CN105402725A - 一种用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，包括点火装置、外套筒、内套筒和上面板；内套筒位于外套筒中，上面板设置在外套筒的顶端上；内套筒呈下端大的喇叭状结构，内套筒的下端设置多孔底板，内套筒的下部圆周壁为多孔壁，内套筒内为预热预混腔，内套筒与外套筒之间形成燃烧室，预热预混腔与燃烧室通过多孔壁和多孔底板相通；上面板上设有排气口、空气进气口和燃料进气口。本发明采用多孔材料多面进气，使温度场更均匀，燃烧得到强化进而提高装置功率，独特的燃烧室壁面设计使整个壁面得到的热量更多、更均匀、且能稳定应对细微的进气脉动和燃烧脉动，同时，渐缩型孔径的多孔材料设计也避免了常规多孔材料的回火，回流问题。

Description

一种用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置

技术领域

本发明涉及一种适用于微热光电系统和微型热电系统的微型燃烧器，尤其涉及一种预热预混腔与燃烧室同时渐扩用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置。

背景技术

微尺度燃烧是随着MEMS(微机电系统)技术的发展而提出的，它的燃烧通常在低于1cm³的容积内发生。微尺度燃烧的发电原理为:微尺度燃烧器产生高温烟气带动热机做功发电，或通过热电材料直接转换获得电力以及通过光电材料发电，应用领域涉及微型飞行器、微型卫星推进系统、军事单兵作战等多个方面。和常规供电系统相比，微尺度燃烧发电具有价格低廉、保存期限长、电压稳定、能量密度高和再次添加燃料方便等优点。同时，由于微尺度燃烧器并不仅仅是简单的对传统燃烧器在尺度上按比例缩小，当其应用到微热光电系统和微型热电系统时的主要问题是：一、壁面与烟气的换热效果差，且壁面得到的热量不够均匀，导致壁面温度分布不均；二、进气流量、燃烧工况、散热等因素变化容易导致壁面温度不稳定、波动，从而造成能量输出的不稳定性；三、燃烧器空间太小，导致反应气体的停留时间短，燃烧不够充分且燃烧效率低；四、气体预混预热不够充分，反应时间较短；五、现有燃烧器进气面小从而造成大流量要求下的进气流速过高，容易导致吹熄熄火现象，现有燃烧器较小的进气面无法解决高功率燃烧器中存在的流速和吹熄之间的矛盾。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足，如微热光电系统中微型燃烧器的壁面温度低且不均匀，进气预混占用空间大，预混预热效果差且进气温度低，进气面积小，气体在装置内的停留时间短，烟气与壁面换热效果差等问题，本发明提供了一种高效节能的用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，包括点火装置、外套筒、内套筒和上面板；所述内套筒位于外套筒中，且内套筒与外套筒共轴设置；所述外套筒的底端设置密封板，所述上面板设置在外套筒的顶端上并与外套筒密封配合；所述内套筒呈下端大的喇叭状结构，所述内套筒的下端设置多孔底板，所述内套筒的下部圆周壁为多孔壁，所述内套筒的上端口与上面板密封连接；所述内套筒内为预热预混腔，所述内套筒与外套筒之间形成燃烧室，所述预热预混腔与燃烧室通过多孔壁和多孔底板相通；所述多孔底板由四块呈十字形布置的支撑架支撑在外套筒的底部密封板上，所述上面板上设有与燃烧室内相通的排气口，所述上面板上且位于内套筒的上端口圆周方向的上方设置与预热预混腔内相通的空气进气口和燃料进气口；所述点火装置设置在多孔底板与外套筒的底部密封板之间。

作为本发明的一种优选方案，所述空气进气口和燃气进气口位于内套筒的开口处且指向内套筒的中部，所述空气进气口和燃气进气口与上面板均呈60度夹角。

作为本发明的另一种优选方案，所述内套筒的上部横截面上设置均流网，所述均流网位于空气进气口和燃气进气口的下方。

作为本发明的一种改进方案，所述多孔壁上孔的孔径和多孔底板上孔的孔径沿气体流动方向逐渐缩小。

作为本发明的另一种改进方案，四块呈十字形布置的支撑架布置于外套筒的底部密封板上并以底部密封板的中心成十字形对称分布。

作为本发明的进一步改进方案，所述外套筒的内表面具有多条倾斜布置的S形肋片，所述外套筒采用蓄热性能强且辐射率高的材料制成，所述内套筒采用传热材料制成。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1、进气通道在内套筒开口处呈60度角度交叉布置，燃气和空气沿管道进入后可形成交叉气流，增强预混效果，减少外部预混装置，使整体微型燃烧器装置体积减小，同时，均流网的采用，使交叉预混的预混气更加均匀的扩散到下部多孔材料预热预混腔，保证进入燃烧室的预混气流更加均匀。

2、内套筒的设置有效利用了燃烧室的热量，借用燃烧室传导的热量预热预混气体，提高预混气体的初始温度，降低气体着火难度，提高燃烧效率。

3、预混气体从内套筒下部分的多孔壁周向及轴向均匀扩散进入燃烧室燃烧，在多孔壁外表面形成稳定、均匀的火焰面,使火焰以及温度分布更加均匀;在预混气不断从多孔壁渗透到燃烧室的过程中，附着于多孔壁外表面的低温薄层气膜有效的隔断了高温火焰与内套筒壁面的直接接触,不仅避免了高温对内套筒的烧蚀,其维持的低壁面温度也有效预热预混气流回火现象的发生。

4、“二段式”内套筒的设计是为达到以下多重效果；上部非多孔材料段是为了防止未充分混合的气体进入燃烧室，减少由于混合不充分，排气过快而带来的燃料浪费与损失。同时，下部多孔壁和多孔底板用于轴向及周向连通预热预混腔和燃烧室，为预混预热气的扩散提供通道，达到多面均匀进气的目的。

5、本发明采用的多孔壁和多孔底板的孔沿流动方向呈渐缩式结构，不同于常规的等直径孔，较好地避免了气体回流以及回火问题。

6、燃烧室和预热预混腔同时渐扩的结构有助于降低气流速度，延长气体的停留时间。预热预混腔渐扩使进气流速逐渐减慢，有利于气体的充分混合和预热，同时也利于燃料更均匀的扩散到整个燃烧室空间；燃烧室渐扩使燃气流速逐渐减慢，不仅助于延长燃烧反应时间，达到气体的充分燃烧，提高燃烧效率，增加微热光电系统中的热能供应；也巧妙的避免了由于流速过大造成的吹熄问题，同时也利于燃料更均匀的扩散到整个燃烧室空间，达到更均匀的燃烧，形成更均匀的温度场，使外壁面的温度更高且更均匀。

7、本发明外套筒内壁面上倾斜布置有S形肋片，使得高温烟气与外套筒壁面对流换热的接触面积大幅增加；S形肋片的存在，一定程度上增强了气体在通道内的扰动和冲刷，延长了气体的停留时间，保证了更多的热量被固体壁面所吸收，从而使更多的燃烧热能转化为燃烧器外壁面的辐射能，提高燃烧器外壁面辐射能输出总量。

8、本发明外套筒壁面材料采用蓄热性能强且辐射率高的材料，一方面有利于更高效的将热能转化为辐射能，另一方面，壁面较好的蓄热性能可以保证外套筒壁面温度维持在一个相对稳定的水平，不仅能降低外界条件波动带来的影响，保证能量输出的稳定性，而且也避免了壁面温度过低影响内部燃烧室的温度场，有利于燃烧室内的燃烧稳定。

附图说明

图1为用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置的剖面结构示意图；

图2为用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置的俯视图；

图3为图1沿B-B方向的剖面俯视图；

图4为均流网的结构示意图；

图5为外套筒的内表面侧向展开示意图。

附图中，1—空气进气口；2—燃料进气口；3—均流网；4—上面板；5—内套筒；6—多孔壁；7—外套筒；8—排气口；9—点火装置；10—支撑架；11—燃烧室；12—预热预混腔；13—S形肋片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1、图2和图3所示，一种用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，包括点火装置9、外套筒7、内套筒5和上面板4。内套筒5位于外套筒7中，且内套筒5与外套筒7共轴设置。外套筒7的底端设置密封板，上面板4设置在外套筒7的顶端上并与外套筒7密封配合。内套筒5呈下端大的喇叭状结构，内套筒5的下端设置多孔底板，内套筒5的下部圆周壁为多孔壁6，内套筒5的上端口与上面板4密封连接。内套筒5内为预热预混腔12，内套筒5与外套筒7之间形成燃烧室11，预热预混腔12与燃烧室11通过多孔壁6和多孔底板相通。多孔底板由四块呈十字形布置的支撑架10支撑在外套筒7的底部密封板上（四块呈十字形布置的支撑架10布置于外套筒7的底部密封板上并以底部密封板的中心成十字形对称分布），上面板4上设有与燃烧室11内相通的排气口8，上面板4上且位于内套筒5的上端口圆周方向的上方设置与预热预混腔12内相通的空气进气口1和燃料进气口2，空气进气口1和燃气进气口2位于内套筒5的开口处且指向内套筒5的中部，空气进气口1和燃气进气口2与上面板4均呈60度夹角。点火装置9设置在多孔底板与外套筒7的底部密封板之间。

内套筒5的上部横截面上设置均流网3，均流网的结构如图4所示，均流网3位于空气进气口1和燃气进气口2的下方，中间有微小空隙，便于进气的充分预混。均流网3以下的预热预混腔部分的多孔壁6采用多孔材料，其多孔材料一般由陶瓷，铜或不锈钢至少其中之一的粉末烧结而成。多孔壁6上孔的孔径和多孔底板上孔的孔径沿气体流动方向逐渐缩小，多孔呈现渐缩结构，多孔壁6将燃烧室11与预热预混腔12周向连通，多孔底板将燃烧室11与预热预混腔12轴向连通。

整个外套筒7包围内套筒5，其夹层空腔形成燃烧室11，由于外套筒7为圆柱形，内套筒5为渐扩的喇叭状结构，使得燃烧室11从进气到排气的流动空间大致呈渐扩形。同时，燃烧室11设计于预热预混腔12外部明显增大了燃烧室11的体积。由于本装置主要针对应用于微热光电系统，其主要目的是增大外套筒11的温度和辐射能，因此外套筒7的内表面加设了多条倾斜布置的S形肋片13，用于加强燃烧室11和外套筒7的换热，其具体S形肋片布置方式可参照附图5。换热后的尾气从上面板4上开的排气口8排出外部尾气收集管道。外套筒7采用蓄热性能强且辐射率高，易于切割和加工的的材料（可选择碳化硅等材料）制成，内套筒5采用传热材料制成。

预热预混腔12呈喇叭状结构，预热预混腔12和燃烧室11同时呈渐扩形，燃烧室11沿气体进入燃烧到排气的流动空间呈渐扩结构，燃烧室11的空间包围整个预热预混腔12，沿气体进入混合到扩散进燃烧室11的流动空间呈渐扩结构。内套筒5材料及结构分成“二段式”，靠近空气进气口1和燃气进气口2的部分壁面为常规渐扩段，剩余的大部分采用多孔材料，轴向及周向连接预热预混腔12和燃烧室11。

工作时，空气和燃料分别从空气进气口1和燃料进气口2进入预热预混腔12，由于两进气管道的交叉布置，两股气流会在进入后交叉形成初步预混，初步预混后经过均流网3，同时，使混合气流更加均匀的扩散到预热预混腔12的下部继续预混。在整个进气流动中，混合气借助燃烧室11传过来的热量充分预热，温度得以提升。预热预混气透过多孔壁6和内套筒5下端的多孔底板6多向扩散进入燃烧室11，在燃烧室11中，点火装置9点火，预热预混气着火燃烧，由于燃烧室11呈渐扩结构，预热预混气燃烧过程中速度逐渐降低，燃烧更加均匀，更加充分，而且不用担心吹熄的问题，燃烧过程中将气体的热量传导给外套筒7，提高外套筒7的温度，使温度更高更均匀，高效完成化学能转化为热能的过程，再借助外壁面材料的优良辐射能力，高效将热能转化为辐射能，然后发射光子，激发产生电子。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，其特征在于：包括点火装置（9）、外套筒（7）、内套筒（5）和上面板（4）；所述内套筒（5）位于外套筒（7）中，且内套筒（5）与外套筒（7）共轴设置；所述外套筒（7）的底端设置密封板，所述上面板（4）设置在外套筒（7）的顶端上并与外套筒（7）密封配合；所述内套筒（5）呈下端大的喇叭状结构，所述内套筒（5）的下端设置多孔底板，所述内套筒（5）的下部圆周壁为多孔壁（6），所述内套筒（5）的上端口与上面板（4）密封连接；所述内套筒（5）内为预热预混腔（12），所述内套筒（5）与外套筒（7）之间形成燃烧室（11），所述预热预混腔（12）与燃烧室（11）通过多孔壁（6）和多孔底板相通；所述多孔底板由四块呈十字形布置的支撑架（10）支撑在外套筒（7）的底部密封板上，所述上面板（4）上设有与燃烧室（11）内相通的排气口，所述上面板（4）上且位于内套筒（5）的上端口圆周方向的上方设置与预热预混腔（12）内相通的空气进气口（1）和燃料进气口（2）；所述点火装置（9）设置在多孔底板与外套筒（7）的底部密封板之间。

2.根据权利要求1所述的用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，其特征在于：所述空气进气口（1）和燃气进气口（2）位于内套筒（5）的开口处且指向内套筒（5）的中部，所述空气进气口（1）和燃气进气口（2）与上面板（4）均呈60度夹角。

3.根据权利要求2所述的用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，其特征在于：所述内套筒（5）的上部横截面上设置均流网（3），所述均流网（3）位于空气进气口（1）和燃气进气口（2）的下方。

4.根据权利要求3所述的用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，其特征在于：所述多孔壁（6）上孔的孔径和多孔底板上孔的孔径沿气体流动方向逐渐缩小。

5.据权利要求4所述的用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，其特征在于：四块呈十字形布置的支撑架（10）布置于外套筒（7）的底部密封板上并以底部密封板的中心成十字形对称分布。

6.根据权利要求5所述的用于微热光电系统的微型弥散式燃烧装置，其特征在于：所述外套筒（7）的内表面具有多条倾斜布置的S形肋片（13），所述外套筒（7）采用蓄热性能强且辐射率高的材料制成，所述内套筒（5）采用传热材料制成。