CN109237470B - 一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器及其燃烧方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微型液体燃料燃烧装置，公开了一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，包括燃烧室、上密封板、下密封板和进气管道，上、下密封板用于密封燃烧室，所述燃烧室开有第一进气口和第一排气口，所述进气管道的一端贯穿第一进气口至燃烧室的内部，所述燃烧室的内部设有进料管道和燃烧器，所述进料管道的一端位于燃烧器的内部，且所述燃烧器的底端与进料管道的中部连接，所述进料管道的另一端贯穿下密封板，本发明还提供了一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的燃烧方法，其有益效果在于：增大液体燃料表面积，使其与空气充分混合，同时加速液体燃料的蒸发，使燃烧能够稳定高效进行。
Description
技术领域
本发明涉及微型液体燃料燃烧装置，具体涉及一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器及其燃烧方法。
背景技术
近年来，基于不断涌现的微小型飞行器、单兵作战系统、微小型机器人以及各种便携式的电子设备等对动力的迫切需求，大多数设备由传统的化学电池驱动转向对以能量密度远远高于锂电池能量密度的液体碳氢化合物为燃料的微型燃烧动力装置的研究，如果能够使其稳定，高效的燃烧，基于燃烧的微小型动力装置就具有极大的竞争力，同时液体碳氢燃料充分燃烧后的产物是水和二氧化碳，大大降低了对环境造成的压力，故而微型液体燃烧器的研究与开发也就成了近年来科学领域重点关注的对象。
相较于传统燃烧过程，微小尺度燃烧主要面临着由于面体比相较于传统燃烧器增大了两个数量级所带来的巨大的散热损失；其次是由于几何尺寸较小，而化学反应时间不随质量流量或燃烧器容积而变化，燃料和空气混合物停留时间较短，导致燃烧不完全，使得燃料伴随尾气直接排出，降低了燃烧效率。液体燃料虽然能量密度高，但需要时间来进行蒸发以及与空气混合，由此也给微型液体燃烧器的结构设计带来一定的困难。因此，为了能够使得液体燃烧器能够稳定高效的燃烧，需要解决液体燃料快速蒸发并与空气充分混合的问题。
发明内容
本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，从而解决微型液体燃烧器长时间来所面临的液体燃料难以快速蒸发与空气充分混合等问题，本发明的另一目的在于提供了一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的燃烧方法。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，包括燃烧室、上密封板、下密封板、进气管道和点火器，所述上密封板密封于燃烧室的上端，所述下密封板密封于燃烧室的下端，所述燃烧室开有第一进气口和第一排气口，所述进气管道的一端贯穿第一进气口至燃烧室的内部，所述燃烧室的内部设有进料管道和燃烧器，所述燃烧器包括燃料柱和金属网格套筒，所述金属网格套筒底端开口，所述金属网格套筒套接于燃料柱，所述燃料柱的顶部密封，而所述燃料柱的侧壁开有多个出料孔，所述燃料柱的底端与进料管道固定连接，所述进料管道一端延伸至燃料柱的内部，所述进料管道与燃料柱之间形成排料腔，所述排料腔与出料孔连通，所述进料管道的另一端贯穿下密封板，所述进料管道的外壁与下密封板密封连接，所述点火器与金属网格套筒连接，所述点火器的引线穿过上密封板与外部高压电源连接。
进一步地，所述进气管道具有螺旋段，所述螺旋段套接于燃烧室的外壁，且所述螺旋段的壁面贴紧于燃烧室的外壁。
进一步地，所述燃烧器还包括多孔介质层，所述多孔介质层贴紧于燃料柱的侧壁，且所述多孔介质层与金属网格套筒之间具有间隙。
进一步地，所述金属网格套筒的表面涂有催化剂层。
进一步地，所述燃烧室、燃料柱、进料管道和进气管道均由不锈钢材料制成。
进一步地，还包括密封外筒，所述密封外筒套接于燃烧室的外侧，所述进气管道位于密封外筒与燃烧室之间，所述密封外筒的上端与上密封板连接，所述密封外筒的下端与下密封板连接，所述密封外筒开有第二进气口和第二排气口，所述进气管道的另一端贯穿第二进气口。
进一步地，所述第一进气口设置于燃烧室的侧壁下端，所述第一排气口设置于燃烧室的侧壁上端，所述第二进气口设置于密封外筒的侧壁上端，所述第二排气口设置于密封外筒的侧壁下端，所述第一排气口与第二排气口分别设置于燃烧器中轴线的两侧。
进一步地，所述密封外筒由碳化硅、陶瓷或石棉制成；所述上密封板由碳化硅、陶瓷或石棉制成；所述下密封板由碳化硅、陶瓷或石棉制成。
进一步地，第二排气口中安装有排气管道，所述排气管道采用不锈钢、陶瓷、碳化硅、氧化硅或者磷化硅制成。
一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的燃烧方法，包括如下步骤：
液体燃料通过微型注射泵经进料管道进入燃料柱内，并从燃料柱侧壁的出料孔喷射而出，经过多孔介质层分散后，吸热蒸发；高压气瓶中氧化剂经减压阀减压后通过进气管道进入燃烧室并形成旋流上升；开启点火器，点火器将液体燃料点燃，在旋流和金属网格套筒的蓄热和放热下，液体燃料快速蒸发，并与空气充分混合，使得火焰稳定依附于金属网格套筒；燃烧后的废气由燃烧室的第一排气口排出，废气流经燃烧室与密封外筒之间，并预热进气管道内的氧化剂，最后废气从第二排气口排出。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
1、本发明通过采用在燃料柱的侧壁上开有多个出料孔的结构，使其形成液体燃料出口，使得在相同流量下，液体燃料能够更为分散地向四周喷射而出，从而液体燃料的表面积增大，与空气能够更为充分混合，同时加速液体燃料的蒸发，使燃烧能够稳定高效进行；设有点火装置，使点火过程更方便，符合工程实际需要。
2、本发明中设有多孔介质层，当从燃料柱中喷射出的液体燃料通过多孔介质层时，液体燃料被进一步细化，增加了液体燃料的蒸发表面积，有利于液体碳氢燃料的分散及吸热蒸发。
3、本发明在多孔介质层外围设置金属网格套筒，并在其表面喷涂催化剂，有利于保持燃烧火焰的稳定性以及提高化学反应速度，利于提高燃烧效率。
4、本发明中的进气管道具有螺旋段，螺旋段贴合燃烧室外壁，进气管道的一端从燃烧室底部沿壁面穿入燃烧室，使得氧化剂在燃烧室中形成旋流，使氧化剂与液体燃料混合更为充分，增加氧化剂与液体燃料的接触时间。
5、本发明中的燃烧室设有第一排气口，密封外筒设有第二排气口，燃烧所产生的废气通过第一排气口流经燃烧室与密封外筒之间，从而与进气管道换热，使得进气管道中的氧化剂得到预热，并能够利用余热为燃烧室保温，减少散热损失。
6、本发明结构简单紧凑，零部件较少，能够实现液体充分稳定的燃烧，效率高且节能，应用前景广阔。
附图说明
图1是本发明实施例1中的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的结构示意图；
图2是图1中沿A-A方向的剖视图；
图3是本发明实施例2中的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的结构示意图；
图4是图3中沿B-B方向的剖视图；
图5是本发明中燃料柱与进料管道外部的结构示意图；
图6是本发明中燃料柱与进料管道内部的结构示意图；
图中，1、密封外筒；2、上密封板；3、下密封板；4、点火器；5、燃烧室；6、进气管道；7、第二进气口；8、第二排气口；9、第一进气口；10、第一排气口；11、燃料柱；12、金属网格套筒；13、进料管道；14、多孔介质层；15、排气管道；16、排料腔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1、图2、图5、图6所示的一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，包括燃烧室5、上密封板2、下密封板3、进气管道6和点火器4，所述上密封板2密封于燃烧室5的上端，所述下密封板3密封于燃烧室5的下端，所述燃烧室5开有第一进气口9和第一排气口10，所述进气管道6的一端贯穿第一进气口9至燃烧室5的内部，所述燃烧室5的内部设有进料管道13和燃烧器，所述燃烧器包括燃料柱11和金属网格套筒12，所述金属网格套筒12底端开口，所述金属网格套筒12套接于燃料柱11，所述燃料柱11的顶部密封，而所述燃料柱11的侧壁开有多个出料孔，所述燃料柱11的底端与进料管道13固定连接，所述进料管道13一端延伸至燃料柱11的内部，所述进料管道13与燃料柱11之间形成排料腔16，所述排料腔16与出料孔连通，所述进料管道13的另一端贯穿下密封板3，所述进料管道13的外壁与下密封板3密封连接，所述点火器4与金属网格套筒12连接，所述点火器4的引线穿过上密封板2与外部高压电源连接。其中，燃料柱11的侧壁开有多个出料孔，使得在相同流量下，液体燃料能够更为分散地向四周喷射而出，使得液体燃料在金属网格套筒12上充分燃烧，提高燃料利用率。燃烧器通过进料管道13固定于燃烧室5的内部，进料管道13的另一端贯穿于下密封板3，并且进料管道13与下密封板3固定连接，燃料柱11的底端与进料管道13的外壁固定连接，即：通过进料管道13燃烧器固定于燃烧室5的内部并位于燃烧室5的中轴线上。
液体燃料通过微型注射泵经进料管道13进入燃料柱11中，液体燃料在微型注射泵的推动下撞击燃料柱11的顶部内壁，使得液体燃料进入排料腔16中，通过燃料柱11侧壁的出料孔排出，高压气瓶(图中未示出)出来的氧化剂经过减压阀减压之后，按照所需流量通入进气管道6后进入燃烧室5之中，利用点火器4进行点火，通过控制不同的氧化剂流量和通入进料管道13内的液体燃料流量，可以实现在不同当量比下液体燃料的稳定高效燃烧。其中液体燃料包括液体碳氢燃料，氧化剂包括空气。
所述进气管道6具有螺旋段，所述螺旋段套接于燃烧室5的外壁，且所述螺旋段的壁面贴紧于燃烧室5的外壁。其中，进气管道6的横截面为圆形，紧密贴合于燃烧室5的外壁，其螺旋段在燃烧室5外壁上缠绕的圈数为三圈。
所述金属网格套筒12表面涂有催化剂层，所用催化剂包括Cu-Ni、Pt-Ni或Pt-Cu。喷涂催化剂层，有利于保持燃烧火焰的稳定性以及提高化学反应速度，利于提高燃烧效率。
所述燃烧室5、燃料柱11、进料管道13和进气管道6均采用不锈钢材料制成。
还包括密封外筒1，所述密封外筒1套接于燃烧室5的外侧，所述进气管道6位于密封外筒1与燃烧室5之间，所述密封外筒1的上端与上密封板2连接，所述密封外筒1的下端与下密封板3连接，所述密封外筒1开有第二进气口7和第二排气口8，所述进气管道6的另一端贯穿第二进气口7。
所述第一进气口9设置于燃烧室5的侧壁下端，所述第一排气口10设置于燃烧室5的侧壁上端，所述第二进气口7设置于密封外筒1的侧壁上端，所述第二排气口8设置于密封外筒1的侧壁下端，所述第一排气口10与第二排气口8分别设置于燃烧器中轴线的两侧。其中第二进气口7平行于燃烧器顶部附近，进气管道6的一端贴紧燃烧室5的外壁并贯穿第一进气口9至燃烧室5的内部；燃烧室5距离其顶部4mm处开设直径为3mm的第一排气口10，密封外筒1的侧壁下端开设直径为3mm的第二排气口8，第一排气口10和第二排气口8分别位于燃烧器中轴线的两侧，这样设置是为了让燃烧后产生的废气在燃烧室5与密封外筒1之间充分停留，提高废气的热利用率，使废气预热氧化剂，并对燃烧室5保温。
所述密封外筒1由碳化硅、陶瓷或石棉制成；所述上密封板2由碳化硅、陶瓷或石棉制成；所述下密封板3由碳化硅、陶瓷或石棉制成以上材料均为耐高温材料。
第二排气口8中安装有排气管道15，所述排气管道15采用不锈钢、陶瓷、碳化硅、氧化硅或者磷化硅制成。
本发明中的微型液体燃烧器外部呈圆筒形，其整体高度为46mm，密封外筒1的内径为43mm，外径为50mm，燃烧室5的内径为33mm，外径为35mm，燃烧室5与密封外筒的高度均为40mm，上密封板2外径55mm，厚度为3.5mm，下密封板3外径为55mm，厚度为2.5mm。进气管道6的外径为3mm，内径为2mm，如图2所示，金属网格套筒12上端与燃料柱11顶端紧密相连，燃料柱11的上端用来固定及支撑金属网格套筒12，经过焊接处理(图2中三角形薄片)。金属网格套筒12为环状结构，套接于燃料柱11，其厚度为0.5mm，内径为12mm，外径为13mm，高20mm，金属网格套筒12孔密度为100孔/cm2。如图3所示，进料管道13的高度为37mm，进料管道13的内径为3mm，燃料柱11的内径为4.7mm，其燃料柱11的柱面上设有半径为0.15mm的小孔整齐排列，其密度约为170孔/cm2。
实施例2：
本实施例在实施例1的基础上还包括如下技术特征：
如图3-图6所示，所述燃烧器还包括多孔介质层14，所述多孔介质层14贴紧于燃料柱11的侧壁，且所述多孔介质层14与金属网格套筒12之间具有间隙。金属网格套筒12与多孔介质层14之间的间隙为2mm，多孔介质层14贴附于燃料柱11的外侧壁，且多孔介质层14为多孔结构，液体燃料从燃料柱11的出料孔中喷出流经多孔介质层14分散气化，多孔介质层14增加了液体燃料的蒸发表面积，有利于液体燃料的分散及吸热蒸发。多孔介质层14采用泡沫铝或者陶瓷材料制成，多孔介质层14的厚度为2mm，内径5mm，外径9mm，高20mm。
一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的燃烧方法，包括如下步骤：
液体燃料经进料管道13进入燃料柱11内，液体燃料进入排料腔16并从燃料柱11侧壁的出料孔喷射而出，经过多孔介质层14分散后，吸热蒸发；同时，氧化剂由进气管道6的进入燃烧室5中，形成旋流上升；开启点火器4，点火器4将液体燃料点燃，在旋流作用和金属网格套筒12的蓄热和放热下，液体燃料快速蒸发，并与空气充分混合，同时使得火焰稳定依附于金属网格套筒12之上；燃烧后的废气由燃烧室5的第一排气口10排出，废气流经燃烧室5与密封外筒1之间，利用废气加热进气管道6，预热进气管道6内的氧化剂，并减少燃烧室5中的热量损失，最后废气从第二排气口8中的排气管道15排出，实现了液体燃料在微型燃烧室内稳定、充分燃烧。
上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：包括燃烧室、上密封板、下密封板、进气管道和点火器，所述上密封板密封于燃烧室的上端，所述下密封板密封于燃烧室的下端，所述燃烧室开有第一进气口和第一排气口，所述进气管道的一端贯穿第一进气口至燃烧室的内部，所述燃烧室的内部设有进料管道和燃烧器，所述燃烧器包括燃料柱和金属网格套筒，所述金属网格套筒底端开口，所述金属网格套筒套接于燃料柱，所述燃料柱的顶部密封，而所述燃料柱的侧壁开有多个出料孔，所述燃料柱的底端与进料管道连接，所述进料管道一端延伸至燃料柱的内部，所述进料管道与燃料柱之间形成排料腔，所述排料腔与出料孔连通，所述进料管道的另一端贯穿下密封板，所述进料管道的外壁与下密封板密封连接，所述点火器与金属网格套筒连接，所述点火器的引线穿过上密封板与外部高压电源连接；所述进气管道具有螺旋段，所述螺旋段套接于燃烧室的外壁，且所述螺旋段的壁面贴紧于燃烧室的外壁；通过进料管道燃烧器固定于燃烧室的内部并位于燃烧室的中轴线上。
2.根据权利要求1所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：所述燃烧器还包括多孔介质层，所述多孔介质层贴紧于燃料柱的侧壁，且所述多孔介质层与金属网格套筒之间具有间隙。
3.根据权利要求1所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：所述金属网格套筒的表面涂有催化剂层。
4.根据权利要求1所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：所述燃烧室、燃料柱、进料管道和进气管道均由不锈钢材料制成。
5.根据权利要求1所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：还包括密封外筒，所述密封外筒套接于燃烧室的外侧，所述进气管道位于密封外筒与燃烧室之间，所述密封外筒的上端与上密封板连接，所述密封外筒的下端与下密封板连接，所述密封外筒开有第二进气口和第二排气口，所述进气管道的另一端贯穿第二进气口。
6.根据权利要求5所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：所述第一进气口设置于燃烧室的侧壁下端，所述第一排气口设置于燃烧室的侧壁上端，所述第二进气口设置于密封外筒的侧壁上端，所述第二排气口设置于密封外筒的侧壁下端，所述第一排气口与第二排气口分别设置于燃烧器中轴线的两侧。
7.根据权利要求5所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器，其特征在于：所述密封外筒由碳化硅、陶瓷或石棉制成；所述上密封板由碳化硅、陶瓷或石棉制成；所述下密封板由碳化硅、陶瓷或石棉制成。
8.一种基于权利要求1-7中任一项所述的柱面多孔喷射式的微型液体燃烧器的燃烧方法，其特征在于，包括如下步骤：
所述燃烧器还包括多孔介质层，所述多孔介质层贴紧于燃料柱的侧壁，且所述多孔介质层与金属网格套筒之间具有间隙；
还包括密封外筒，所述密封外筒套接于燃烧室的外侧，所述进气管道位于密封外筒与燃烧室之间，所述密封外筒的上端与上密封板连接，所述密封外筒的下端与下密封板连接，所述密封外筒开有第二进气口和第二排气口，所述进气管道的另一端贯穿第二进气口；
液体燃料经进料管道进入燃料柱内，并从燃料柱侧壁的出料孔喷射而出，经过多孔介质层分散后，吸热蒸发；氧化剂经进气管道进入燃烧室形成旋流上升；开启点火器，点火器将液体燃料点燃，在旋流和金属网格套筒的蓄热和放热下，液体燃料快速蒸发，并与空气充分混合，使得火焰稳定依附于金属网格套筒；燃烧后的废气由燃烧室的第一排气口排出，废气流经燃烧室与密封外筒之间，并预热进气管道内的氧化剂，最后废气从第二排气口排出。
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