CN109237476B - 一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，包括整体呈球形且间隔地嵌套设置的多层壳体，相邻两层壳体之间形成供燃气流动和燃烧的燃烧空间，每层壳体上设置有燃气入口，内一层壳体燃气入口设置于远离外一层壳体燃气入口位置，最里层壳体上还设置有烟气出口，烟气出口向外对应固定连接有烟气出口管道，烟气出口管道贯穿各层壳体至最外层壳体外，最外层壳体内壁上设置有点火器。本发明具有能够在微尺度下提高气体燃料的燃烧稳定性和效率，降低散热损失的优点。

Description

一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置

技术领域

本发明涉及微尺度燃烧技术领域；特别是涉及一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置。

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，它是相对于传统燃烧发生在较大的尺度范围而言的。目前研究的微尺度燃烧一般发生在很小的尺度范围内。上世纪90年代中期,MIT的Epstein教授最早开始了相关的研究，加工出了3.8mm厚、直径为21mm的圆形涡轮发动机，燃烧室厚度为1 mm，预混氢气和空气，成功点火并稳定燃烧。随后，很多的研究机构开展了这方面的研究，并约定为微尺度燃烧(Microcombustion) ，它们通常在低于1 立方厘米的容积内发生。

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，它会产生很多新的问题与挑战:相对表面积增加，散热更剧烈，保温困难；燃烧的淬息；粘性效应更加明显；燃烧驻留时间缩短，即燃烧速度更快。所有这些均会直接或间接地影响其内部的微尺度燃烧，所以使得微尺度燃烧有以下一些特点: 低雷诺数、低火焰尺度(很多小于熄火距离)。燃料在燃烧室停留时间短，面容比(F/V)大。粘性力的影响不能忽略，反应区相对于燃烧室的特性尺寸不像传统燃烧那样很小。

此外，近年来随着纳米技术和微细加工技术的发展，对微型动力装置能量密度的要求增加。气体燃烧的燃料能量密度比目前用到的锂离子电池高出数十甚至上百倍，而且微型动力装置还具有充能时间快、运行安全稳定以及价格便宜的优点。基于碳氢燃料的微燃烧器能够满足微电子机械系统的发展动力需求，具有广阔的应用前景。微尺度燃烧难着火并且扇热较大，因此燃烧难以稳定进行。

为了改善燃烧的热力学效率以及稳定性，需要对热量损失进行优化管理或者 利用催化燃烧的方式。因此， “过焓” 的概率被广泛应用于微型燃烧器的设计。 最早利用过焓概念设计微型燃烧器的是 Lloyd和 Takeno 等人，他们把燃烧器 做成瑞士卷型（Swill-roll type），通过把燃烧烟气的部分热量传递给未燃烧的燃料 混合气。虽然出口烟气的温度并没有较大的提高，但是由于预热的作用，燃烧中心温度得到了显著提高。然而，瑞士卷燃烧器的入口燃气温度很低，而出口烟气温度很高，这会造成很大的输出热焓损失。

为了进一步改善微尺度燃烧的稳定性，发明一种具有散热损失小，热效率高，着火温度低，且燃烧稳定的燃烧方式或燃烧器是目前亟需解决的问题

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种能够在微尺度下提高气体燃料的燃烧稳定性和效率，降低散热损失的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，包括整体呈球形且间隔地嵌套设置的多层壳体，相邻两层壳体之间形成供燃气流动和燃烧的燃烧空间，每层壳体上设置有燃气入口，内一层壳体燃气入口设置于远离外一层壳体燃气入口位置，最里层壳体上还设置有烟气出口，烟气出口向外对应固定连接有烟气出口管道，烟气出口管道贯穿各层壳体至最外层壳体外，最外层壳体内壁上设置有点火器。

这样，本装置使用时，混合燃气从最外层壳体的燃气入口进入到最外层燃烧空间，然后依靠点火器点火燃烧并通过内一层壳体的燃气入口进入内一层的燃烧空间，并依次向内流动，最终在进入到最内层壳体后完成充分燃烧，产生的烟气从烟气出口通过烟气出口管道外排。这样在微尺度的球形壳体内，形成了多层燃烧的空间，延长燃气流动的路径使其能够更好地控制实现充分燃烧，提高燃烧效率和稳定性，同时燃气在该层状空间结构内向内流动并燃烧，会导致形成每层燃烧空间从外到内温度依次增高的燃烧结构，不但保证了温度最高点处于最核心空间，而且这种阶梯状球形的温度场会使得刚进入外层燃烧空间的燃气会依次被内一层的燃烧空间实现逐级预热，温度层层递增，故能够极大地降低散热损失，保证烟气出口管道流出的烟气为热力值最高。

作为优化，所述壳体一共设置有四层。

在微尺度燃烧的情况下，设置四层壳体为最优层数，如果层数过多，不仅会提高设备成本，而且会导致燃气流动路径过长而降低效率，同时会因为每层燃烧空间过于狭小而影响燃烧效果。

作为优化，每层壳体上沿直径方向对称设置有两个燃气入口，内一层壳体上的燃气入口连线垂直于外一层壳体上的燃气入口连线布置。

这样，保证两个燃气入口进入的燃气流动路径对称一致且均匀，并能够经过最长的流动路径进入到内一层壳体的燃气入口内以保证燃烧充分性。而且该结构使得每层燃烧空间内两个方向的燃气流动汇聚的地方恰好是内一层燃烧空间的入口，能够更好地保证燃气流动的稳定、顺畅和均匀，保证了燃气流动的稳定性和均匀性就保证了燃烧的稳定性和可靠性。故能够最大程度利于燃气在微尺度空间内流动燃烧。

作为优化，最外层壳体内壁的点火器为两个且设置于正对内一层壳体的燃气入口处。

这样，在最外层燃烧空间中燃气汇聚处点火，使得点火后的燃气即通过内一层壳体的燃气入口进入到内一层的燃烧空间，这样能够控制使得最外层的燃烧空间更多地起到燃气进入和预热的效果，而使得燃烧更多的被控制发生在第二层和第三层燃烧空间中，这样使得最外层燃烧空间为预热区域，第二次燃烧空间为初步燃烧区域，第三层燃烧空间为完全燃烧区域，最内层燃烧空间为最后燃烧以及高温烟气汇聚区域。这样外层燃烧空间温度最低形成类似保温层的效果，可以更好地避免最外层燃烧空间燃烧导致的热量对外扩散丢失。也能够更好地形成温度从外到里逐级递增的阶梯球状温度场分布，更好地保证热量向球心位置集中汇聚，保证烟气出口管道流出的烟气为热力值最高。

作为优化，从外到内第三层壳体的内外两侧表面均设置有燃烧催化剂覆盖层。

这样，燃烧催化剂覆盖层能够更好地催化和促进燃烧，其设置位置可以更好地确保燃烧发生在第二层和第三层燃烧空间，以确保从外到里逐级递增的阶梯球状温度场的形成，同时能够更好地保证燃烧的充分性，提高燃烧效率。

进一步地，燃烧催化剂覆盖层为Pd-Pt合金催化剂。

该催化剂具有辅助燃烧效果优良的特点。

进一步地，最里层壳体的烟气出口为沿直径方向对称设置的两个，且两个烟气出口连线垂直于该层壳体的燃气入口连线设置，烟气出口正对向外设置烟气出口管道。

这样，最大程度提高最里层壳体内燃气燃烧充分性和烟气流动的均匀性稳定性。

进一步地，各层壳体的燃气入口均设置于同一平面，所述烟气出口管道垂直于该平面设置。

这样能够更好地保证结构整体强度。

进一步地，烟气出口管道为圆管。

这样可以减少管道和外层燃烧空间的接触面积，热损失较小。

进一步地，本装置尺寸为，每层壳体壁厚0.4-0.6mm（优选为0.5mm），最内层壳体内腔直径为7-9mm（优选为8mm），相邻两层壳体之间燃烧空间宽度为3-5mm（优选为4mm）。这样使得本装置完全形成微尺度下的燃烧装置，且该尺寸可以更好地保证各层燃烧空间内燃气的充分燃烧。

故整体而言，本发明的燃烧装置的散热损失小，燃烧稳定性高，燃烧效率高，符合节能环保的理念，具有广阔的应用前景。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：1燃烧器主体由四个球形的金属壳组成，燃烧器的外层烟气最冷，越到内层温度越高，外层冷气可以作为保温层，降低燃烧器的热损失。2燃烧在燃烧器的内部进行，外部的预混可燃气体被内部烟气加热，从而使得燃烧的温度增加，燃烧的稳定性加强。3燃烧器的内部壁面设置一定75%Pd含量的Pd-Pt合金催化剂，能促进气体燃料的燃烧，且燃料在燃烧器最内核燃烧室完全燃烧；4烟气通过一根圆管流出，圆管与外层气体的接触面小，不会发生较大的烟气焓降，输出烟气可用热值较高。

附图说明

图1为本发明的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置的实施例的结构正视图。

图2为图1的右视图。

图3为图1的A-A剖视图。

图4为图1的B-B剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

实施例：参见图1-4，一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，包括整体呈球形且间隔地嵌套设置的多层壳体（图中标号1为最外侧壳体，4为从外到内第二层壳体，6为第三层壳体，8为第四层壳体），相邻两层壳体之间形成供燃气流动和燃烧的燃烧空间（图中标号11为从外到内第一层燃烧空间，12为第二层燃烧空间，13为第三层燃烧空间，标号14为最内层壳体内形成的燃烧空间），每层壳体上设置有燃气入口，（最外层壳体上的燃气入口设置有对外的燃气入口管2，标号5为从外到内第二层壳体上的燃气入口，7为第三层壳体上的燃气入口，9为第四层壳体上的燃气入口）内一层壳体燃气入口设置于远离外一层壳体燃气入口位置，最里层壳体上还设置有烟气出口，烟气出口向外对应固定连接有烟气出口管道，烟气出口管道贯穿各层壳体至最外层壳体外，最外层壳体内壁上设置有点火器17。

这样，本装置使用时，混合燃气从最外层壳体的燃气入口进入到最外层燃烧空间，然后依靠点火器点火燃烧并通过内一层壳体的燃气入口进入内一层的燃烧空间，并依次向内流动，最终在进入到最内层壳体后完成充分燃烧，产生的烟气从烟气出口通过烟气出口管道外排。这样在微尺度的球形壳体内，形成了多层燃烧的空间，延长燃气流动的路径使其能够更好地控制实现充分燃烧，提高燃烧效率和稳定性，同时燃气在该层状空间结构内向内流动并燃烧，会导致形成每层燃烧空间从外到内温度依次增高的燃烧结构，不但保证了温度最高点处于最核心空间，而且这种阶梯状球形的温度场会使得刚进入外层燃烧空间的燃气会依次被内一层的燃烧空间实现逐级预热，温度层层递增，故能够极大地降低散热损失，保证烟气出口管道流出的烟气为热力值最高。

其中，所述壳体一共设置有四层。

在微尺度燃烧的情况下，设置四层壳体为最优层数，如果层数过多，不仅会提高设备成本，而且会导致燃气流动路径过长而降低效率，同时会因为每层燃烧空间过于狭小而影响燃烧效果。

其中，每层壳体上沿直径方向对称设置有两个燃气入口，内一层壳体上的燃气入口连线垂直于外一层壳体上的燃气入口连线布置。

这样，保证两个燃气入口进入的燃气流动路径对称一致且均匀，并能够经过最长的流动路径进入到内一层壳体的燃气入口内以保证燃烧充分性。而且该结构使得每层燃烧空间内两个方向的燃气流动汇聚的地方恰好是内一层燃烧空间的入口，能够更好地保证燃气流动的稳定、顺畅和均匀，保证了燃气流动的稳定性和均匀性就保证了燃烧的稳定性和可靠性。故能够最大程度利于燃气在微尺度空间内流动燃烧。

其中，最外层壳体内壁的点火器17为两个且设置于正对内一层壳体的燃气入口处。

这样，在最外层燃烧空间中燃气汇聚处点火，使得点火后的燃气即通过内一层壳体的燃气入口进入到内一层的燃烧空间，这样能够控制使得最外层的燃烧空间更多地起到燃气进入和预热的效果，而使得燃烧更多的被控制发生在第二层和第三层燃烧空间中，这样使得最外层燃烧空间为预热区域，第二次燃烧空间为初步燃烧区域，第三层燃烧空间为完全燃烧区域，最内层燃烧空间为最后燃烧以及高温烟气汇聚区域。这样外层燃烧空间温度最低形成类似保温层的效果，可以更好地避免最外层燃烧空间燃烧导致的热量对外扩散丢失。也能够更好地形成温度从外到里逐级递增的阶梯球状温度场分布，更好地保证热量向球心位置集中汇聚，保证烟气出口管道流出的烟气为热力值最高。

其中，从外到内第三层壳体的内外两侧表面均设置有燃烧催化剂覆盖层16。

这样，燃烧催化剂覆盖层能够更好地催化和促进燃烧，其设置位置可以更好地确保燃烧发生在第二层和第三层燃烧空间，以确保从外到里逐级递增的阶梯球状温度场的形成，同时能够更好地保证燃烧的充分性，提高燃烧效率。

其中，燃烧催化剂覆盖层16为Pd-Pt合金催化剂。

该催化剂具有辅助燃烧效果优良的特点。具体地说，实施时，该催化剂，催化载体为γ-Al2O3，双金属合金催化剂活性组分质量百分比为5wt.%，负载在载体上面，其中Pd的质量百分比为2.9wt.%，Pt的质量百分比为2.1wt.%，表示为Pd(2.9 wt.%)-Pt(2.1 wt.%)/γ-Al₂O₃。

其中，最里层壳体的烟气出口为沿直径方向对称设置的两个，且两个烟气出口连线垂直于该层壳体的燃气入口连线设置，烟气出口正对向外设置烟气出口管道（标号10和15分别标示对称的两根烟气出口管道，烟气出口管道外端延伸出最外层壳体并采用标号3标示）。

这样，最大程度提高最里层壳体内燃气燃烧充分性和烟气流动的均匀性稳定性。

其中，各层壳体的燃气入口均设置于同一平面，所述烟气出口管道垂直于该平面设置。

这样能够更好地保证结构整体强度。

其中，烟气出口管道为圆管。

这样可以减少管道和外层燃烧空间的接触面积，热损失较小。

其中，本装置尺寸为，每层壳体壁厚0.4-0.6mm（优选为0.5mm），最内层壳体内腔直径为7-9mm（优选为8mm），相邻两层壳体之间燃烧空间宽度为3-5mm（优选为4mm）。这样使得本装置完全形成微尺度下的燃烧装置，且该尺寸可以更好地保证各层燃烧空间内燃气的充分燃烧。另外，实施时，点火器可以采用电子点火器，能够更好地实现微型化以利于装配。

故整体而言，本发明的燃烧装置的散热损失小，燃烧稳定性高，燃烧效率高，符合节能环保的理念，具有广阔的应用前景。

Claims (8)

1.一种用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，包括整体呈球形且间隔地嵌套设置的多层壳体，相邻两层壳体之间形成供燃气流动和燃烧的燃烧空间，每层壳体上设置有燃气入口，内一层壳体燃气入口设置于远离外一层壳体燃气入口位置，最里层壳体上还设置有烟气出口，烟气出口向外对应固定连接有烟气出口管道，烟气出口管道贯穿各层壳体至最外层壳体外，最外层壳体内壁上设置有点火器，每层壳体上沿直径方向对称设置有两个燃气入口，内一层壳体上的燃气入口连线垂直于外一层壳体上的燃气入口连线布置。

2.如权利要求1所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，所述壳体一共设置有四层。

3.如权利要求1所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，最外层壳体内壁的点火器为两个且设置于正对内一层壳体的燃气入口处。

4.如权利要求1所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，从外到内第三层壳体的内外两侧表面均设置有燃烧催化剂覆盖层。

5.如权利要求4所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，燃烧催化剂覆盖层为Pd-Pt合金催化剂。

6.如权利要求1所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，最里层壳体的烟气出口为沿直径方向对称设置的两个，且两个烟气出口连线垂直于该层壳体的燃气入口连线设置，烟气出口正对向外设置烟气出口管道。

7.如权利要求6所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，各层壳体的燃气入口均设置于同一平面，所述烟气出口管道垂直于该平面设置。

8.如权利要求1所述的用于微尺度燃烧的球形燃烧装置，其特征在于，烟气出口管道为圆管。