CN100449205C - 一种低热损失的微尺度燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种低热损失、火焰稳定、同时还有较高能量密度的微尺度燃烧器。本发明微尺度燃烧器包括燃烧室(1)，燃烧室(1)的内壁面(2)为多孔烧结材料，烧结材料可以为陶瓷、铜、不锈钢及镍等金属，具有一定透气率，烧结材料粒径分布均匀，压力损失小。燃烧器外壁面(3)与多孔材料内壁面(2)之间夹层空腔(4)，夹层空腔(4)间隙为1～3mm，可燃预混气由此夹层空腔(4)经多孔内壁面(2)进入燃烧室(1)，燃烧室(1)截面形状可以为圆型或方形。本发明在保证足够的燃烧空间以维持高的能量密度的同时，达到了降低微尺度燃烧器热损失的目的，提高了火焰稳定性，克服了现有技术的缺陷，具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及能源技术领域，尤其涉及微能源系统领域。
技术背景
微尺度飞行器、微型医疗器械、微型马达、微泵和微型传感器等微器件(MEMS)、移动通讯、军事用侦察系统等均要求电源系统的微型化，所有这些要求供能系统高能量密度，而传统的化学电池供能方式满足这些要求将变得日益困难。基于燃烧的微能源系统的发电原理为：微尺度燃烧器产生高温烟气带动热机做功、发电或通过热电直接转换获得电力。目前研发的微动力系统的发电功率为几瓦到几毫瓦。
微尺度燃烧器是微发电系统的核心部件，与常规尺度相比较，微尺度下燃烧器的表面积/体积比增大几个数量级，导致微尺度燃烧器的热损失很大，目前已开发的微燃烧器热损失为15～35％，部分甚至超过50％。现有的微尺度燃烧器研发机构在降低微尺度燃烧器热损失方面进行许多工作，如MIT微型透平燃烧器采用了回热装置，有效降低了燃烧室壁面的热损失，但总体热损失还是非常高。而瑞士面包圈结构微尺度燃烧器采用的缠绕通道换热技术，可以使烟气出口温度降到非常低，很好地解决了燃烧器的热损失问题，但由于缠绕换热通道很长，使得微尺度燃烧器有效燃烧室体积相对于整个燃烧器比较小，会降低燃烧器的能量密度。
因此，目前急需一种既能降低热损失，又有较高能量密度的微尺度燃烧器。
发明内容
本发明的目的是提供一种低热损失、火焰稳定、同时还有较高能量密度的微尺度燃烧器。
本发明的原理是：采用壁面多孔进气的全新方式，合理组织可燃预混气在燃烧室内进行有效燃烧，以达到降低微尺度燃烧器热损失的目的，从而提高火焰稳定性，同时还可以保证足够的燃烧空间以维持高的能量密度。
如图1所示，本发明微尺度燃烧器结构如下：所述燃烧器包括燃烧室1，燃烧室1的内壁面2为多孔烧结材料，烧结材料可以为陶瓷、铜、不锈钢及镍等金属，具有透气率20％～50％，多孔烧结壁面厚度0.1～3mm。烧结材料粒径分布均匀，压力损失小。燃烧器外壁面3与多孔材料内壁面2之间夹层空腔4，夹层空腔4间隙为1～3mm，燃料/空气混合形成的可燃预混气部分或全部由此夹层空腔4经多孔内壁面2进入燃烧室1，燃烧室1截面形状可以为圆型或方形。
本发明使用时，采用如下进气方式：可燃预混气可以部分或全部由侧向经夹层空腔4透过多孔材料内壁面2后进入燃烧室1内，与端面进入的空气进行混合，实现燃烧。燃烧反应释放的热量加热了多孔材料内壁面2，使得壁面温度迅速上升，同时较低温度的可燃混合气在经过多孔材料时，与多孔材料进行热量交换，使得混合气温度升高，使得原本高温壁面散发的热量得到回收利用，而多孔内壁面2材料温度下降，使得燃烧器的外表面温度降低到较低水平，向环境散热降低，有效实现燃烧器的低热损的目的。当富燃料的预混气透过多孔内壁面2进入时，容易在壁面附近形成未燃气气膜薄层，该薄层内预混气使得多孔内壁面2与高温烟气的对流换热被隔断，加热内壁面2的热量来自气膜层的导热和高温烟气的热辐射，有效阻止热量向壁面传递，从而降低内壁面2的温度。
综上所述，本发明在保证足够的燃烧空间以维持高的能量密度的同时，达到了降低微尺度燃烧器热损失的目的，提高了火焰稳定性，克服了现有技术的缺陷，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例1结构示意图。
附图标记：燃烧室1、内壁面2、外壁面3、夹层空腔4、出口截面5
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步对本发明的内容进行说明。
实施例1
如图1所示，本实施例微尺度燃烧器包括燃烧室1，燃烧室1截面为圆型。燃烧室1的内壁面2为多孔烧结材料，所述烧结材料为铜粉烧结金属，透气率为40％，外壁面3为金属铝，内壁面2与外壁面3之间形成夹层空腔4。具体尺寸如附图所示，燃烧室内径d＝10mm，外径D＝26mm，多孔内壁面2厚2.5mm，高19.5mm，燃烧器高度为22mm，。试验采用甲烷/空气混合气，甲烷空气总的混合比按完全燃烧化学反应当量比供给，即甲烷与空气体积流量比为1∶9.52。气体分两路供给，70％空气与全部甲烷混合，形成富燃料可燃气由燃烧室的侧面经外壁面3、夹层空腔4、多孔内壁面2进入燃烧室1；30％纯空气由多孔壁面从端面进入燃烧室1。当燃烧器出口截面5处平均流速为0.3m/s时，燃烧室1可以形成稳定的火焰，火焰为蓝色，沿出口向进口观察，火焰面为环状。通过热电偶实测得到：多孔内壁面2内侧温度低于500℃，外侧低于300℃，夹层空腔4内空气被预热到220℃左右，外壁面3温度低于170℃，而燃烧室1内火焰最高温度达1120℃，出口截面5平均温度为1070℃。本工况下微尺度燃烧器外壁面热损失为5.6％，远低于现有技术的损失率。
Claims (6)
1、一种低热损失的微尺度燃烧器，包括燃烧室(1)和燃烧器外壁面(3)，其特征在于：所述燃烧室(1)的内壁面(2)为多孔烧结材料，燃烧器外壁面(3)与燃烧器内壁面(2)之间有夹层空腔(4)；采用如下进气方式：可燃预混气部分或全部由侧向经夹层空腔(4)透过多孔材料内壁面(2)后进入燃烧室(1)内，与端面进入的空气进行混合，实现燃烧。
2、如权利要求1所述的低热损失的微尺度燃烧器，其特征在于：所述内壁面(2)的多孔烧结材料为以下之一：陶瓷、铜、不锈钢及镍金属烧结材料，烧结材料粒径分布均匀，压力损失小。
3、如权利要求1或2所述的低热损失的微尺度燃烧器，其特征在于：所述内壁面(2)的多孔烧结材料具有20％-50％的透气率，多孔烧结壁面厚度0.1～3mm。
4、如权利要求1所述的低热损失的微尺度燃烧器，其特征在于：所述夹层空腔(4)间隙为1～3mm。
5、如权利要求1所述的低热损失的微尺度燃烧器，其特征在于：所述燃烧室(1)截面形状为圆型。
6、如权利要求1所述的低热损失的微尺度燃烧器，其特征在于：所述燃烧室(1)截面形状为方形。
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