CN101852432B - 一种回热型液体燃料微燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种回热型液体燃料微燃烧器，本发明包括尾气排气口(11)、外筒(3)、内筒(1)、空气喷管(2)、燃烧室(9)、点火器(8)、甲烷气体喷管(7)和液体燃料喷管(6)，还包括所述内筒(1)和外筒(3)之间的环形空间(10)、固定在液体燃料喷管(6)上的多孔介质雾化管(5)；所述的环形空间(10)的底部与燃烧室(9)相通，所述多孔介质雾化管(5)与液体燃料喷管(6)相连通，顶端用密封盖板(4)密封。本发明实现了尾气热量的部分回收利用，减少了散热损失，提高了燃烧效率，同时空气得到预热，也有利于稳定燃烧。

Description

一种回热型液体燃料微燃烧器

技术领域

本发明涉及微能源系统领域，具体涉及一种回热型液体燃料微燃烧器。

技术背景

微尺度燃烧是随着MEMS(微电子机械系统)技术的发展而提出的，这种燃烧具有能量密度高，燃烧尺度低于1立方厘米等特点。因此用基于微尺度燃烧的微能源系统来为便携式电子设备提供电能相比于传统的化学电池功能方式来说有更大的优势，例如可以作为微型飞行器、微型卫星推进系统及科技作战人形机器人的供能系统。

然而，微尺度燃烧器并不只是简单的对传统燃烧器在尺度上进行比例缩小，它还产生了许多新的技术难题，例如相对于常规尺度的燃烧器，微尺度下减小燃烧器尺寸的同时燃烧器的表面积与体积之比将会增大许多倍，这会使燃烧热损失增大，从而导致火焰熄火。目前，国内外的一些研究机构对微尺度燃烧进行了研究，但是他们的研究主要集中在气体燃料的预混燃烧方面，关于液体燃料燃烧特别是液体燃料扩散燃烧方面的研究却做得比较少。液体燃料无论是安全性、能量密度还是便携性都比气体燃料要好。因此，相比于气体燃料来说，液体燃料更适合于微能源系统系统，由于液体燃料的燃烧大多数采用扩散燃烧方式，因此，对微尺度内液体燃料扩散燃烧的研究将具有十分重要的意义。但是燃用液体燃料最大的问题在于液体燃料的燃烧需要进行充分的吸热蒸发，并与空气进行充分地混合，这都需要较长的时间和空间，这些条件在微尺度空间中难以同时得到满足。因此，国内外一些专家提出利用多孔介质的热辐射及导热作用使液体燃料得到充分地雾化，以解决微尺度燃烧与液体燃料蒸发需要较长的时空两者之间的矛盾。但是即便如此，液体燃料在微尺度空间内的点火问题以及尾气散热损失问题仍然难以得到很好地解决。

因此，目前急需一种同时具有降低尾气散热损失，实现液体燃料及时稳定点火并能强化受限空间内液体燃料扩散燃烧的微尺度燃烧器，本发明就是在这种技术背景下提出的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种回热型液体燃料微燃烧器，本发明是一种既能降低尾气散热损失，又能实现液体燃料及时稳定点火并能强化受限空间内液体燃料扩散燃烧的微尺度燃烧器。

本发明的原理是：采用先点燃甲烷气体，再点燃液体燃料的分级点火方式，利用多孔介质对液体燃料的热辐射及导热作用实现液体燃料的预热、蒸发及雾化，实现液体燃料的扩散燃烧。由于燃烧器内筒壁面的回热作用，燃烧产生的尾气与进入燃烧室环形空间内的空气进行热交换，从而实现尾气余热的回收利用，降低了尾气的散热损失，保证了燃烧的稳定性，也减少了CO等有害气体的排放。

本发明目的通过以下技术方案来实现：

一种回热型液体燃料微燃烧器，包括尾气排气口11、外筒3、内筒1、空气喷管2、燃烧室9、点火器8、甲烷气体喷管7和液体燃料喷管6，还包括所述内筒1和外筒3之间的环形空间10、焊接固定在液体燃料喷管6上的多孔介质雾化管5；所述环形空间10底部与燃烧室相通，空气能够穿过内筒1底部进入燃烧室9，顶端用密封盖板4焊接密封。

所述多孔介质雾化管5采用的多孔材料为多孔陶瓷材料或金属的烧结材料，孔隙率范围为0.7～0.9，孔径为0.05～0.2mm。

所述液体燃料喷管6、内筒和密封盖板4均采用导热性强的硬质耐火材料。

所述导热性强的硬质耐火材料为不锈钢或金属陶瓷。

外筒3为导热系数很低的耐火硬质材料制成，如陶瓷材料；

所述空气喷管2对称布置于燃烧器外筒3的两侧，甲烷气体喷管7对称布置于液体燃料喷管6的两侧。

所述点火器8对称布置于液体燃料喷管6两侧，并使点火器8点火端位于甲烷气体喷管7出口的轴线上，距离出口1～2mm。所述点火器8为电热点火器8。是由直径为0.1～0.2mm的电热丝缠绕而成的线圈，电源都采用6A的直流电，两点火器同时点火。

所述的多孔介质雾化管5及液体燃料喷管6的壁厚为0.2～1mm。

所述环形空间10的间距为1.5～3mm。

所述内筒1、空气喷管2、燃烧器外筒3、多孔介质雾化管5、液体燃料喷管6以及甲烷气体喷管7的截面都为圆形。

本发明燃烧如下方式：空气先后流过环形空间10、内筒1底部空间及内筒1与液体燃料喷管6之间的环形空间，最后进入燃烧室9，同时甲烷气体喷管7喷射甲烷气体并通过电热点火器8点燃，当多孔介质的温度大于乙醇的着火点363℃时，停止喷射甲烷气体，开始通过液体燃料喷管6喷入液体燃料，液体燃料渗透进入多孔介质孔隙，并在已受到预热的多孔介质中吸热蒸发及雾化，并在燃烧室9中与空气混合，实现扩散燃烧，待燃烧稳定之后，由于多孔介质的强化燃烧作用，通过热辐射及导热促使液体燃料蒸发更剧烈，燃烧稳定性也得到加强，由于内筒1采用导热性强的材料，所以燃烧产生的尾气通过内筒1壁面与环形空间10内的空气进行热量交换，实现尾气的余热利用，同时也预热了进口空气，使燃烧更容易发生，而外筒3采用的导热性低的材料，能够起到一定的保温作用，使燃烧室及环形空间内气体的热损失减少。

本发明相对于现有技术的优点及有益效果：

(1)本发明通过先点燃甲烷气体，再点燃液体燃料的分级点火方式，多孔介质可以得到充分预热，液体燃料点火更容易，且点火后燃烧稳定，不容易熄火，实现了液体燃料在微尺度空间内的扩散燃烧；

(2)通过多孔介质的热辐射及导热作用，液体燃料能够得到充分的雾化，从而强化了燃烧，有效地降低了CO等有害气体的排放；

(3)导热性强的燃烧器内筒1具有类似换热器的效果，燃烧室排放的尾气与环形空间10中的空气通过内筒壁面进行换热，实现了尾气热量的部分回收利用，减少了散热损失，提高了燃烧效率，同时空气也得到了预热，有利于点火及稳定燃烧；

(4)通过导热性弱的具有保温效果的外筒3，能够有效地降低燃烧器的散热损失，从而进一步提高燃烧效率，对稳定燃烧也有一定的作用。

综上所述，本发明在实现微尺度空间内液体燃料的扩散燃烧的同时，实现了及时稳定点火、稳定燃烧、余热利用以及减少热损失，具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为实例燃烧器外筒主视图；

图3为实例燃烧器外筒俯视图；

图4为实例燃烧器内筒主视图；

图5为实例燃烧器内筒俯视图；

图6为实例燃烧器多孔介质雾化管及其液体燃料喷管主视图。

具体实施方式

如图1所示，一种回热型液体燃料微燃烧器，包括尾气排气口11、外筒3、内筒1、空气喷管2、燃烧室9、点火器8、甲烷气体喷管7和液体燃料喷管6，还包括内筒1和外筒3之间的环形空间10、焊接固定在液体燃料喷管6上的多孔介质雾化管5；所述环形空间10底部与燃烧室相通，空气能够穿过内筒1底部进入燃烧室9，顶端用密封盖板4焊接密封。空气喷管2对称布置于燃烧器外筒3的两侧，甲烷气体喷管7对称布置于液体燃料喷管6的两侧。内筒1、空气喷管2、燃烧器外筒3、多孔介质雾化管5、液体燃料喷管6以及甲烷气体喷管7的截面都为圆形。内筒1一端制成喇叭口形，使内筒1能够悬挂固定于外筒3上。

具体结构尺寸如图2至图6所示，所用的液体燃料为乙醇。燃烧室9内径d＝12mm，燃烧器内筒1采用不锈钢材料，壁厚0.5mm，高25.5mm；外筒3采用导热系数低的铝硅酸盐陶瓷材料，壁厚0.5mm，高28mm，外径D＝19mm；燃烧器整体高28.5mm，内外筒截面形状都为圆形。在外筒3底部中心有一个直径为4mm的液体燃料入口孔，液体燃料入口孔两侧分别对称布置一个直径为1mm的甲烷气体入口孔，两甲烷气体孔中心相距8mm，甲烷气体入口孔两侧各布置有一个直径为0.5mm，相距10.5mm的点火器进口孔。空气入口孔布置于外筒3两侧，两入口孔中心与外筒3底面距离为25mm。多孔介质采用泡洙陶瓷材料，孔隙率为0.9，孔径为0.05mm，泡沫陶瓷整体高9mm，液体燃料喷管材料采用不锈钢，泡沫陶瓷及喷管壁厚为1mm，外径为4mm，密封盖板4顶端距离外筒3底面距离在10～15mm之间进行调整，这样可以对火焰的长度进行调整，也可以调整空气的预热强度，而甲烷气体喷管高度也应该根据多孔介质雾化管5及器密封盖板4在燃烧室内的高度做相应的调整，以满足甲烷气体燃烧火焰能够对多孔介质进行最大限度地放热，使多孔介质能够得到充分地预热。电热点火器8总共有两根，各布置于两根甲烷气体喷管7一侧，两根点火器的点火头位于甲烷气体喷管7出口上方1mm处，每根点火器都是由直径为0.1mm的电热丝缠绕而成的线圈，电源都采用6A的直流电，两点火器同时点火。燃烧器采用如下点火方式：空气在环形空间10吸收尾气热量后经内筒1底部空间及内筒1与液体燃料喷管6之间的环形空间进入燃烧室9，同时喷射甲烷气体并通过电热点火器点燃，待多孔介质充分预热之后停止喷射甲烷气体，开始喷入乙醇燃料，乙醇在已经得到预热的多孔介质中雾化，并在燃烧室中与空气混合，实现乙醇的扩散燃烧。

Claims (8)

1.一种回热型液体燃料微燃烧器，包括尾气排气口(11)、外筒(3)、内筒(1)、空气喷管(2)、燃烧室(9)、点火器(8)、甲烷气体喷管(7)和液体燃料喷管(6)，其特征在于，还包括所述内筒(1)和外筒(3)之间的环形空间(10)、固定在液体燃料喷管(6)上的多孔介质雾化管(5)；所述的环形空间(10)的底部与燃烧室(9)相通，所述多孔介质雾化管(5)与液体燃料喷管(6)相连通，多孔介质雾化管的顶端用密封盖板(4)密封。

2.根据权利要求1所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述多孔介质雾化管(5)采用的多孔材料为多孔陶瓷材料或金属的烧结材料，孔隙率范围为0.7～0.9，孔径为0.05～0.2mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述液体燃料喷管(6)、内筒和密封盖板(4)均采用导热性强的硬质耐火材料。

4.根据权利要求3所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述导热性强的硬质耐火材料为不锈钢或金属陶瓷。

5.根据权利要求4所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述空气喷管(2)对称布置于外筒(3)上端的两侧，甲烷气体喷管(7)对称布置于液体燃料喷管(6)的两侧。

6.根据权利要求5所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述点火器(8)对称布置于液体燃料喷管(6)两侧，并使点火器(8)点火端位于甲烷气体喷管(7)出口的轴线上，距离出口1～2mm。

7.根据权利要求6所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述点火器(8)为电热点火器(8)。

8.根据权利要求7所述的一种回热型液体燃料微燃烧器，其特征在于，所述内筒(1)、空气喷管(2)、外筒(3)、多孔介质雾化管(5)、液体燃料喷管(6)以及甲烷气体喷管(7)的截面都为圆形。

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