CN108131670A - 一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器 - Google Patents

一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器 Download PDF

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Abstract

本发明属于气体扩散燃烧技术领域，并具体公开了一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，包括设置在基板上的燃烧器本体及上盖板，燃烧器本体包括第一燃烧室、第二燃烧室、第一排气通道、第二排气通道、燃料通道和氧化剂通道，第一燃烧室和第二燃烧室入口对称分布在燃烧器中心上下两侧，出口分别与第一排气通道和第二排气通道相连，燃料通道和氧化剂通道出口对称分布在燃烧器中心左右两侧，并在燃烧器中心处连通，燃料通道、第一排气通道、氧化剂通道和第二排气通道均为螺旋形，且间隔布置。本发明具有混合效果好、稳燃范围宽、燃烧效率高、能量利用率高等优点，可适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。

Description

一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器
技术领域
本发明属于气体扩散燃烧技术领域，具体为一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，尤其适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。
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、微型推进系统等微小型电子设备。目前，这些设备的能量来源主要是化学电池，然而化学电池的能量密度比较低，体积和重量也较大。碳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非常巨大的应用前景。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、微热光伏系统和微热电系统等，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非预混燃烧。预混燃烧由于燃料和氧化剂在进入燃烧器之前已经进行了充分混合，完全燃烧需要的时间一般来说是足够的，影响其火焰稳定性的主要因素是散热损失。为此，研究者们提出了热循环结构(例如，瑞士卷燃烧器)、催化燃烧、钝体和凹腔稳燃器等各种不同的稳燃技术，取得了较好的效果。
由于微小型燃烧器主要应用于各种便携式设备中，因此保证安全是首要问题。为了防止发生回火危险，应该优先采取燃料和氧化剂非预混的燃烧方式。但是由此会带来一个新的问题，即燃料和氧化剂混合不均导致反应不充分、燃烧效率低、以及火焰不稳定。现有的非预混燃烧器结构设计一般采用简单的平行进气通道或者Y形进气通道，例如，Ju等(Xu B,Ju Y.Studies on non-premixed flame streets in a mesoscalechannel.Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(1):1375-1382)以及Miesse等(Miesse C,Masel R I,Short M,et al.Diffusion flame instabilities in a0.75mm non-premixed microburner.Proceedings of the Combustion Institute,2005,30(2):2499-2507)分别采用了这两种方法，他们在实验中均发现了所谓的“火焰街”，即多个小火焰沿着燃烧室入口到出口离散分布的现象，显然，这是由于燃料和氧化剂混合不充分而引起的；除此之外，微小型扩散燃烧器跟预混燃烧一样，面临散热损失比例大的问题。以上几个方面的原因使得微尺度下的非预混燃烧实现起来具有很大的难度，一直没有太多的应用实例。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微小型瑞士卷燃烧器，其将瑞士卷结构应用于非预混燃烧器设计中，通过对各通道及燃烧室的具体布置方式及结构的研究与设计，以提供一种混合效果好、稳燃范围宽、燃烧效率高、能量利用率高的非预混瑞士卷燃烧器，具有结构简单、适用性强等优点，可适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。
为实现上述目的，本发明提出了一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其包括设置在基板上的燃烧器本体以及设置在燃烧器本体上方的上盖板，该燃烧器本体包括第一燃烧室、第二燃烧室、第一排气通道、第二排气通道、燃料通道和氧化剂通道，其中，所述第一燃烧室和第二燃烧室的入口对称分布在燃烧器中心的上下两侧，出口分别与第一排气通道和第二排气通道相连，所述燃料通道和氧化剂通道的出口对称分布在燃烧器中心的左右两侧，并且在燃烧器中心处连通，所述燃料通道、第一排气通道、氧化剂通道和第二排气通道均为螺旋形，并且间隔布置。
作为进一步优选的，所述第一燃烧室和第二燃烧室的入口为渐扩形结构。
作为进一步优选的，所述第一排气通道和第二排气通道的宽度相等，所述燃料通道和氧化剂通道的宽度相等，所述第一燃烧室和第二燃烧室的宽度相等，且大于燃料通道的宽度。
作为进一步优选的，所述第一燃烧室、第二燃烧室、第一排气通道、第二排气通道、燃料通道和氧化剂通道由基板直接加工获得。
作为进一步优选的，整个燃烧器采用陶瓷材料或耐热不锈钢制成。
作为进一步优选的，所述基板的底部和上盖板为平板结构。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明的燃料通道和氧化剂通道末端对向分布，形成对冲结构，能起到初步混合的作用。
2.本发明的两个燃烧室入口的渐扩形结构能形成回流区，利用涡旋的卷吸作用进一步促进燃料与氧化剂之间的混合，同时回流区能够稳定火焰。
3.在本发明的瑞士卷结构中，燃料和氧化剂的流向与两股烟气的流向相反(即，逆向流动)，能够起到强化换热的作用，从而充分利用燃烧后烟气的热量，以预热未燃气体，减少排气热损失，提高火焰稳定性。
4.本发明可以在非常低的燃料速度以及名义当量比下维持稳定燃烧，因此，有着非常广泛的壁温调节范围和功率输出范围，壁温调节范围可达400K～1250K，燃烧效率达到92％以上，甚至高达99％以上。
5.本发明的主要热输出表面(即基板、上盖板)为平板结构，易于贴合各种热电转换装置。
6.本发明的各通道呈中心对称分布情况，降低了加工难度。
总之，本发明克服了现有技术的不足，不仅利用了热管理技术，减少排气热损失，提高能量利用率；而且在热循环结构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，也利用回流所产生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能量利用率，广泛适用于各种微小型系统。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种微小型瑞士卷燃烧器的二维结构示意图；
图2是本发明实施例提供的燃烧器本体的三维效果图；
图3是本发明在燃料进口速度为3m/s、1m/s和0.1m/s时，不同名义当量比下的燃烧效率；
图4是本发明在燃料进口速度为3m/s、1m/s和0.1m/s时，不同名义当量比下的上盖板外壁面最高温度。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。
本发明实施例提供的适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其是在耐高温的基板上加工出燃料通道、氧化剂通道和两个燃烧室以及两个排气通道，燃料和氧化剂分别由燃料通道和氧化剂通道通入，燃料和氧化剂气流在燃烧器中心发生对冲，初步混合后进入两侧的燃烧室，并在燃烧室中进一步混合、并发生燃烧，燃烧的烟气则分别由两个排气通道排出，其中燃料和氧化剂气流与烟气逆向流动，通过相邻通道之间的隔板进行换热，实现对未燃气体的预热作用，燃烧器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，若用于较低速度燃烧还可以选择耐热不锈钢(SUS316)等金属材料。
如图1、图2所示，本发明提供的微小型燃烧器包括设置在基板上的燃烧器本体以及设于燃烧器本体上方的上盖板，其中基板和上盖板均为平板结构，用于对燃烧器本体的各通道及燃烧室进行封装，该燃烧器本体包括燃料通道1、氧化剂通道2、第一燃烧室5、第二燃烧室6、第一排气通道3和第二排气通道4，制备时燃料通道1、氧化剂通道2、第一燃烧室5、第二燃烧室6、第一排气通道3和第二排气通道4由基板材料直接加工获得，例如在基板上直接铣出各个通道及燃烧室，使得燃料通道1与氧化剂通道2，第一燃烧室5与第二燃烧室6，第一排气通道3与第二排气通道4，均呈中心对称分布，并且燃料通道1、第一排气通道3、氧化剂通道2和第二排气通道4均为螺旋形可为方形螺旋、圆形螺旋等，且相间隔布置，以此形成瑞士卷结构，各通道中的气流逆向流动，由此可以达到良好的热循环作用，所述燃料通道1和氧化剂通道2的末端即出口端在燃烧器中心处连通，形成一个对冲结构，强化燃料与氧化剂的混合，初步混合后的气体进入两侧的燃烧室。具体的，两个燃烧室入口流道为渐扩形喷嘴结构，如此可形成回流区，进一步促进燃料与氧化剂之间的混合，同时提高火焰稳定性。
由于本发明良好的热循环性能，其排气热损失非常低，主要的热量由燃烧器基板和上盖板导出，非常适合为微型热电装置或者热光伏系统提供热源。同时，由于本发明可以在非常低的燃料流速下形成稳定的火焰，因此，本发明也适合作为温度要求较低的微小型加热器。
具体的，第一排气通道、第二排气通道、燃料通道、氧化剂通道、第一燃烧室以及第二燃烧室各个之间通过耐高温的隔板隔开，该隔板即为基板材料，且各通道及燃烧室高度相等，第一排气通道、第二排气通道、燃料通道和氧化剂通道宽度相等，优选为1～5mm(若燃料为氢气)，第一燃烧室和第二燃烧室的宽度相等，且大于燃料通道的宽度，并优选比燃料通道的宽度宽1～5mm。通过改变通道高度、通道宽度、隔板厚度、盖板厚度、通道拐点的圆角、以及通道包围圈数，可进一步提高燃料与氧化剂之间的混合效果、热循环效果、以及稳燃效果。
以下为具体实施例：
本实施例采用氢气为燃料，空气为氧化剂，燃料通道和氧化剂通道的宽度为2mm，两个燃烧室的结构相同，宽度均为3mm，两个排气通道结构相同，宽度均为2mm，燃烧室及各通道的高度均为3mm，燃烧室及各通道的隔板的壁厚均为1mm，基板和上盖板厚度1mm，整个燃烧室尺寸为41mm×41mm×5mm。整个燃烧器(即基板、各个通道、各个燃烧室和上盖板)均采用SUS316材料制成，其常温下的密度、比热容、导热系数和法向发射率分别为7980kg/m3、502J/(kg·K)、16.2W/(m2·K)和0.65，应用通用的CFD计算软件Fluent6.3，对燃烧器在不同工况下的燃烧特性进行了数值模拟，结果如图3和图4所示，其中横坐标为理想混合情况下燃料/空气混合物的名义当量比。
图3给出了本发明分别在燃料进口速度为3m/s、1m/s和0.1m/s的情况时，不同名义当量比下的燃烧效率。从图3可以明显看出，本发明在1m/s的燃料进口速度下燃烧效率均高达99％，在3m/s和0.1m/s燃料进口速度下也有92％以上的燃烧效率，且通过对空气进口速度的调整后，均可达到98％以上的燃烧效率。图4给出了本发明分别在燃料进口速度为3m/s、1m/s和0.1m/s的情况时，不同名义当量比下的上盖板外壁面最高温度。从图4可以明显看出，首先，本发明可以使火焰在400K左右的壁温时仍稳定燃烧(燃料进口速度0.1m/s时)，此工况适合应用于各种加热装置；其次，通过增大燃料进口速度，本发明中外壁面温度可以上升到900K甚至更高的温度，而在Qiu和Hayden等人(Qiu K,Hayden A C S.IntegratedThermoelectric Generator and Application to Self-Powered HeatingSystems.International Conference on Thermoelectrics.IEEE,2006:198-203)设计的热电装置中，燃烧器壁面的温度在800K～1000K范围内，由于过高的壁温会对壁面材料产生不良影响，他们在研究中也建议热电装置中壁温最好小于1300K～1550K。由此可见，本发明在1m/s的燃料进口速度工况时，可以很好适用于各种热电系统，而在燃料进口速度为3m/s时，外壁温可以达到1200K，此工况适合用于各种热光伏系统。由于本发明良好的混合效果和热循环效果，能够实现对壁温的宽范围调控，可以很好的满足各种热电、热光伏以及加热器的壁温需求，同时本发明的热输出表面为平板形结构，易于贴合其他微小型装置。
本发明的燃料通道和氧化剂通道与两个排气通道相间隔布置，逆向流动，燃料和氧化剂在通向燃烧室的途中，被排气通道内的高温气体预热，在燃烧器中心处进行对冲混合，然后分别进入两侧的燃烧室内进行燃烧，能够有效实现燃料和氧化剂的充分混合和稳定火焰，获得较高的燃烧效率和很宽的温度调控范围，广泛适用于各种微小型动力系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其特征在于，包括设置在基板上的燃烧器本体以及设置在燃烧器本体上方的上盖板，该燃烧器本体包括第一燃烧室(5)、第二燃烧室(6)、第一排气通道(3)、第二排气通道(4)、燃料通道(1)和氧化剂通道(2)，其中，所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(6)的入口对称分布在燃烧器中心的上下两侧，出口分别与第一排气通道(3)和第二排气通道(4)相连，所述燃料通道(1)和氧化剂通道(2)的出口对称分布在燃烧器中心的左右两侧，并且在燃烧器中心处连通，所述燃料通道(1)、第一排气通道(3)、氧化剂通道(2)和第二排气通道(4)均为螺旋形，并且间隔布置。
2.如权利要求1所述的适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其特征在于，所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(6)的入口为渐扩形结构。
3.如权利要求1或2所述的适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其特征在于，所述第一排气通道(3)和第二排气通道(4)的宽度相等，所述燃料通道(1)和氧化剂通道(2)的宽度相等，所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(6)的宽度相等，且大于燃料通道的宽度。
4.如权利要求1所述的适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其特征在于，所述第一燃烧室(5)、第二燃烧室(6)、第一排气通道(3)、第二排气通道(4)、燃料通道(1)和氧化剂通道(2)由基板直接加工获得。
5.如权利要求4所述的适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其特征在于，整个燃烧器采用陶瓷材料或耐热不锈钢制成。
6.如权利要求1-5任一项所述的适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，其特征在于，所述基板的底部和上盖板为平板结构。
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