CN103148483B - 一种分级混合的微小型扩散燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分级混合的微小型扩散燃烧器，结构为：在基体上加工有燃料通道、氧化剂通道、分流块和燃烧室，燃料通道的出口端处于氧化剂通道内，两个氧化剂通道在燃烧室的入口连通，燃料通道、氧化剂通道呈三叉型布置。燃料先经分流块分为两股，分别被氧化剂气流引射进行初步混合，然后在分流块后方进一步混合并被点燃，燃烧产物通过燃烧室出口排出。本发明利用了进气流道的三叉形设计和分流块对燃料和氧化剂进行了两次混合，相比于之前的Y型扩散燃烧器具有更好的混合效果。本发明能够有效实现燃料和氧化剂的充分混合和稳定火焰，燃烧效率高，能广泛适用于各种微小型动力系统。
Description
技术领域
本发明属于气体扩散燃烧的技术领域，具体为一种分级混合的微小型扩散燃烧器，尤其适合于为微小型动力装置提供热源或高温气源。
背景技术
随着MEMS技术的快速发展，不断涌现出了许多微小型装置和系统，如微型卫星、微型机器人、微型推进系统以及手机等便携式电子设备。目前，为这些设备提供动力的主要是化学电池，然而电池的能量密度低，体积和重量也较大；而烃类燃料相对于化学电池来说有高出几十倍的能量密度优势。如典型液体碳氢化合物燃料的能量密度约为45MJ/kg，而最好的锂电池的能量密度约为1.2MJ/kg。因此，开发基于燃烧的微小动力装置具有巨大的潜力。研究者们已经成功制造出了微燃气透平、微转子发动机、微推进系统、微热光伏发电系统和微热电系统，等等。其中，燃烧器是微小型动力系统的关键部件。
根据燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是否混合，燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧。由于微小型燃烧器主要是应用于为各种便携式设备提供动力的微小型动力系统中，因此，安全性是一个应当首先考虑的重要问题。为了防止发生回火危险，可以采取燃料和氧化剂非预混的扩散燃烧方式。但是由此会带来一个问题，即燃料和氧化剂如何在非常短的时间内充分混合，否则会导致火焰不稳定、反应不充分、燃烧效率低等问题。例如，Ju等人以及Miesse等人在扩散燃烧的微小型燃烧室内发现了所谓的“火焰街”，即多个小火焰沿着燃烧室入口到出口分散分布的现象，他们认为这是由于燃料和氧化剂混合不充分而引起的。除了混合问题外，对于采用扩散燃烧的微小型燃烧器，同样还需要考虑所有微小型燃烧器所面临的共性问题，即由于燃烧室表面积与体积的比值相对于常规尺度来说增大了2至3个数量级，使得通过壁面的散热损失比例大大增加，同时壁面对化学反应自由基的捕获几率大大增加，因此，也会导致火焰稳定性变差，容易发生熄火。
针对微小型燃烧器中燃料和氧化剂之间的混合问题，研究者们分别提出了主动式和被动式的强化混合方案。其中，主动式强化混合方案需要设置额外的致动器，使得系统变得复杂而较少得到采用。被动式强化混合方案只需依靠结构上的优化设计来解决这一问题，因而使用较广。例如，美国马里兰大学的研究小组设计了一种结构：其中氧化剂流道水平布置，燃料流道与之垂直。当氧化剂沿着水平方向以较快的速度进入燃烧室时，会对燃料产生一个较强烈的引射作用，以此来加强两种不同气体之间的混合。然而，利用该方法会带来两个问题：一是要求两股流体之间存在较大的速度差，否则难以获得好的混合效果；二是在垂直引射方式下难以获得对称的流场。范爱武等人开发了一种微小型扩散燃烧器(带多孔介质的Y型扩散燃烧器)，其火焰稳定性有所提高，但是燃料和氧化剂的混合效果并不理想(参见图3)，而且增大了流动阻力。
另外一方面，为了提高微小型燃烧器中的火焰稳定性，大多数研究者均采用热循环的方法。如Ronney、Maruta和钟北京等人采用所谓的“瑞士卷(Swiss-Roll)”结构。然而，这种燃烧器主要用于预混燃烧，而且其结构比较复杂。此外，新加坡的研究小组则开发了带台阶的突扩型微小型燃烧器来稳定火焰，但是台阶的存在降低了燃烧器的紧凑性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种混合效果好、稳燃范围宽、燃烧效率高的分级混合微小型扩散燃烧器。
本发明提供的一种微小型扩散燃烧器，其特征在于，它包括设置在基体上的第一氧化剂通道、第二氧化剂通道、燃料通道、分流块和燃烧室；第一氧化剂通道和第二氧化剂通道对称地分布在燃料通道的两侧，燃料通道的两个出口处于第一氧化剂通道和第二氧化剂通道内，三者呈三叉型结构分布；第一氧化剂通道和第二氧化剂通道在燃烧室的入口连通，分流块位于燃烧室的入口处。通过改变燃料通道和氧化剂通道之间的夹角，或者/和通过改变分流块的顶角，能够进一步提高燃料与氧化剂之间的混合效果以及稳燃效果。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
(1)两个氧化剂通道对称地分布在燃料通道的两侧，呈三叉型结构，能够保证流场与火焰的对称性和稳定性。
(2)燃料和氧化剂的速度可以分别通过各自的流量计加以控制，保证获得想要的空燃比混合物。
(3)充分利用了氧化剂气流对燃料气流的引射、两股初步混合气流之间的碰撞、以及分子扩散等多种混合机理。
(4)与单氧化剂流道相比，在相同的总氧化剂流量下，本发明可以降低单个氧化剂通道内的速度，从而有更充分的混合时间。
(5)各通道之间的夹角以及分流块的顶角可以进行优化设计，从而获得更好的混合效果。
(6)分流块后的低速区能够起到较好的稳燃作用。
总之，本发明克服了现有技术的不足，在分级混合过程中利用几种不同的物理机制，达到燃料和氧化剂之间的充分混合；同时，利用分流块后的低速区来稳定火焰。因此，本发明能够有效提高微小型扩散燃烧器中的火焰稳定性和燃烧效率，广泛适用于各种微小型动力系统。
附图说明
图1是本发明提供的燃烧器的一种具体实施方式的二维结构示意图；
图2是图1的三维效果图；
图3是本发明与Y型扩散燃烧器的混合效果以及理想混合状态之间的比较图；
图4是本发明与Y型扩散燃烧器的燃烧效果之间的比较图。
具体实施方式
本发明提供的燃烧器在耐高温的基体上加工有燃料通道，氧化剂通道和燃烧室，燃料通道的尾端有一个分流块，燃料气流在此分为两股，然后在两侧氧化剂气流的引射作用下进行初步混合。这两股初步预混的气流随后在燃烧室入口通过碰撞和扩散等机理进一步混合，随即被点燃，在燃烧室内燃烧后由出口排出。基体材料可以选择如石英(主要成分为SiO2)、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等耐高温的陶瓷材料。
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1、图2所示，本发明提供的分级混合微小型扩散燃烧器包括第一、第二氧化剂通道1、3，燃料通道2，分流块5，以及燃烧室6。第一、第二氧化剂通道1、3对称地分布在燃料通道2的两侧，燃料通道2的出口端4处于氧化剂通道1、3内，三者呈三叉型结构分布，以保证流场和火焰的对称性。第一、第二氧化剂通道1、3在燃烧室6的入口连通，分流块5位于燃烧室6的入口处。这种结构有利于两种气体进行充分混合。
燃料气流先经分流块5分为两股，在两侧氧化剂气流的引射作用下进行初步混合，然后在燃烧室6入口处进一步混合，随即点火燃烧，高温烟气由燃烧室6的出口7排出，可以用来为微型热电装置或者热光伏系统提供热源，也可作为微型推进系统的高温燃气，通过后续的喷管来产生推力。
通过改变燃料通道和氧化剂通道之间的夹角，或者/和通过改变分流块的顶角，能够进一步提高燃料与氧化剂之间的混合效果以及稳燃效果，如燃料通道1和3与氧化剂通道2之间的夹角可以选择为15～80°，分流块5的顶角可以为30～120°。
本发明还可以在分流块5的表面和/或燃烧室6的内表面涂覆催化剂，如：铂、镍、铑等，来提高稳燃效果。
实例：
采用甲烷气体为燃料，氧化剂为氧气。燃料通道的入口宽度为3mm，其出口宽度为1mm，氧化剂通道的宽度为2mm，高度均为3mm。燃料通道与氧化剂通道的夹角为45度，燃烧室宽度为4mm，长度为40mm，高度为3mm。分流块为正方形截面，其表面和燃烧室内表面均未涂覆催化剂。基体和分流块采用耐高温的石英材料，其常温下的密度、热容、导热系数和法向发射率分别为2650kg/m3、750J/(kg·K)、1.05W/(m2·K)和0.92。应用通用的CFD计算软件Fluent6.3.26，对不同工况下的混合和燃烧进行了数值模拟，结果如图3和图4所示，横坐标为理想混合情况下燃料/氧气混合物的当量比。
图3给出了本发明与文献中的Y型扩散燃烧器的混合效果以及理想混合状态之间的比较(以甲烷的质量分数沿燃烧器出口中心线的分布来指示)。从图3可以明显看出，Y型扩散燃烧器的混合效果远远偏离理想混合状态，而本发明的混合效果则几乎接近理想混合状态。图4给出了本发明与Y型扩散燃烧器的燃烧效果之间的比较(以燃烧效率作指标)。从图4可以明显看出，本发明的燃烧效率(高达99.9％)均高于相同条件下的Y型扩散燃烧器，而且在各种条件下燃烧效率都很稳定。由此可见，本发明能够获得良好、稳定的混合和燃烧效果。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.一种微小型扩散燃烧器，其特征在于，它包括设置在基体上的第一氧化剂通道、第二氧化剂通道、燃料通道、分流块和燃烧室；第一氧化剂通道和第二氧化剂通道对称地分布在燃料通道的两侧，燃料通道的出口端处于第一氧化剂通道和第二氧化剂通道内，三者呈三叉型结构分布；第一氧化剂通道和第二氧化剂通道在燃烧室的入口连通，分流块位于燃烧室的入口处。
2. 根据权利要求1所述的微小型扩散燃烧器，其特征在于，第一氧化剂通道、第二氧化剂通道与燃料通道之间的夹角为15～80°。
3. 根据权利要求1或2所述的微小型扩散燃烧器，其特征在于，分流块的顶角为30～120° 。
4. 根据权利要求1或2所述的微小型扩散燃烧器，其特征在于，在分流块的表面涂覆有催化剂。
5. 根据权利要求3所述的微小型扩散燃烧器，其特征在于，在分流块的表面涂覆有催化剂。
6. 根据权利要求1或2所述的微小型扩散燃烧器，其特征在于，在燃烧室的内表面涂覆有催化剂。
7. 根据权利要求5所述的微小型扩散燃烧器，其特征在于，在燃烧室的内表面涂覆有催化剂。
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