CN101539293A - 一种带有预热通道的微平行板燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微动力机电系统领域，特指一种带有预热通道的微平行板燃烧器。其由三个主要部分组成：平行板燃烧室，预热通道以及石英遮罩，由内到外分别为平行板燃烧室，预热通道以及石英遮罩，其中平行板燃烧室的上半段为氢氧预混合区；其中石英遮罩具有双层中间抽真空的结构。本发明采用预热通道预热，使燃料和氧化剂在混合之前得到预热，实现更加稳定的燃烧；真空的双层石英玻璃外罩，不仅能让燃烧器辐射表面产生的绝大部分光子通过，而且还能起到隔热的作用，这些措施都能在很大程度上提高微热光电系统的整体转化效率和工作性能。

Description

一种带有预热通道的微平行板燃烧器

技术领域

本发明属于微动力机电系统(Power MEMS，简称微动力系统)领域，属一种新型预热混合燃烧技术，特指一种带有预热通道的微平行板燃烧器。

背景技术

信息技术、生物技术的发展促使机电系统向微型化方向发展，同时微制造技术的进步也不断加速着这一过程。微型机电系统对其动力供给部分提出了重量轻、使用时间长的要求，然而现有的电池由于能量密度不高，已远远不能满足这些要求。微动力系统能为微型机械提供长寿命、高能量密度的能源和动力，是动力装置发展的第四个里程碑，因而也成为了各个国家科研竞争的焦点之一。

碳氢燃料的能量密度(120MJ/Kg)大约是锂电池(1.2MJ/Kg)的100倍，由此人们提出了以燃烧为基础的微动力系统，即直接在微系统中通过燃烧将氢气或碳氢燃料的化学能转换为热能，然后依靠各种能量转换方式提供动力或产生电能。这样，即使化学能转化为电能的效率只有10％，其能量密度也高达锂电池的10倍，而且微动力系统还具有成本低廉、电压稳定等优点，因此应用碳氢燃料发电的微动力装置将有很大的发展潜力。鉴于此，美国、日本以及欧洲的大学和研究机构相继开展了这方面的研究，并开发出不同形式的样机，如：微燃气轮机、微型往复式电力发生器和微型转子发动机等。这些非直接能量转换的微型动力装置基本上都是将常规动力机械按比例缩小所得到的版本，由于高速运动部件的存在，在微观领域，这些装置在热损失、摩擦、密封、加工以及装配等方面遇到比常规装置要大得多的困难。相对而言，微热光电系统、微热电系统等无运动部件、易操作的微动力系统将会有更好的发展前景。

在国内，本课题组率先进行微热光电系统的研究，并开发出了微热光电系统原理性的样机。它的基本原理是：燃料和氧化剂经微型混合器混合后，进入微燃烧室中燃烧。当壁面被加热到一定高温时，就会放出光子。当它们撞击光电池时，会激发出自由电子，从而产生电能。

微燃烧器是微热光电系统中最为重要的组成部分之一，其设计决定了内部燃烧的稳定性和外壁面温度的分布情况。目前，常见的微热光电系统的燃烧器为圆柱形，混合气在微火焰管内的驻留时间较短，燃烧不够充分，辐射器表面温度较低，而且辐射器跟光电池的配套工作不好，因此系统的整体转化效率不高。为此，课题组在08年申请了发明专利“平行板模块式微热光电系统”，并已展开了相关研究工作。平行板微燃烧室的加工装配更加容易，而且方便实现多个系统之间的模块化组合，从而有利于单位体积能量输出密度的进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为微热光电系统提供一种高燃烧效率的微燃烧器，以进一步提高微热光电系统的整体转化效率和工作性能。

本发明的基本结构如附图1所示：氢气和氧气分别从进气入口7、9经各自的预热通道3进入平行板燃烧室4，平行板燃烧室4上段的窄流通截面区域为氢氧预混合区2，主要为了氢气和氧气的预混合，氢气和氧气在平行板燃烧室4这里完成燃烧过程，使得辐射表面11达到所需的辐射温度；它们生成的产物最后由尾气出口8排至装置外，构成燃烧室的材料使用SiC材料。混合区的上部装置了一个石英玻璃遮罩1，另外跟辐射表面平行的左右两边各设计了一块石英玻璃的平行板6、10，这两块石英玻璃平行板跟燃烧室的两块SiC板形成了氢气、氧气的预热通道，石英玻璃遮罩1的下部设计成凸台结构，燃烧室入口处也有一个截面漏斗状的坡度结构，这些都是为实现较好的氢氧预混合。另外，出于降低光电池表面温度的考虑，图中的石英玻璃遮罩和左右石英玻璃平行板都设计成真空结构。

本发明的优点在于两个进气通道紧挨着平行板燃烧室，进气在进入燃烧室之前将被燃烧室的外壁面(即辐射表面)预热，这可以提高混合气的焓值，实现稳定燃烧，同时降低了壁面的对流换热损失和出口的排气热损失，从而使辐射表面的整体温度分布得到提高，进而可以提高系统整体的能量转化效率。另外，石英玻璃罩左右两侧都抽成真空，辐射表面和光电池之间的热量交换被有效的减少，故能起到了很好的隔热效果，考虑到石英玻璃的透射性能，燃烧室的外壁面辐射出的光子是也是可以打到光电池片上的，而光电池表面的温度却会有很大降低，因此可以大幅提高光电池的光电转换效率。

附图说明

图1为微平行板燃烧器结构示意图，

其中1.石英玻璃遮罩，2.氢氧预混合区，3.预热通道，4.平行板燃烧室，5.真空区，6.左平行板，7.氢气入口，8.尾气出口，9.氧气入口，10.右平行板，11.辐射表面。

具体实施方式

本发明中石英玻璃遮罩为三部分的一个整合，最上部分的凸台遮罩以及左右两侧的玻璃都为双层中间抽真空的结构，燃烧器整体高度为10.8mm，宽度为3.8mm，长度为8mm，单层玻璃厚度为0.2mm，真空宽度也为0.2mm；燃烧室材料为具有较强耐高温性能的SiC陶瓷，所采用的SiC物性参数如下表所示。燃烧室外侧辐射表面高度为10mm，长度为8mm，燃烧区域高度为8mm，宽度为1mm，壁厚为0.2mm；混合区的高度为2mm，宽度为0.2mm，相应的壁厚为0.6mm；预热区通道的宽度为0.6mm，两端进气口直径为0.4mm。在常温和一个标准大气压下，氢气和氧气经各自减压阀减压后，经流量控制器精确控制，以一定的比例进入各自的进气通道，经预热后，在燃烧室的混合区充分混合，最后进入微燃烧室内主燃烧区进行燃烧。针对本发明的结构尺寸，通过建模工作进行了一定的数值模拟工作，研究表明在氢气进口流速为40m/s，氢氧混合比为8∶5时，混合气在燃烧器内可实现稳定燃烧，辐射壁面温度较高且分布均匀，这对于MTPV系统稳定高效的工作是非常有帮助的。

燃烧器材料的主要参数

材料名称	碳化硅	石英玻璃
			组成	SiC 97％碳化硼	SiO2
导热系数	92W/(m·k)	2.8W/(m·k)
			密度	3.10g/cm3	2.2g/cm3
红外辐射率	0.77(法线方向)	0.97(法线方向)

Claims (2)

1、一种带有预热通道的微平行板燃烧器，其特征在于：由三部分组成，由内到外分别为平行板燃烧室4，预热通道3以及石英遮罩1，其中平行板燃烧室4的上半段为氢氧预混合区2；其中石英遮罩具有双层中间抽真空的结构。

2、根据权利要求1所述的一种带有预热通道的微平行板燃烧器，其特征在于：平行板燃烧室4采用SiC陶瓷制备。

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