0050] 优选地，所述可蒸发液体或工作流体是水，可选地，所述水是加热的水流。
[0051] 优选地，流入所述涡流的空气被充分调节以便接近饱和状态。
[0052] 优选地，流入所述涡流站的空气被充分调节，以允许通过在所产生的涡流核心中的冷凝释放足够量的潜热，从而维持所产生的涡流的浮力和稳定性，因此所述涡流比在没有调节流入所述涡流站的所述空气的情况下实现了更高的高度。
[0053] 优选地，所述可蒸发液体或工作流体(例如水)以足够的量或数量供应，或者被引导到所述涡流站的空气流被调节为具有足够的饱和度，以使得能够产生相对高纵横比涡流。
[0054] 优选地，相对高纵横比是所述涡流的高度与所产生的涡流的核心的宽度的比率大于约15：1。
[0055] 优选地，所述至少一个风力涡轮机位于或设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中所述涡流站中的空气的运动使得在所述涡流站的中心产生大气浮力涡流。
[0056] 优选地，向所述涡流站提供或供应所述可蒸发液体或工作流体(例如水)或可蒸发液体或工作流体(例如水)的来源，并且如此产生的涡流有助于增加纵横比(例如，涡流的高度与涡流的核心的宽度的比率)，使得增加的纵横比有助于浮力和所产生的涡流的稳定性的增加。
[0057] 优选地，所述叶片和所述至少一个风力涡轮机位于所述地面平台的边界内或边界处。
[0059] 优选地，所述多个喷嘴被配置为产生具有相对大表面积的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的相对细小的喷雾，以便允许足够的表面积用于传热，以产生或调节被引导到所述涡流站的空气流(例如暖空气)，使其为对所述可蒸发液体或工作流体(例如水蒸汽)的饱和状态或者至少部分饱和状态，以便通过浮力驱动涡流。
[0060] 优选地，向所述涡流站的可蒸发液体或工作流体(例如水)的所述供应是从带有泵送的加热的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的歧管馈送的多个喷嘴，以便产生具有相对大表面积的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的细小喷雾，以允许足够的表面积用于传热以产生进入暖空气的涡流的空气流，使其饱和有可蒸发液体或工作流体(例如水蒸汽)，以便通过浮力驱动涡流，并且通过提供轴向应变的垂直加速度使核心在上升中稳定。
[0061] 优选地，所述多个喷嘴被配置为产生具有相对大表面积的可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的相对细小的喷雾，以便允许足够的表面区域用于传热以产生或调节被引导到所述涡流站的空气流(例如暖空气)，使其处于对可蒸发液体或工作流体(例如水蒸汽)的蒸汽的饱和状态或至少部分饱和状态。
[0062] 优选地，以足够的体积或量向所述涡流站基部处或附近的涡流的空气流提供可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源，以增加饱和度或实现引入涡流的空气的空气流的饱和度(例如相对湿度高达100％相对湿度)。
[0063] 优选地，可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源，一旦蒸发并包括在被引导到涡流的空气流中，即被涡流提升到一定高度并暴露于温度或环境条件下，使得至少一些蒸汽冷凝，从而导致在所述高度处的冷凝中释放潜热。
[0064] 优选地，可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源以持续的方式提供或供应(即可以连续地提供或供应)到被引入涡流的空气流中，同时在所述涡流站内维持和操作所述涡流。
[0065] 优选地，用于调节被引导到所述涡流站的空气流的可蒸发液体或工作流体(例如水)的提供源或供应源增加被引入所述涡流站中产生的涡流的空气的饱和度或湿度。
[0066] 优选地，所述涡流站是基本上处于地面水平的平床或平台。
[0067] 优选地，所述叶片围绕所述涡流站的周边以基本上圆形的方式构造或布置。
[0068] 优选地，所述叶片包括多个可调节的偏转器。
[0069] 优选地，所述叶片可包括一组固定叶片。
[0070] 优选地，所述叶片是帆。
[0071] 优选地，所述帆由织物构造成。
[0072] 优选地，所述可调节偏转器叶片是手动可调节或远程可调节的。
[0073] 优选地，所述涡流站还包括位于所述涡流站中心的顶部。
[0074] 优选地，所述顶部为环形形状和/或设置在所述至少一个涡轮机上方并且从所述至少一个涡轮机延伸出。
[0075] 优选地，所述风力涡轮机包括围绕所述站的垂直中心线旋转的垂直叶片，从而位于所述涡流的基部处的最集中气流的区域中并且在叶片扫过的圆柱形状上产生径向压差，以便稳定涡流的基部不受外部风的横向移动。
[0076] 优选地，所述风力涡轮机包括围绕所述站的垂直中心线旋转的垂直叶片，从而位于所述涡流基部处的最集中气流的区域中并且在叶片扫过的圆柱形状上产生径向压差，以便稳定涡流的基部不受外部风的横向移动。
[0077] 优选地，使用多个同心涡轮机，或者使用设置有多个同心叶片组的单个涡轮机。
[0078] 优选地，所述风力涡轮机位于所述环形顶部的内径之下。
[0079] 优选地，用于泵送可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的歧管和喷嘴位于所述涡流站的环形顶部下方和地平面上，位于被引导到所述涡流站的空气流的区域内。
[0080] 优选地，所述喷嘴将可蒸发液体或工作流体(例如水)引导入并且抵抗被引导到所述涡流站中的空气流。
[0081] 优选地，所述喷嘴被配置为产生或生成所述可蒸发液体或工作流体(例如加热的水或热水)的细雾或喷雾。
[0082] 优选地，所述涡流站包括凹形的地板。
[0083] 优选地，所述涡流站的地板包括用于收集可液体蒸发的液体或工作流体(例如水)的排水管，可选地，所述排水管位于所述地板的中心。
[0084] 优选地，所述排水管流体连接到储液器或储存设施。
[0085] 优选地，收集在所述储层或存储设施中的液体可以重复使用或再循环。
[0086] 优选地，以足够的量或数量供应水，或者将引导至涡流站的空气流调节为具有足够的饱和度，使得能够产生相对高纵横比涡流。
[0087] 优选地，相对高纵横比是涡流的高度与所产生的涡流的核心的宽度的比率大于约15：1。
[0088] 优选地，至少一个风力涡轮机位于或设置在所述涡流站的中心附近，在集中的空气流的路径中，其中涡流站中的空气的运动使得在涡流站的中心处产生大气浮力涡流。
[0089] 优选地，向涡流站提供或供应可蒸发液体的来源并且如此产生的涡流有助于增加纵横比(例如，涡流的高度与涡流的核心的宽度的比率)，使得增加的纵横比有助于浮力和涡流稳定性的增加。
[0090] 优选地，叶片和至少一个风力涡轮机位于地面平台的边界内或边界处。
[0091] 优选地，用于向所述涡流站供应水的所述装置，或者水的供应是通过多个喷嘴从带有泵送的热水的歧管馈送的。
[0092] 优选地，所述多个喷嘴被配置为产生具有相对大的表面积的相对细小的热水喷雾，以便允许足够的表面积用于传热，以产生或调节被引导到涡流站中的空气流(例如，暖空气)，使其处于对水蒸汽的饱和状态或至少部分饱和状态，以便通过浮力驱动涡流。
[0093] 优选地，用于向所述涡流站供应水的所述装置是从带有泵送的热水的歧管馈送的多个喷嘴，以便产生具有大表面积的细小的热水喷雾，以允许足够的表面积用于传热，以产生进入暖空气的涡流的空气流，使其饱和有水蒸汽，以便通过浮力驱动涡流，并且通过提供轴向应变的垂直加速度使核心在上升中稳定。
[0094] 优选地，所述多个喷嘴被配置为产生具有相对大的表面积的相对细小的热水喷雾，以便允许足够的表面积用于传热，以产生或调节被引导到涡流站中的气流(例如，暖空气)，使其处于对水蒸汽的饱和状态或至少部分饱和状态。
[0095] 优选地，根据本发明，已经开发了一种装置或系统或过程，其随着部分或完全饱和的空气上升并且压力和温度降低，提供或使用由水分(例如供应的来源或已经蒸发到所产生的涡流的空气流中的水形式的水分)冷凝释放的潜热。
[0096] 优选地，将部分饱和或完全饱和的空气流引入涡流并随后冷凝提供所述饱和的水分在涡流中产生垂直速率(垂直加速度或轴向应变)的梯度，以便拉伸涡流核心中的空气包，从而通过保持角动量来集中和稳定涡流。
[0098] 优选地，向涡流站提供或供应液体或蒸汽(例如液态水或水蒸汽)的来源，以足够的体积或数量提供到涡流站的基部处或附近的涡流的空气流，以增加引入涡流的空气的饱和度(例如相对湿度高达100％相对湿度)。
[0099] 优选地，一旦蒸发并包括在涡流的空气流中，提供或供应的液体或蒸汽的来源则通过涡流被升高到一定高度并暴露于温度或环境条件下，使得至少一些蒸汽冷凝，从而导致在所述高度处的冷凝中释放潜热。
[0100] 优选地，提供或供应到涡流的所提供或供应的液体或蒸汽的来源以持续的方式提供过供应(即可以连续地提供或供应)到所产生的涡流，到被引入涡流的空气流中，同时在所述涡流站内维护和操作涡流。
[0101] 优选地，所提供或供应的饱和的来源(无论是部分饱和还是完全饱和，例如增加被引入涡流或VCV的至少一些空气的相对湿度，例如从大于约0％RH)(相对湿度)至约100％RH)是水源或水供应。
[0102] 优选地，所提供或供应的饱和的来源增加了引入涡流站中产生的涡流的空气的饱和度或湿度。
[0103] 优选地，作为引入涡流站水中的涡流的空气的饱和度的度量的相对湿度大于零，并且高达100％相对湿度(RH)，包括但不限于例如：大于约0％RH至约100％RH，大于约1％至约100％RH，大于约5％RH至约100％RH，大于约10％RH至约100％RH，大于约15％RH至约100％RH，大于约20％RH至约100％RH，大于约30％RH至约100％RH，大于约35％RH至约100％RH，大于约40％RH至约100％RH，大于约45％RH至约100％RH，更大约50％RH至约100％RH，大于约55％RH至约100％RH，大于约60％RH至约100％RH，大于约65％RH至约100％RH，大于约
70％RH至约100％RH，大于约75％RH至约100％RH，大于约80％RH至约100％RH，大于约85％RH至约100％RH，大于约90％RH至约100％RH，大于约95％RH至约100％RH。
70％RH至约100％RH，大于约75％RH至约100％RH，大于约80％RH至约100％RH，大于约85％RH至约100％RH，大于约90％RH至约100％RH，大于约95％RH至约100％RH。
[0104] 优选地，饱和度的提供或来源(无论是部分饱和度还是总饱和度，例如增加引入涡流或VCV的至少一些空气的相对湿度)，可以通过将相对温暖的或加热的液体(例如水)的来源或供应引导到将温热或加热的液体分配到引入涡流或VCV的空气流中的装置来实现。
[0105] 优选地，一旦引入空气流中，温热或加热的液体可以可选地主动加热以升高温度以促进液体的蒸发，或者可以间接或被动加热，例如使用来自产品工厂或过程的废热流。从而进一步最大化来自生产工厂或过程的能效使用。
[0107] 优选地，可以基于涡流或VCV的其他测量参数来主动监测和/或控制供应或来源。
[0108] 优选地，冷凝中潜热的所述释放可以有助于以下一种或多种：
[0109] -消失率差异，
[0110] -上升时流体动力稳定性的轴向应变，
[0111] -高或增加纵横比，
[0112] -较低的冷或降低(温度)储层温度，
[0113] -相对较高的热力学效率，
[0114] -增加涡流风速度(速率)的强度。
[0115] 优选地，涡流站可设置有基本上处于地面水平的平床或平台。
[0116] 优选地，叶片围绕涡流站的周边以基本上圆形的方式构造或布置。
[0117] 优选地，叶片包括多个可调节的偏转器。
[0118] 可替代地或另外地，叶片可以是一组固定叶片。
[0119] 可替代地，叶片可以是帆。
[0120] 优选地，所述帆由织物构造成，例如由柔性材料构成。
[0121] 优选地，所述可调节偏转器叶片可以手动调节或远程调节。
[0122] 优选地，所述涡流站包括位于站中心的顶部。
[0123] 优选地，所述顶部可以是环形形状，并且可以设置在所述至少一个涡轮机上方并从所述至少一个涡轮机延伸出。
[0124] 优选地，风力涡轮机包括围绕站的垂直中心线旋转的垂直叶片，以便位于涡流基部处的最集中的气流区域中并且在叶片扫过的圆柱形状上产生径向压差，以便稳定涡流不受外部风的横向移动。有利地，这意味着不需要塔或圆柱形壁。
[0125] 优选地，风力涡轮机包括围绕站的垂直中心线旋转的垂直叶片，从而位于涡流基部的最集中的气流区域中并且在叶片扫过的圆柱形状上产生径向压差，以便稳定涡流的基部不受外部风的横向移动。
[0126] 优选地，可以使用多个同心涡轮机，或者可以设置具有多个同心叶片组的单个涡轮机
[0127] 优选地，风力涡轮机位于环形顶部的内径之下。顶部可占据涡流基部的最小经向气流区域。顶部可以协助抑制所吸入的气流从所述涡轮机中丢失。可选地，顶部可以协助迫使径向流入涡流中以随后通过或行进通过所述涡轮机。
[0128] 优选地，通过或引导提供给涡流站的空气流产生气流的径向压降或至涡流站的入流，使得涡流的脚部稳定而不受横向扰动，例如被外部风扰动。
[0129] 优选地，用于泵送热水的歧管和喷嘴位于环形顶部下方，在流向涡流的区域内。
[0130] 优选地，所述喷嘴引导水进入和抵抗被引导到涡流站中的空气流。
[0131] 优选地，所述喷嘴被配置为产生或产生细雾或喷雾。
[0132] 优选地，涡流站包括凹形的地板。
[0133] 优选地，涡流站的地板包括用于收集液态水的排水管。
[0134] 优选地，排水管流体连接到储液器或储存设施。
[0135] 优选地，收集在所述储液器或存储设施中的水可以重复使用或再循环。
[0136] 以下描述涉及本发明的涡流站内的涡流的启动或开始，以及所产生的涡流的持续维护和改进，以及其他过程。
[0137] 启动涡流
[0138] 步骤1：为涡流站提供热源。
[0139] 为了提供热源，开始泵送加热的工作流体，例如具有升高的温度的水(通过用废热流或热源(例如来自生产工厂或过程)的热交换而升高)。泵送的工作流体被引导到一个或多个喷雾设备，例如喷雾喷嘴，其产生加热的工作流体的喷雾，进入由涡流站的侧壁和顶部限定的外壳中。
[0140] 加热的工作流体的喷雾基本上发生在涡流站的中心。
[0141] 对加热的工作流体的喷雾提供了涡流站内空气的浮力，并且通过位于涡流站周边的一个或多个叶片将任何空气引入涡流站。加热的工作流体的喷雾将热量传递到涡流站内的空气并且将空气引导到涡流站中。以这种方式，空气被加热，并且涡流站内的空气和被引导到涡流站中的空气被调节为具有增加的水含量。空气的密度充分减小，以便提供所产生的浮力，该浮力使得涡流站内的空气上升并且吸入其他空气以在涡流站的基部/平台周围更换它。
[0142] 第2步：产生旋流
[0143] 空气被吸入涡流站以替换由于其从高温的喷雾工作流体进行调节而向上升起的空气。吸入涡流站的空气由围绕涡流站的周边设置的叶片给出方向。以这种方式，通过将叶片放入气流中而将空气吸入地面的空气向空气提供旋流，以使吸入或引导进入涡流站的空气围绕涡流站的中心循环。
[0144] 步骤3：启动对流涡流
[0145] 然后，从步骤2开始，空气流的旋流随着在涡流站中心上升的空气而平流(由于来自被喷雾的工作流体的热传递所提供的浮力)。由于环形平衡，旋流抵抗地面上方的空气入流。这导致对流涡流。
[0146] 步骤4：由于地面上方的涡流的气流受到抵抗，因此地面的空气的入流被集中，因为地面的摩擦和剪切偏置了环形平衡，以允许地面处的空气入流。这是端壁效应。这意味着叶片不必升高到很高的高度，以便为涡流中的空气入流增加旋流。
[0147] 2.集中涡流
[0148] 步骤1：为了使涡流集中，必须有动力可用于加速涡流中的气流。
[0150] 步骤3：热机的效率取决于热空气从其被吸入地面处涡流的热储层与空气从涡流的顶部所排到的冷储层之间的虚拟等效温度(表示反映内部工作过程和在上升中潜热释放的温度)的差异。冷储层温度取决于涡流中的消失率(空气在上升中冷却的速率，由空气的性质决定)和涡流的高度。
[0151] 步骤4：由于涡流和热量随着核心的上升而扩散，在中性大气中使用干燥空气的涡流高度将是涡流直径的约15倍。当从核心到周围环境的温差和核心的涡动性低于可以抵抗径向流动的点时，涡流就会消散-它会分解成湍流羽流。这形成了涡流的顶部。这可以通过使用饱和空气(在100％相对湿度下的空气，在当前的温度和压力下携带尽可能多的水蒸汽)向上延伸，由于通过冷凝释放潜热，在较慢的伪绝热速率下冷却时会上升。由于浮力增加，潜热的释放起到维持温差并且还增加垂直速率的作用。垂直加速度用于拉伸涡流(引起轴向应变)，从而通过保持角动量来集中涡流。维持温度差和涡动性抵抗扩散允许涡流升高而不会消散，直到涡流遇到显著温度反转的高度，例如对流层顶。
[0152] 步骤5：将高温工作流体(例如热水)泵送通过涡流站基部的多个喷嘴，提供具有足够表面积的高温工作流体的喷雾(即，其中喷雾为细雾)，以允许传递热量以在足够的温度下将空气流提升到饱和状态，以提供足够的潜热释放，从而稳定涡流，防止在大气中消散到很高的高度。对于大气中的所有温度，越高温度的空气具有越高的饱和混合比。
[0153] 3.优化涡流
[0154] 步骤1：将热储层温度增加到高于供应驱动涡流到对流层顶所需的潜热所需的温度，降低了热机的效率，因为它使冷储层温度增加超过热储层温度的增加。随后效率的下降反映了在高于必要温度的温度下在对流层顶处的涡流消散时的能量损失。所需的潜热将随大气条件而变化。如果温度反转存在于较低水平，则需要在较高温度下使用饱和空气以维持涡流通过这些层上升。因此，在有效的大气条件下将温度控制到涡流稳定所需的最小值。
[0155] 步骤2：为了从涡流中提取能量，将涡轮机(风力涡轮机)置于最大风速区域是有用的，因为风中的功率密度随风速的立方变化。
[0156] 如果向涡流添加足够的旋流，则在涡流的基部将形成称为淹没的涡流跳跃的特征结构。DVJ将风速集中在两倍以上，将功率密度提高了8倍以上。这允许使用更小的涡轮机来提取相同的功率。因此，控制旋流叶片角度以提供足够的旋流以形成DVJ结构。
[0157] 4.安放涡轮机进行发电
[0158] 步骤1：主涡轮机位于DVJ内最大风力集中区域。为此，使用围绕旋转圆筒(而不是圆盘)中的垂直轴旋转的垂直涡轮叶片。这也在涡轮机上产生径向压降，其作用是防止涡流通过侧风吹出涡流站。如果涡轮机上的压降大于侧风的动压力，则涡流停留在涡轮机内。它可以抵抗横向位移而稳定。
[0159] 步骤2：通过使用不同高度的环形顶部来辅助涡轮机的动作，该环形顶部设计成位于零极向流动区域(其中空气仅在切向上移动)。这阻碍了气流绕过涡轮机而不会干扰DVJ的流动。
[0160] 步骤3：通过站的凹形的地板辅助涡流抵抗横向位移的稳定性。由于气流中从近水平转向垂直的惯性效应，涡流将倾向于停留在涡流站地板的最低点。这也允许排出现在冷凝的工作流体(例如水)，该工作流体被提供给涡流站并被喷雾，以经由中心排水管或多个排水管收集。
[0161] 更详细地，可以主动监测引导至涡流站的流动或空气流的特征(或条件)(即，在大块水平处)，或者可以基于环境空气条件(例如温度、压力、湿度(例如干/湿球温度)更实际地进行监测，并且基于这些测量，然后可以通过喷嘴泵送确定的近似水平的待供应(在其给定温度下)的高温工作流体(例如热水)。
[0162] 以这种方式，来自被泵送到用于喷雾的喷嘴的工作流体的热流(例如加热的水流)，是其热容量、工作流体(例如水)被冷却(以达到平衡温度)的温度变化和泵送流率的乘积。热流需要等于将涡流站中的空气升高或引入涡流站的空气流达到平衡温度所需的热量(这是空气流速、空气的热容量和空气被加热的温度变化的乘积)，以及蒸发足够的工作流体(例如水)以使空气饱和所需的潜热。因为水的潜热远高于其他量，所以即使喷雾的工作流体(例如水)的相对小的蒸发部分也将占据热流的很大一部分。
[0163] 因此，所需的工作流体(例如水)泵送流速取决于加热和饱和被引入涡流站的空气流所需的热流，除以热容量、泵送流速和冷却温降的乘积。因此，温降越大，所需的流速越低。
[0164] 如果大气(提供给涡流站)的相对湿度RH>0％，则降低使空气到约为100％的RH所需的潜热量，因此较高的大气混合比会减少工作流体(例如热水)所需的泵送流速。因此，基于大气的测量，可以将在涡流站中喷雾的工作流体的量或流速可以被调节到更高或更低的水平。
[0165] 用于确定待喷雾的工作流体的足够量或流速的上述基于控制或测量的控制系统仍然是合适的近似值，只要可用于从喷雾传递热量可用的表面积足够，使得液体阶段内的温降可以忽略即可。由于这个原因，从多个喷嘴中可以使用相对小的液滴尺寸或细小喷雾。此外，通过细小喷嘴的泵送具有成本意义，因为更多的能量用于必要的泵送功率以通过小孔的细喷嘴泵送工作流体。因此，在使用细小喷嘴以实现小液滴尺寸之间取得平衡，同时最大限度地减少过多的泵送成本。这是工作流体(例如热水)的温度有多低的实际限制之一。
如果工作流体(例如水)的温度太接近于运行涡流所需的平衡温度，则促进热传递所涉及的泵送损失朝向可从涡流中提取的有用功率增加-这将使得试图从与生产设备或过程耦合的涡流站获得的效率总体提高减少。
如果工作流体(例如水)的温度太接近于运行涡流所需的平衡温度，则促进热传递所涉及的泵送损失朝向可从涡流中提取的有用功率增加-这将使得试图从与生产设备或过程耦合的涡流站获得的效率总体提高减少。
[0166] 可替代地，如果对通过喷嘴泵送的工作流体(例如热水)的量或流速没有主动控制，则至少一部分喷雾的工作流体(例如热水)可以简单地冷凝并从空气流中掉落，并通过排水管收集在地板上。这是因为水的蒸发潜热足够高，使得必须蒸发以将其冷却至平衡点的水的比例很小-约为5％的级别。其余部分冷凝并下降/落到涡流站的地板上并经由涡流站地板排水管回收并且可以再循环或返回以用于生产工厂或过程，例如可以返回到火力发电站的二级冷却回路中。从热站操作员的角度来看，涡流站有效地类似于蒸发冷却塔，其发电而不是消耗它，从而有助于整体提高能量效率。
[0168] 现在将参考如下简要描述的附图通过示例描述本发明的多个实施例。
[0170] 图2(现有技术)是进入地面附近的涡流的空气平面流线图(Barcilon 1967)。
[0171] 图3(现有技术)是佛罗里达群岛的水龙卷(Renno 2008)。
[0172] 图4是显示涡动性的集中的图(Mullen，Maxworthy 1977)。
[0173] 图5是显示涡动性循环的图示(Renno 2008)。
[0174] 图6是以实线示出的改进的湍流(Lewellen，Lewellen等人，2000)压力扰动和灰度的垂直速率的图示。
[0175] 图7是计划中的涡流发生器的图示，其是实验室实验的主题(Mullen，Maxworthy 1977)。
[0176] 图8是显示按比例缩放的温度过量相对半径、60°叶片角度、778W的图表(Mullen，Maxworthy 1977)。
[0177] 图9是显示按比例缩放的温度过量相对高度的图表(Mullen，Maxworthy 1977)。
[0179] 图11(现有技术)是显示强烈对流下的尘暴高度的图(Hess，Spillane 1990)。
[0180] 图12(现有技术)是显示对流下的垂直速率变化的图(Spillane，HESS 1988)。
[0181] 图13是作为对流高度的一部分的尘暴-高度变化的裸温熵图，表明超绝热层的高度而不是对流层的高度在预测尘暴风速中的重要性。
[0182] 图14是2015年12月17日13:00NZDT于新西兰Whenuapai拍摄((metvuw.com)注释)的无线电探空仪的图示。
[0183] 图15是本发明的涡流站的图。
[0184] 图16是表示本发明的涡流站中的核心平流和经向流的图。
[0185] 图17是显示用于在本发明中产生的涡流的具有来自冷凝的垂直速率的足够垂直梯度的核心平流的图示。
[0186] 图18显示了本发明的涡流站的一部分。
[0187] 图19显示了通过本发明的涡流站中的叶片的气流。
[0188] 图20示出了本发明的涡流站中的水流。
[0189] 图21是本发明的涡流站和涡流的截面图。
具体实施方式
[0190] 在整个说明书中，相同的附图标记将用于表示不同实施例中的相同特征。
[0191] 发明人已经开发出对传统热机理论的改进，以通过重新考虑热机的冷储层的性质，允许改进涡流高度的预测以及随后的大气浮力涡流中的热力学效率和风速。初步建模表明采用将废热转化为电能的经济和碳中性的方法具有约为5％的总效率。下面提供并详述能够将废热转换成电的VCV或涡流站的实施例。
[0192] 因为VCV将浮力集中在地面水平处或地面水平附近的高风速，所以避免了现有技术的高结构和大型涡轮机的成本。VCV本身可能非常大，并且可以以比现有技术类型的涡流产生系统非常低或显著相对较低的成本建立。在这些上升的热空气柱中的旋流流动通过流体动力学稳定性抵抗径向运动，从而抑制正常的湍流混合并使得来自浮力的能量可用于在地面处工作。可以通过将小型风力涡轮机放置在VCV核心中的最大风力集中或接近最大风力集中的区域中的地面水平附近来运用或利用该作用。这通常位于VCV的基部。相对于等效功率的普通风力涡轮机，使得对小型风力涡轮机的参考更小。合适的风力涡轮机可包括垂直叶片型涡轮机等。
[0193] 大气浮力涡流需要浮力源和集中水平循环源(以下称为“旋流”)。旋流的主要来源是通过端壁效应对环境循环的集中，其由于交界处的摩擦和其上方的风剪切而发生在地面附近的边界层中。旋流在核心上升气流中被平流，有助于在涡流上升时维持涡流。
[0194] 在温带条件下，冷凝在驱动对流中占主导地位，但在干燥的沙漠中，由于来自较冷的区域的平流和来自地面的加热(例如辐射加热)，可能会在沙漠地面上方形成绝对不稳定的边界层，从而允许尘暴驱动绝热对流。
[0195] 浮力涡流可以被认为包含四个区域：
[0196] 1.核心：垂直轴上的圆柱形体积，具有受约束的强的环形流和正浮力。
[0197] 2.潜在的涡流：与核心在同一轴上的更大的圆柱形，包含较弱的环形流，其可以被认为是无粘性、无旋转和中性浮力——扩散、涡动性和浮力可以忽略不计。
[0198] 3.端壁盘：潜在流动的区域与地面接触并受到端壁效应的影响。在盘的中心处发生显著的风力集中。
[0199] 4.上方的羽流：当核心约束破坏时，在核心(上方)下方形成湍流羽流。
[0200] 三个过程是浮力涡流的基础：
[0201] I.端壁效应
[0202] II.热机
[0203] III.流体动力稳定性
[0204] 这些过程在文献中单独处理，但一起操作，因此它们的相互关系很重要。特别地，涡流持续到更高的海拔高度取决于抑制湍流混合的核心壁的流体动力学稳定性。当核心平流时，涡动性和热量仍然向外扩散到它周围的潜在涡流，因此它随着高度的增加而“蜿蜒向下”，直到壁不再能够抑制湍流-此时核心分解为湍流羽流-除非其他一些过程可以克服扩散。因为空气包因此被拉伸并且因此直径减小，所以核心中的正轴向加速度起到抵抗涡动性和热量扩散的作用。角动量的守恒和直径的减小作用于集中涡动性以抵抗径向扩散。
[0205] 因为羽流不会对这些流动产生影响，所以浮力涡流在撞击到湍流羽流之前持续存在的高度会影响地面处的气流。相反，能量通过湍流混合在羽流中得到消耗，从而提升和加热夹带的空气。因此建议将羽流视为驱动涡流流动的热机的冷储层。
[0206] 核心可以具有单个单元(仅上升气流)或双单元结构(具有中心下压力的上升环)，这取决于相对于浮力强度的旋流强度，并且有时在中间高度处从单个单元分解为双单元结构。这是与羽流分解不同的现象。羽流在羽流下方的涡流内发生，但似乎无关紧要，因此显然不需要考虑对热机进行建模。
[0207] 端壁效应
[0208] 端壁效应使地面附近的涡流流动中的环形平衡(其中径向压力梯度由离心力平衡)偏置。压力梯度来自核心的浮力。交界处的摩擦力和其上方的风剪切降低了切向速率和离心力，允许空气通过径向压力梯度吸入。因此旋流集中在涡流的基部。长期以来已经发表了研究这种效应的许多论文。1967年Barcilon对突然施加的运动粘度下预先存在的潜在涡流进行了分析，在非维度分析下使用Napier Stokes方程显示了旋流的经向循环，并如图1所示，由于粘性并当它们接近地面时获得向内的径向运动，预测了从潜在的涡流沉入端壁盘的流动。
[0209] 图2中计划中显示的预测流线(来自Barcilon 1967)与图3中所示的相似，这是佛罗里达群岛的一个水龙卷(来自Renno 2008)，其中的流动通过海上的涟漪可见。
[0210] 通过考虑涡动性的平流，在(Mullen，Maxworthy 1977)中提出了对端壁效应建模的另一种方法，参见图4，其中示出了涡动性的集中。
[0211] 最近，使用计算机模型的数值分析已成为可能。例如(Lewellen，Lewellen等，2000，Lewellen，Lewellen，2007)使用了LES(大涡流模拟)模型显示端壁盘中的湍流加强了端壁效应，并在核心基部的角流中产生风力强化。由于这种角流在龙卷风中的安全隐患，该主题长期以来一直得到深入研究。
[0212] 对于VCV，发明人认为其含义如下：
[0213] ·核心不应放入不包含潜在涡流的外壳中，并且地平面不应中断旋流的再循环。
[0214] ·当在地面上方建立2单元结构时，核心中的流动强化最大化-称为淹没式涡流跳跃(DVJ)。在DVJ中，在涡流基部的角流可以具有核心壁中的环形流动速度的两倍。
[0215] 热机
[0216] 在(Renno，Burkett等人，1998)中，作者对尘暴中负责维持核心中的压差的对流过程的热力学进行建模。假设任何对流现象都可以看作热机并考虑准稳态的尘暴，意味着热机完成的工作平衡了机械摩擦，以对环形平衡中的涡流的最大体积热力学强度建模。假设流动是不可压缩的，热输入是表面上的显热通量，并且热输出是来自下沉气流的辐射(在对流板的平均温度下)。假设对流流动是绝热的，发动机是可逆的，并且通过相对于CAPE的冷温的定义隐含地包括通过混合高熵上升气流与较低熵环境空气的能量损失。通过沿着如图5所示的路径跟随空气包，显示涡流循环，得出压差和环形流动速率的关系。
[0217] 在(Renno，Bluestein 2001)中，分析扩展到了水龙卷。推导出由核心浮力产生的压差的关系式：
[0218]
[0219] 假设采用环形平衡，并使用理想气体定律得出核心半径处切向速率的表达式：
[0220]
[0221] 其中：
[0222] ·Δp是压差，并且p∞是无限半径和地面水平处的压力
[0223] ·γ是在表面处消散的总摩擦能量的一部分
[0224] · 是热机的可逆效率
[0225] ·Cp是恒压下空气的热容量
[0226] ·R是空气中的恒定气体
[0227] ·T是绝对温度
[0228] ·Lv是每单位质量水蒸发的潜热
[0229] ·r是水蒸汽混合比
[0230] · 是加热的熵平均温度
[0231] ·a是核心的半径
[0232] 这些论文给出了核心壁中切向风速的估计值，这些风速得到了所引用的尘暴观测结果的支持，并且更普遍地支持了水龙卷。
[0233] 在(Renno 2008)中，作者明确地论述了不可逆转性。它们显示γ～1，并且在壁内部的最高速率区域中压降最大。热力学效率显示接近Carnot效率，表明不可逆性很小。主要的不可逆性被认为是涉及阶段变化的那些不可逆性。如果排除在湍流羽流内混合的不可逆性，这似乎是合理的。
[0234] 流体动力稳定性和改进的湍流
[0235] 必须以某种方式限制涡流的核心以抑制混合并使能量可用于在地面处工作。这种约束来自核心壁的径向流体动力学稳定性，这是由两个因素引起的：环形平衡和密度的稳定分层。
[0236] 环形流中的空气包就像在轨道上的卫星一样，不同之处在于提供向心加速度的力来自径向压力梯度而不是重力，空气包相互施加压力而不是自由落体。在恒定的压力梯度下，具有恒定切向速率的包的平衡半径并且远离平衡的径向扰动受到抵抗。向心加速度下的浮力位移也有助于促进密度的稳定分层，而朝向中心的流体密度较小。这些效果可以结合起来产生足以中断核心壁处湍流混合的流体动力学稳定性。
[0237] 在正常流动条件下，在集中涡流的核心壁处的高Reynolds数将产生所有量的快速湍流混合，包括温度和涡动性，如在湍流羽流中所见(Rouse，Yih等人，1952，Morton，Taylor等人，1956年)。湍流扩散的正常过程涉及级联的规模，其中扩散下的所有量都从主流(在本示例中为涡流)传递到越来越小的漩涡，级联的每个步骤产生具有更大的表面积与体积比的更小规模的结构，直到级联的底部，性质的梯度可以通过分子扩散传递。这极大地加速了扩散。
[0238] 该级联由于核心壁中的足够的流体动力学稳定性而中断。湍流并未完全被抑制，但是经过了很大的修改。虽然核心壁外的扩散接近层流状态，但向内朝向中心的扩散同时可能是湍流，如图6所示，是高旋涡2单元涡流LES模拟的截面。
[0239] 提供了不同的稳定标准：
[0240] -(Howard，Gupta，1962)给出了基于角动量的标准。
[0241] -(Leibovich，Stewartson 1983)从方位角和轴向速率的径向剪切下的三维扰动的单独考虑导出了不同的标准。
[0242] -(Emanuel 1984)证明了(Howard，Gupta 1962)和(Leibovich，Stewartson 1983)的标准对于集中涡流是等价的，因此不稳定性在特性上必须是惯性的。
[0243] -(Lewellen 1993)提出，可以修改分层湍流的Richardson数标准，以获得轴对称旋流，从而给出稳定性标准，其也包括潜在温度梯度。
[0244]
[0245] 其中：
[0246] ·θ是潜在温度
[0247] ·Γ是循环
[0248] ·w是轴向速率
[0249] ·r是半径
[0250] ·撇号表示相对于半径的差
[0251] 因为浮力涡流壁的温度梯度是负的，所以随着涡动性和温度梯度的增加，壁稳定性增加。因此，核心壁中的湍流能量转化为在壁中运行的惯性波，类似于Kelvin-Helmholtz不稳定性。只要流体动力学稳定性足以维持产生的惯性波(Maxworthy，Hopfinger等人，1985)，一定规模的级联就会中断，并且壁中的性质扩散会大大减少(Stewartson，Leibovich，1987)。
[0252] 然后出现的问题是如何预测流体动力学稳定性允许涡流在涡动性和温度扩散导致分解羽流之前持续存在的高度。(Dergarabedian，Fendell，1967)提供了基于相对于Ekman数无维度化的Napier Stokes方程的渐近展开的涡流强化和衰减的分析。它是1单元涡流的层流分析，但可用于在改变的湍流条件下对核心壁外涡动性的集中和扩散的过程建模。Ekman数由下式给出：
[0253] E＝ν/Γ∞ (4)
[0254] 其中ν是运动粘度，并且Γ∞是环境循环。
[0255] 分析表明，对于要集中的涡流，Ekman数必须远小于1，并且上升气流面积与其内的平均垂直速率梯度的乘积必须显著大于运动粘度。
[0256] 因此，大气中的大涡流仅需要小的垂直加速度来使核心得到维持和集中，但较小的涡流需要较大的垂直加速度。
[0257] 必然差异消失率
[0258] 提出一个必然差异消失率理论来解释大涡流在大气中的涡流高度，其假设核心持续存在并向上平流，而CAPE为正，核心消失率小于环境消失率。随着CAPE的释放速率随高度增加，由差异消失率引起正垂直加速度。涡动性的集中克服了涡动性的扩散，因此核心向上平流。这与潜在涡动性理论一致(Ertel，Rossby，1949)。因此，具有绝热核心消失率的干燥浮力涡流通过超绝热环境消失率在上升中集中，并且除了温度反转之外通过大多数大气中的潜在温度的增加，具有伪绝热核心消失率的饱和浮力涡流得到集中。在这两种情况下，由于环境和核心消失率之间的差异，涡动性得到集中。一旦没有差异并且没有垂直加速度，涡流就会迅速衰减成湍流羽流，其高度为旋流曾得到集中的直径的级别。使用湍流羽流而不是对流板来形成驱动涡流的热机的冷储层。
[0259] 来自文献的证据
[0260] 实验室实验
[0261] 图7显示了涡流发生器，其具有可调节的外围叶片以产生旋流和受到加热的板以引起浮力，如(Mullen，Maxworthy 1977)所使用的。将发电机安装在防风柜中，从上方轻轻抽出，产生中性层。他们的分析基于在湍流羽流分析中建立的功能参数(Morton，Taylor等人，1956)，对这些参数按功率输入进行了按比例缩放。
[0263] 针对一系列叶片角度和功率输入导出温度曲线，如图8中所示，显示2单元结构。
[0264] 图8显示了按比例缩放的温度过量相对半径、60°叶片角度、778W(Mullen，Maxworthy 1977)。
[0265] 图9显示了两个涡流的最大温差(按比例缩放到输入功率)随高度衰减的速率。涡流具有不同的功率输入。一个是1单元涡流，另一个是2单元涡流。它们在其按比例缩放的温-5/3度曲线中显示出共同的拐点。在拐点之上，曲线显示出z 的依赖性，这是湍流羽流的特性。拐点的高度近似等于两个涡流中的旋流叶片的直径。
[0266] 表1显示了(Mullen，Maxworthy 1977)注释的结果，显示了给出温度曲线的涡流，或者可以从论文推断出的涡流。
[0267] 涡流循环强度和核心直径
[0268]
[0269] Γ的单位为cm2see-1并且d的单位为cm。
[0270] 表1.循环强度(Mullen，Maxworthy 1977)注释
[0271] 在核心壁处估计切向速率，为此目的，在涡流的基部具有陡峭的径向温度梯度区域的外径。例如，图8显示了表1中涡流5的曲线，dt＝16cm。在表1中，d是核心内气泡轨道的最大范围，并且dt
[0272] Vot＝Γ/πdt (5)
[0273] 然后使用等式(2)来计算Va。
[0274] ·摩擦效率假设为γ＝95％
[0275] ·假设热力学效率为
[0276]
[0277] ·Th＝T∞+ΔTh，并且Tc＝T∞+ΔTc
[0278] ·Th取自给定的曲线或邻接涡流之间的推断
[0279] ·ΔTc从图9中估算为ΔTc＝30*Q2/3℃(比例缩放到(Mullen，Maxworthy 1977)使用的功率)。这给出了冷储层温度在核心降解成上面的羽流的点。
[0280] 使用ΔTC＝0(相当于对于大气中的涡流，对流层顶部的温度)会高估实验中看到的速率，尽管ΔTC＝ΔTh/2(相当于对流板的平均温度)是很接近的近似数。由于机柜中的大气是中性分层的，因此涡流迅速分解。
[0281] 图10显示了在建模和测量的切向速率之间获得的相关性。
[0282] 尘暴的野外数据
[0283] (Ryan，Carroll 1970)在莫哈韦沙漠进行了一项实地研究，收集了到1500米的大气温度曲线的数据；环境风向、速率和涡动性；尘暴直径、位置、旋转方向、结构和内部风速。风速表示为与超绝热层的高度的平方根成比例，但存在大量散射。这与提出的理论一致。
[0284] (Hess，Spillane 1990)对澳大利亚发生的尘暴进行了研究，并注意到尘暴高度统计数据的对应关系(如图11所示)和由对流速率w*归一化的垂直速率方差(Deardorff 1970)(Spillane，HESS1988)(如图12所示)-两者都相对对流层的高度h显示。这与提出的理论一致。
[0285] 图11显示了两个群体。如果速度曲线如图12所示，则上部群体的平均高度为0.51h，这与所提出的理论一致。下部的群体可能被解释为发生在由地面的辐射加热形成的超绝热层中。
[0286] 该理论还解释了在图11的上部群体中看到的尘暴高度的变化，如图13所示(其中示出了尘暴高度的变化作为对流高度的一部分)。
[0287] 图13是裸温熵图(为清楚起见省略了结构)，示出了共享相同对流高度(h)的两种不同的大气条件。空气干燥，因此核心空气在红色显示的绝热消失率后上升。
[0288] ·Ts是表面温度。
[0289] ·Tconv是对流层顶部的温度。
[0290] 示出了两种不同的超绝热大气，其共享对流层的共同高度。第一个大气以蓝色显示。直到高度Hc1环境消失率小于绝热率。假设涡流在该点处分解为羽流，则冷储层温度为Tc1。
[0291] 第二个大气层以紫色显示。直到高度Hc2环境消失率小于绝热率。
[0292] 假设涡流在该点处分解为羽流，则冷储层温度为Tc2。为清楚起见，显示了线性环境消失率。实际上，它们可能会单调变化，但争论仍然存在。因为温度随高度下降，所以Hc2>Hc1并且Tc2大气压下的涡流效率大于在第一大气压下的涡流效率，并且产生的风速更高，这与图11的上部群体和(Ryan，Carroll 1970)的结果的分散一致。
[0293] 考虑到温熵图的几何形状，对于干燥涡流，平均涡流高度将倾向于为对流高度的一半，如图11所示，并且冷储层温度将倾向于为对流板的平均温度，如(Renno，Burkett等人1998)，但可以预期均值的变化。
[0294] 因此，冷储层温度将高于羽流高度处的环境温度，因为高至所述海拔高度核心内的过程消失率小于环境消失率，因此假设冷储层温度等于涡流持续的高度处的环境温度是不合适的。
[0295] 所提出的理论认为垂直速率的正梯度对于形成集中的浮力涡流以及浮力和旋流的来源是必要的。发明人认为这解释了为什么即使CAPE和旋流很容易获得，但这种涡流很少见的原因。
[0296] 对VCV的影响
[0297] 淹没的涡流跳跃(DVJ)和风力集中
[0298] DVJ结构可以在合适的旋流的VCV中产生大约两个风力强化。DVJ产生的风速很高，适用于中等热效率的涡流。发明人认为，在最大风力集中区域内使用涡轮机可以比试图封闭涡流并将涡轮机放置在环绕壁中更有效。因此，VCV可以设置有位于最大风力集中区域内的涡轮机。
[0299] 伪绝热消失率和垂直加速度
[0300] 发明人还认为，在干燥沙漠中偶尔出现的超绝热大气之外，可以使用饱和空气源使集中的浮力涡流平流向高处进入大气，或者使被引入到涡流或VCV中的至少一些空气饱和，作为核心浮力的来源。
[0301] 因此，根据本发明的实施例，可以提供或供应饱和源(无论是部分饱和还是总饱和，例如增加引入涡流或VCV的至少一些空气的相对湿度，例如，从大于约0％RH(相对湿度)到约100％RH)可以用于改善或增加核心浮力。应当理解，相对湿度可以是大于零，并且高达100％RH的任何值，包括但不限于例如：大于约0％RH至约100％RH，大于约1％至约100％RH，大于约5％RH至约100％RH，大于约10％RH至约100％RH，大于约15％RH至约100％RH，大于约
20％RH至约100％RH，大于约30％RH至约100％RH，大于约35％RH至约100％RH，大于约40％RH至约100％RH，大于约45％RH至约100％RH，更大约50％RH至约100％RH，大于约55％RH至约100％RH，大于约60％RH至约100％RH，大于约65％RH至约100％RH，大于约70％RH至约
100％RH，大于约75％RH至约100％RH，大于约80％RH至约100％RH，大于约85％RH至约100％RH，大于约90％RH至约100％RH，大于约95％RH至约100％RH。更优选地，向涡流站有利地提供100％RH的空气流量，这可以通过调节被引导到涡流站中的空气流来实现，或者可以通过调节涡流内部的空气来实现。
20％RH至约100％RH，大于约30％RH至约100％RH，大于约35％RH至约100％RH，大于约40％RH至约100％RH，大于约45％RH至约100％RH，更大约50％RH至约100％RH，大于约55％RH至约100％RH，大于约60％RH至约100％RH，大于约65％RH至约100％RH，大于约70％RH至约
100％RH，大于约75％RH至约100％RH，大于约80％RH至约100％RH，大于约85％RH至约100％RH，大于约90％RH至约100％RH，大于约95％RH至约100％RH。更优选地，向涡流站有利地提供100％RH的空气流量，这可以通过调节被引导到涡流站中的空气流来实现，或者可以通过调节涡流内部的空气来实现。
[0302] 饱和度的提供或来源(无论是部分饱和度还是总饱和度，例如增加引入涡流或VCV的至少一些空气的相对湿度)，可以通过将相对温热或加热器液体(例如水)的来源或供应引导到将温热或加热的液体分配到引入涡流或VCV的空气流中的装置来实现。温热或加热的液体可以可选地被主动加热以升高温度以在一旦液体被引入空气流中时促进液体蒸发，或者可被间接或被动加热，例如使用来自产品工厂或过程的废热流，从而进一步最大化生产工厂或过程的能源使用效率。
[0303] 饱和的供应或来源可以是温度控制的，或者可以测量其温度，以便向控制器提供输入，以控制引入涡流或VCV的气流的饱和供应或来源的量或流率。以这种方式，可以基于涡流或VCV的其他测量参数来主动监测和控制供应或来源。
[0304] 温带大气中的干燥涡流只会平流到与形成它们的循环源的直径相同的高度，因此热效率低。随着冷凝释放潜热，饱和空气在上升时缓慢冷却。由于冷凝物将从涡流核心中离心出去，核心应紧密遵循伪绝热消失率。除热反转条件外，一直到对流层顶，充分温度的饱和热储层的伪绝热消失率与环境消失率不同。此外，根据(Renno 2008)，壁内最高速率区域的压降最大。在此基础上，发明人认为任何冷凝都将在这些区域中优先产生热量(当蒸汽冷凝成液体时通过释放冷凝热)，从而有助于进一步增强和稳定或增加涡流的稳定性。
[0305] 发明人认为，因此大的饱和涡流会平流到高处进入大气，直到它们遇到对流层顶或另一次显著的温度反转，如图14所示。
[0306] 这里向涡流馈送Th＝40℃的饱和空气。根据本文的公开内容，假设涡流可以通过AB反转，涡流应该维持在对流层顶，其中到Tc1＝2℃核心遵循伪绝热消失率。请注意，对流层顶的环境温度在C点显示为负50℃。
[0307] 其他用于发电的浮力涡流模型(Michaud 2009，Michaud，Monrad 2013)将涡流分析为运行到对流层顶的热机，并假设冷储层温度是该高度处的环境温度。这样可以得出在负80℃附近的冷储层的温度估计值，因此可以实现Carnot效率和转换效率的高估计。似乎没有支持干燥涡流运行到对流层顶的假设。
[0308] (Nizetic 2011)基于CAPE和提供给涡流的总焓以及基于Carnot的考虑和修改的Brayton热力循环的热工效率的假设提出了一个稍微不同的分析。同样，冷储层被建模为在对流层顶上具有环境温度，并且在此基础上的效率估计将高于所提出的理论所建议的。
[0309] 发明人定义的涡流产生和稳定性与这些假设不一致，并表明：
[0310] ·当有可用CAPE且核心消失率低于环境消失率时，浮力涡流仅向上平流。
[0311] ·除了在干燥沙漠中偶尔可能发生的具有超绝热环境流失率的条件下，如果核心饱和并因此符合伪绝热消失率，这将仅产生显著高度的涡流并且效率适中。
[0312] ·即使这样的涡流持续到对流层顶，因为根据定义核心消失率小于环境消失率，所以冷储层温度显著高于涡流降解成湍流羽流的高度处的环境温度。
[0313] VCV的初步分析
[0314] 使用等式(2)并假设：
[0315] ·环境条件如图14所示
[0316] ·涡流的输入空气升至40℃并完全饱和，所以Th＝To＝40℃并且ro＝50g/kg[0317] ·DVJ结构导致2个风力集中，具有安装在最大流量集中区域的风力涡轮机[0318] ·输入气流遵循图2的计划中的流线形
[0319] ·涡轮机可以提取通过它的流量的50％的机械功率
[0320] ·从足足T1＝T∞＝18℃并且r∞＝6.5g/kg
[0321] ·摩擦效率γ＝95％
[0322] ·加热温度是
[0323] ·热力学效率
[0324] ·Va＝119米/秒，所以即使与F5龙卷风相比，这也是一个非常强大的涡流。但不如冷接点在-50℃时那么强大。
[0325] ·49.2MW的可用余热可转换为1.9MW的电输出-总效率为3.9％-在核心半径为1.3米的VCS中，由13米半径的旋流叶片驱动。
[0326] ·假设水在60℃输入并冷却至40℃，49.2MW需要F＝Ptot/(CwΔT)＝600l/s的流量。
[0327] · 然 后 ，基 于 市 售 的 抑 尘 喷 嘴 的 曲 线 所 需 的 泵 送 功 率 为[0328] 该模型的反直觉结果是，如果饱和输入气流的温度降低，则VCV的热力学效率增加。冷储层的温度下降超过热储层温度的降低(假设消失率差异仍然足以使涡流平流到对流层顶)，这是因为伪绝热消失率更接近于绝热以降低混合温度比率，如图14所示：
[0329] 对于Th＝25℃，r0＝20g/kg，Tc＝-25℃， 并且整体效率为5.4％。
[0330] 对于Th＝20℃，r0＝14.8g/kg，Tc＝-40℃，并且整体效率为6.6％。
[0331] 这表明在温度反转下转换效率和涡流稳定性之间存在VCV的折衷，这取决于饱和输入气流的温度。
[0332] 结论
[0333] 开发出必然差异消失率的理论，以允许(Renno，Burkett等，1998，Renno，Bluestein，2001)的热机理论用于通过修改关于冷储层的假设来解释在实验室涡流和尘暴中发生的风速和尘暴的高度的统计。然后，该理论用于按比例缩放虚拟烟囱涡流(VCV)，以便从现有发电站的冷却水流中可用的废热或从生产工厂或工艺的其他废热流(或实际上可以使用任何热流)中产生电力。这表明在VCV中可实现约5％的总转换效率。假设现有发电站效率约为33％，因此废热是电输出的两倍，这意味着通过使用这种设备可以将发电站效率提高10％。可从大约2米核心直径的VCV获得1MW的电输出，涉及直径为20米的旋流叶片。
[0334] 涡流站或VCV实施例
[0335] 图15至图21示出了大气浮力涡流、涡轮机和设备(涡流站)，其能够产生浮力涡流并且能够从中提取功率。
[0336] 附图示出了能够将废热转换成电能的涡流站或VCV的一个实施例。
[0337] 根据本文的公开内容，至少一个或可选地多个风力涡轮机优选地放置在优选地位于VCV的基部的VCV的核心中的最大风力集中区域中地面水平处或附近。
[0338] 在一些实施例中，可以使用多个同心涡轮机，或者简单地使用具有许多同心叶片组的一个涡轮机。
[0339] 在下文中，对“涡轮机”的引用可以指一个或多个涡轮机。
[0340] 在现有技术中，通常涡流发动机通常需要围绕场地的昂贵的垂直圆柱形壁以产生涡流，并且它们不使用冷凝来产生垂直速率的梯度以稳定和集中涡流。
[0341] 根据本文的公开内容，VCV提供用于提供或供应液体源的装置和机构或过程，以部分地或完全地饱和被引入或馈送到涡流或VCV的气流，以便随后利用释放加入涡流空气流中的蒸汽凝结潜热的能量，从而有助于产生垂直速率梯度，用于稳定或提高稳定性并集中涡流。结果，可以产生实现相对高纵横比的人造涡流。
[0342] 此外，如果在集中旋流时轴向应变(或者可能被称为垂直速率的垂直梯度)的作用超过在扩散它们时的动量和热量的湍流混合的作用，则涡流将集中。
[0343] 在集中的涡流中由充分的流体动力学稳定性产生的涡流稳定性起到抑制湍流混合的作用。因此，对于集中的涡流，消失率差异(其中核心在上升时比周围空气更慢地冷却)起作用以维持涡流在扩散作用下上升，从而允许形成具有相对高纵横比的涡流。
[0344] 在没有轴向应变的情况下，由于动量考虑，在地平面上方的柱状涡流具有约15：1的预期纵横比，羽流的高度约为核心直径的15倍。在具有超绝热消失率的大气中运行的尘暴可以达到400：1以上的纵横比，仅受在干燥条件下提供消失率差异的超绝热层的深度限制。
[0345] 通过使用饱和或至少部分饱和的核心空气流，因为冷凝释放潜热，所以核心冷却可以减慢到伪绝热消失率。这样，消失率差异和随后的轴向应变可以维持在更高的高度；可能是对流层顶，在地面上方10公里的级别。
[0346] 随着压力和温度的降低，空气在溶液中携带水蒸汽的能力下降。因此，在地面处没有必要将进入的空气升高到饱和度或100％相对湿度，只是为了产生足够高的混合比以使得发生饱和，并且在上升涡流之前冷凝、消失率差异散和轴向应变生效，失去由端壁效应产生的稳定性和在地面处发生的加热。在此基础上，可以控制饱和液体的供应或来源，以便提供足够的量或流率，以便将可冷凝液体作为蒸汽提供给空气流，并为此经由凝结的潜热提供足够的量来为涡流提供能量。
[0347] 给定在没有轴向应变的情况下涡流的预期纵横比，因此较小的涡流在地面处需要接近100％RH的空气。虽然较大的涡流将在小于100％RH的地面水平气流馈送时集中，只要RH在高于小于没有轴向应变的核心高度的高度达到100％即可。因此，虽然气旋用相对低RH的空气运行，而本文所公开的VCV可以利用热水的来源或供应，其随后通过一个或多个喷嘴或喷雾设备泵送以基本上在地面处或地面附近或涡流的基部实现相对饱和的空气流。
[0348] 在一个实施例中，供应或饱和源的温度(例如在本发明的涡流站中使用的水)来自两个考虑因素。
[0349] 1)如图14所示，普通大气包含稳定带或稳定层，如A-B所示。在Th＝40℃时从地面开始的饱和空气将沿着通过Tc2至Tc1所示的伪绝热曲线上升，从而维持消失率差异和涡流稳定性直至对流层顶，其出现在250mbar。Tc1给出Carnot效率
[0350]
[0351] 在类似的大气中，但在A-B处缺乏稳定层，可以使用较低的饱和空气温度。在极端情况下，Th＝20℃会产生伪绝热后的核心。现在TC1＝-40℃，所以
[0352] 因为冷储层温度下降超过热储层温度的所施加的变化。因此，在低核心温度下的较高效率与在较高核心温度下较高的核心稳定性之间需要权衡，这需要根据大气条件控制使用中的核心温度。
[0353] 2)对于所需的核心空气温度，必须通过一个或多个喷嘴或喷雾设备泵送的水量取决于水温。在其达到平衡的温降下饱和的来源或供应(例如水流)的热含量必须等于蒸发或蒸发中以及将空气流加热到平衡温度涉及的热通量。
[0354] 因此，对于在约40℃下流入涡流的饱和空气流，在约50℃下供水所需的水流量是在约60℃下供水所需的水流量的两倍(假设在这两种情况下水均被冷却至约40℃)。对于从水到空气的较低温差，需要更细的雾以允许所需的传热速率。这些效应结合起来增加了用较冷的水驱动涡流所引起的泵送损失。
[0355] 对于一个特定实施例的涡流站，用于部分或完全饱和(例如供水)的来源或供应的温度为约60℃，其中约50℃是用于发电目的的实际下限。如果净功率输出不是应用中的主要问题(例如将污染的地面空气输送到高处或将水分升高到高度以增强雨水)，则允许较低的供水温度。
[0356] 因此，对于本发明，工作流体(例如，被加热的水流)可以在大于约40℃的温度下提供，或者可以大于约45℃，或者可以大于约50℃，或者可能是60℃或更高，
[0358] 喷嘴或喷雾器
[0359] 喷嘴或喷雾设备可以位于被引入涡流的流动或气流中，正好在地面上方或在涡流的基部，并且优选地在顶部下方，以促进涡流开始或启动。一旦涡流已经开始或启动，还可以使用仍然在地面或涡流的基部处的流中但可以离涡流的中心或核心径向更远处的额外的喷嘴或喷雾设备来提供或供应饱和的来源(例如水)。
[0360] 喷嘴或喷雾设备不需要成角度来使得喷射的液体以角动量馈送到涡流中，但是可以可选地配置为这样。涡流的角动量主要由涡流站周边的叶片产生。
[0361] 高纵横比
[0362] 纵横比是涡流羽流的高度与核心的直径之比。
[0364] 热机的效率取决于Carnot效率
[0365]
[0366] Tcold由涡流的高度确定，并且消失率由空气的性质设定。高度取决于上升中相对于热量的湍流扩散影响的维持涡流稳定性。
[0367] 在一个实施例中，在涡流站1处通过泵送水(优选为热水)通过位于环形顶部4下方的喷嘴3的歧管来产生涡流2，以便产生温暖的饱和空气流5，其形成涡流2。这种空气5相对于周围的大气具有浮力，因为它更热并且包含更多的水蒸汽(水蒸汽比空气密度小)，所以它在涡流2上升，并且在地面吸入空气6以替换它。这种布置例如由图15和21示出。
[0368] 为了协助启动或开始涡流，喷嘴或喷雾设备被配置为产生相对细小的水滴，以产生合适的传热面积和足够高的Nussel数以接近水被引入的空气流的饱和。随着涡流增强强度，风剪切则有助于自动分解更大的水滴，因此在正常运行中可以实现更粗糙的喷嘴或喷头或喷雾设备以及更低的泵送压力(具有更低的泵送损失)，从而进一步协助减少运行或维持涡流的能量要求。
[0369] 优选地，通过叶片7将旋流传递到吸入的空气(或引入涡流的空气)6中。优选地，叶片7相对于径向倾斜一定角度，设置在围绕涡流的周围环中(称为“旋流杆”)。空气进入的角度由叶片的角度设定。
[0371] 旋流杆的一小部分例如在图19中示出，但是在使用中，旋流杆完全围绕涡流2的基部，因此所有输入空气在通过旋流杆吸入时获得旋涡。
[0372] 环形顶部4优选地放置在经向循环(即在包括中心线的截面的一个垂直半部分中发生的循环)的零流动区域中，这是淹没的涡流跳跃(DVJ)流-场20的特征(见图16)，其在充分旋流的涡流中自发发生。通过在零流动区域21中构造顶部4，顶部被制造或配置为限制在涡流站基部的最大风力集中点22处的气流。
[0373] 至少一个涡轮机8位于涡流站1的中心和地面9处。
[0374] 涡轮机优选地是涡轮机，其具有围绕垂直轴线移动的垂直叶片(类似于Magnus型涡轮机)。垂直叶片可以是固定的或可调节的。
[0375] 顶部4被配置为限制气流进入涡流站并使它们穿过涡轮机8，而不会扭曲DVJ的角流，这在最大风力集点22处产生风力集中。涡轮机放置在最大风力集中22的区域中(在涡流站1的地面9处或附近)，可以实现最大功率提取。而且，这种涡轮机的使用在流动22中产生径向压降，其用于稳定涡流2的支脚11以防止(例如通过外部风的)横向扰动。
[0376] 现在将更详细地描述这些图。
[0377] 在图15中，示出了一个实施例，其中空气6通过端壁效应被吸入涡流2中。气流集中在涡流2的基部11处，并且可以通过涡流(由箭头指示为12)跟踪在核心中上升的空气包的路径。核心壁在图15中由虚线表示为13，并且核心具有指示为10的中心。围绕涡流核心(潜在涡流)的气流由潜在涡流14的外部范围指示。在涡流的核心中，气流的切向速率大于轴向速率，而轴向速率又大于径向速率。
[0378] 图16显示了本发明的涡流站中的核心平流(没有垂直加速度)和经向流。区域22在淹没的涡流跳跃(DVJ)结构内具有最大风速。表示为23的线是零经向流线。线24表示具有流体动力动态稳定的核心壁的涡流区域。在这里，涡动性通过分子扩散向外扩散到潜在的涡流。壁外的流动接近层流。核心直径接近恒定，但随着涡流逐渐减小(随着涡动性和切向速率的降低)，缓慢随着高度而扩展。在25处，动态稳定性现在不足以抑制湍流，因此核心分解成湍流羽流。击穿高度(h)与旋流杆直径(D)的级别相同。
[0379] 图17显示了具有来自冷凝的足够垂直速率的垂直梯度的核心平流。涡动性的扩散在区域30处通过涡动性的集中来匹配。当空气包从A移动到B时，它会加速。顶部加速多于底部；A1→B1→C1，A2→B2→C2，因此拉伸变薄，直径减小，维持角动量，集中涡动性。因此，核心直径在从区域30上升到区域31时是恒定的或减小的。涡流的垂直标度32在这里被缩短。然后涡流核心可以在大约10km高度处平流到对流层顶。有利地，将足够量或流率的蒸发或蒸发水分形式的水添加到涡流中(用于完全或部分地使涡流中添加的气流饱和)，使得通过这种水分的冷凝释放的潜热足以提供加速以克服涡动性的扩散，核心平流。在对流层顶，或其他显著的大气温度反转时，加速被消除，核心“蜿蜒”下来。涡流的蜿蜒下降在图16和17中显示为25。
[0380] 在另一实施例中，图18示出了涡流2的一部分。这里示出了单个涡轮机8，但是多个涡轮机可以用在整个系统中。优选地，涡轮机的叶片垂直安装并围绕涡流2的垂直轴线旋转。优选地，涡轮机8上的压降是径向的并且通过增加核心中的压力减小来增强涡流，这避免了涡流的不稳定，并抵抗核心基部的横向位移(例如由风造成的位移)；因此，核心不会被吹走。
[0381] 在另一个实施例中，图19示出了通过叶片并进入涡流的气流。如上所述，“旋流杆”7叶片实际上是翼型(优选使用游艇帆技术)。当输入气流在叶片7处被吸入时，旋流被传递到输入气流。在区域40中(沿着涡流2的垂直轴线)，旋流通过端壁效应而增强。在顶部4下方和地平面上，通过晶喷嘴泵送水(优选地为热水)将热量添加到输入气流中以产生足够的表面积用于传热，以产生饱和或部分饱和的气流到核心。优选地，垂直涡轮叶片在顶部4的内径处以圆形旋转。
[0382] 在另一个实施例中，图20例如示出了涡流站中的水流。将水源41(优选为热水)泵入涡流站1中。喷嘴3将水引导到空气流中并抵抗空气流，以产生具有相对大或大的表面积的细雾或喷雾用于加热和将雾或喷雾以蒸汽的形式或作为水的蒸发物转移到空气流中。喷射或以其他方式喷到涡流中的大部分水作为冷凝物从涡流中落下并且被携带或引导到42处的中心排水管以用于收集和再循环。通过涡流气流和在涡流站1上具有凹形地板9来辅助排水。
[0383] 有利地，涡流站的凹形地板也可以有助于涡流的稳定，因为空气流经过大于90°的变化-因此产生更高的气流加速度。
[0384] 图21以截面示出了涡流站1的另一实施例。顶部4放置在经向流的零区域中，以防止绕过涡轮机8的径向流动。输入水42通过喷嘴3的歧管馈送，以产生具有用于热量传递和蒸发的足够面积的细雾或喷雾。
[0385] 除非上下文明确要求，否则在整个说明书中，“包括”，“包含”等词语应以包含性意义解释，而不是排他性或穷举性意义，也就是说，在某种意义上“包括但不限于”。
[0386] 尽管已经通过示例并参考其可能的实施例描述了本发明，但是应该理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行修改或改进。本发明还可以广义地说，单独地或共同地包括在本申请说明书中提及或指出的部件、元件和特征、两个或更多个所述部件、元件或特征的任何或所有组合。此外，在参考具有已知等同物的本发明的特定组件或整体的情况下，这些等同物并入本文，如同单独阐述一样。
[0387] 在整个说明书中对现有技术的任何讨论决不应被认为是承认这种现有技术是广泛已知的或者构成本领域公知常识的一部分。
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