CN105066128B - 一种双层回热式微型燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双层回热式微型燃烧器，属于能源燃烧利用领域，所述包括燃烧器壁、横向导热隔板、纵向导热隔板、进气口和出气口，所述燃烧器壁分为上下、左右四壁和前壁；所述燃烧器前壁右侧设置有矩形通孔；内部设有横向导热隔板和纵向导热隔板；本发明采用横向、纵向布置导热隔板的方式，使燃烧器内部空间均分为四个区域，未燃气体得到来自横向和纵向的双向预热，能量的利用率显著提升；同时，燃烧器的空间得到大幅利用，壁面温度的均匀性亦得到提高。此外，混合气经过三次绕流，其滞留时间大大延长，从而使得混合气燃烧更加充分，同时更多的热量能被壁面吸收。这种双层回热式的设计方式，对提高微型热光电系统的输出性能产生积极的作用。
Description
技术领域
本发明具体涉及到微型动力机电系统（Power MEMS，简称微型动力系统），属于能源燃烧利用领域，是一种强化微尺度燃烧的改进技术，特指一种双层回热式微型燃烧器。
背景技术
近年来，越来越多的国内外研究人员逐步把目光投向了微型动力系统。之所以该类装置能受到如此大的关注，是因为其具有能量密度高、工作寿命长、易维护以及污染小等一系列优点，这与当今能源领域追求节能减排的理念是不谋而合的。微型动力系统能够将碳氢燃料或氢气的化学能通过燃烧转换为热能，并依靠各种能量转换方式为微型机电系统提供动力或电能。在众多微型动力装置中，微型热光电系统（Micro-thermophotovoltaicSystem，简称MTPV System）凭借结构较为简单、没有运动部件的特点而成为一种典型的微型动力装置。该系统利用碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧所产生的热能对燃烧器外壁面进行加热，然后高温壁面辐射出能量足够被光电池吸收的光子，从而产生电能。
但是，在微尺度燃烧条件下，由于受到燃料驻留时间短、大面容比造成热损失过大等因素的制约，使得该装置的能量转换效率还不够高，目前仍无法运用到实际工程中。微型燃烧器作为微型热光电系统的核心部件，如何实现其内部稳定的燃烧过程和较高的壁面温度将显著影响系统的能量输出。因此，对其结构的优化设计具有重要的作用。现阶段，在传统的圆柱式和平板式微型燃烧器的基础上，研究人员做了大量改进和设计工作。例如，申请号为201310540863.3（专利名称为“一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器”）和200910031281.6（专利名称为“一种带有预热通道的微平行板燃烧器”）所公开的燃烧器分别采用填充多空介质和回热的方式以提高系统的能量输出。尽管这类燃烧器的燃料驻留时间有所延长，但是也存在着一些缺陷，即混合气燃烧时的空间利用率不高，壁面温度分布的均匀性还不够，结构较为复杂。
因此，一款设计合理的燃烧器，在确保燃烧充分稳定的条件下，又要使燃烧器空间得到充分高效利用，从而获得温度高且分布均匀的辐射面，以保证微型热光电系统具有良好的输出性能。
发明内容
本发明旨在根据微型热光电系统的工作要求以及微尺度燃烧的特点，提出一种可实现高效稳定燃烧的双层回热式微型燃烧器。
本发明采用以下技术手段以实现上述目的：
一种双层回热式微型燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括燃烧器壁、横向导热隔板、纵向导热隔板、进气口和出气口，所述燃烧器壁分为上下、左右四壁和前壁；所述燃烧器前壁右侧设置有矩形通孔；
所述燃烧器内部设有横向导热隔板和纵向导热隔板；
所述横向导热隔板宽度与燃烧器宽度相等，中间位置设有一长度短于燃烧器长度且开口朝向前壁方向的狭缝；所述狭缝将横向导热隔板分割成两侧，靠前壁右侧矩形通孔的一侧长度与燃烧器长度相等，另一侧长度短于燃烧器长度；
所述纵向导热隔板位于燃烧器内部中间位置沿狭缝长度方向设置，与前壁固定连接；
所述横向导热隔板和纵向导热隔板将燃烧器前壁右侧矩形通孔隔开分别形成进气口和出气口；
所述燃烧器横向导热隔板、纵向导热隔板和燃烧器前侧壁及左侧壁形成连接上下空间的矩形孔；
所述横向导热隔板与燃烧器上下两壁将燃烧器均分成上下两个空间区域；
所述纵向导热隔板与燃烧器左右两壁将燃烧器均分成左右两个空间区域；
所述燃烧器壁、横向导热隔板和纵向导热隔板均为实心体；
所述横向导热隔板、纵向导热隔板与燃烧器壁相互之间均为固定连接；
所述燃烧器壁、横向导热隔板和纵向导热隔板的材质为铜钨合金（CuW80）。
整个燃烧器外观呈长方体结构，导热隔板的横向、纵向布置使燃烧器内部空间分成上下两层，且每层又左右对称分布的共4个区域。工作时，燃料和氧化剂经过混合器的充分预混后，将首先通过燃烧器的入口进入其内部空间，混合气一边经过上层通道绕回下层通道，一边燃烧生成燃烧产物，最后废气再从燃烧器下层通道的出口排至装置外。
本发明的技术优点在于：
（1）上下双层通道的实现，使燃烧器的空间得到大幅利用，壁面温度的均匀性亦得到提高；
（2）导热隔板的设置使未燃气体得到来自横向和纵向的双向预热，能量的利用率显著提升；
（3）此外，混合气经过三次绕流，其滞留时间大大延长，从而使得混合气燃烧更加充分，同时更多的热量能被壁面吸收。
在以上几方面的综合作用下，相对于传统的燃烧器，采用该燃烧器后，预混合气的燃烧效率会得到很大的提高，不仅可以改善微尺度燃烧过程中的充分性和稳定性，而且可以扩大混合气的稳燃流速范围，同时亦通过降低排气温度实现了能量的综合利用。从而带来燃烧器外表面辐射能量“质”和“量”的飞跃。
附图说明
图1为双层回热式微型燃烧器结构示意图；
其中，1.燃烧器外壁，2.横向导热隔板，3. 纵向导热隔板，4. 进气口，5. 出气口；
具体实施方法
如图1所示的双层回热式微型燃烧器，包括：1.燃烧器外壁，2.横向导热隔板，3.纵向导热隔板，4.进气口，5.出气口。
本发明所述的一种双层回热式微型燃烧器，包括燃烧器壁1、横向导热隔板2、纵向导热隔板3、进气口4和出气口5，所述燃烧器壁1分为上下、左右四壁和前壁；所述燃烧器前壁右侧设置有矩形通孔；
所述燃烧器内部设有横向导热隔板2和纵向导热隔板3；
所述横向导热隔板2宽度与燃烧器宽度相等，中间位置设有一长度短于燃烧器长度且开口朝向前壁方向的狭缝；所述狭缝将横向导热隔板2分割成两侧，靠前壁右侧矩形通孔的一侧长度与燃烧器长度相等，另一侧长度短于燃烧器长度；
所述纵向导热隔板3位于燃烧器内部中间位置沿狭缝长度方向设置，与前壁固定连接；
所述横向导热隔板2和纵向导热隔板3将燃烧器前壁右侧矩形通孔隔开分别形成进气口4和出气口5；
所述燃烧器横向导热隔板2、纵向导热隔板3和燃烧器前侧壁及左侧壁形成连接上下空间的矩形孔；
所述横向导热隔板2与燃烧器上下两壁将燃烧器均分成上下两个空间区域；
所述纵向导热隔板3与燃烧器左右两壁将燃烧器均分成左右两个空间区域；
所述燃烧器壁1、横向导热隔板2和纵向导热隔板3均为实心体；
所述横向导热隔板2、纵向导热隔板3与燃烧器壁1相互之间均为固定连接；
所述燃烧器壁1、横向导热隔板2和纵向导热隔板3的材质为铜钨合金（CuW80）。
在本发明中，微尺度燃烧器外观呈长方体结构，首先用电火花的方法将一个钨铜合金块（CuW80）加工成内部为矩形通道结构，且中间有纵向导热隔板3的长方体方块，其中该立体结构无后侧壁面，并形成燃烧器外壁1，其外观尺寸为：长度为23.5mm（y方向），宽度为9mm（x方向），整体高度为4mm（z方向），壁面厚度均为0.5mm。纵向导热隔板3长度为18mm，宽度为0.5mm，高度则为3mm，并且布置于矩形通道中间位置，即距离左、右侧内壁面均为4mm。随后，采用线切割的方式，在该长方体方块前侧壁面的右侧切割出矩形通孔。该矩形通孔宽度为3.75mm，高度为3mm。另外，采用同样的线切割方法，对一块相同材料的长度为24mm，宽度为8mm，高度为4mm的钨铜合金方块切割成附有横向导热隔板2的后侧壁面结构。后侧壁面厚度亦为0.5mm，横向导热隔板2位于后侧壁面中间处。其中，横向导热隔板2宽度为8mm，厚度为0.5mm，长度方向上，靠近矩形通孔一侧长度为23.5mm，而另一侧长度为18mm，两侧被长度为13mm，宽度和高度均为0.5mm的狭缝隔开。最后，将附有横向导热隔板2的后侧壁面结构沿长度方向插入长方体方块，即纵向导热隔板3沿狭缝插入横向导热隔板2，最后将后侧壁面结构与长方体方块组装在一起，并相成上下两个通孔，上方为进气口4，下方为出气口5。随后采取激光焊接的方法，将二者焊接固定在一起。最终形成具有上下左右四个空间区域的平板式微型燃烧器。
工作时，通过质量流量计的控制，碳氢燃料从高压气瓶出来后经减压阀减压，在混合器中与由压缩机产生的空气充分混合后形成预混合气，并由铜制导管经喷嘴喷入微型燃烧器中燃烧，混合气经过三次绕流后，由上层通道进入下层通道，最后排出装置外。
综上分析，本发明的微型燃烧器性能整体上比起常规微型燃烧器更好，大大提高了混合气的滞留时间及稳燃流速范围，使壁面温度不但有所上升，而且分布也更加均匀，可使壁面辐射能力增强，整个微型热光电转换装置的效率得到了提高，另外该装置结构设计较简单，具有一定的实用价值。
Claims (4)
1.一种双层回热式微型燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括燃烧器壁（1）、横向导热隔板（2）、纵向导热隔板（3）、进气口（4）和出气口（5），所述燃烧器壁（1）分为上下、左右四壁和前壁；所述燃烧器前壁右侧设置有矩形通孔；
所述燃烧器内部设有横向导热隔板（2）和纵向导热隔板（3）；所述横向导热隔板（2）宽度与燃烧器宽度相等，中间位置设有一长度短于燃烧器长度且开口朝向前壁方向的狭缝；所述狭缝将横向导热隔板（2）分割成两侧，靠前壁右侧矩形通孔的一侧长度与燃烧器长度相等，另一侧长度短于燃烧器长度；
所述纵向导热隔板（3）位于燃烧器内部中间位置沿狭缝长度方向设置，与前壁固定连接；
所述横向导热隔板（2）和纵向导热隔板（3）将燃烧器前壁右侧矩形通孔隔开分别形成进气口（4）和出气口（5）；
所述燃烧器横向导热隔板（2）、纵向导热隔板（3）和燃烧器前侧壁及左侧壁形成连接上下空间的矩形孔；
所述横向导热隔板（2）与燃烧器上下两壁将燃烧器均分成上下两个空间区域；所述纵向导热隔板（3）与燃烧器左右两壁将燃烧器均分成左右两个空间区域。
2.根据权利要求1所述的一种双层回热式微型燃烧器，其特征在于，所述燃烧器壁（1）、横向导热隔板（2）和纵向导热隔板（3）均为实心体。
3.根据权利要求2所述的一种双层回热式微型燃烧器，其特征在于，所述横向导热隔板（2）、纵向导热隔板（3）与燃烧器壁（1）相互之间均为固定连接。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的一种双层回热式微型燃烧器，其特征在于，所述燃烧器壁（1）、横向导热隔板（2）和纵向导热隔板（3）的材质为铜钨合金（CuW80）。
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