CN109945186A - 一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微尺度燃烧技术领域，并公开了一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器。包括燃烧器外壁和波纹板，燃烧器外壁包括后侧壁、上侧壁、下侧壁；波纹板包括第一波纹板和第二波纹板，所述第一波纹板和第二波纹板的两个侧边分别与上侧壁以及下侧壁固定连接，第一波纹板与后侧壁设有联通燃料预热流道和燃烧室的间距，第二波纹板与后侧壁设有联通空气预热流道和燃烧室的间距；后侧壁上设有扰流体。本发明强化了燃料和空气之间的混合效果，增强了微燃烧器中的火焰稳定性，又能获得分布均匀的外壁温，降低了回火风险，具备结构紧凑、便于制造和使用、适用面广等特点，因而尤其适用于诸如微机电系统或微型飞行器之类的燃烧供能场合。

Description

一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器

技术领域

本发明属于微尺度燃烧技术领域，更具体的，涉及一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器。

背景技术

微机电系统包括微传感器、微小机器人、掌上电脑等等。传统化学电池体积大、质量重、能量密度低，而氢气和碳氢化合物燃料的能量密度是传统化学电池的上百倍，且来源充足，因此，基于燃烧的微小型能源动力系统受到了广泛关注。

燃烧器尺寸缩小后面/体比会急剧增大，导致表面散热损失也急剧增加，这一方面会导致燃烧器内火焰很难维持稳定。但是，如果把表面辐射能通过光伏电池进行发电，或者在燃烧器表面上粘贴热电模块来发电，就可以把这部分热能有效地利用起来。例如，Yang等指出温度水平较高且分布均匀的微燃烧器外壁面能取得更好的热光伏转化效果(Yang,W.M.,et al."Microscale combustion research for application to microthermophotovoltaic systems."Energy Conversion and Management 44.16(2003):2625-2634)。

为了维持微燃烧器中火焰的稳定性，目前常用以下几种方法：(1)热循环，如现有技术在微型瑞士卷燃烧器中通入甲烷/空气预混气体进行燃烧实验，发现可以减少热损失并加强热循环，稳定火焰燃烧；(2)回流区，如现有技术利用钝体产生回流区，通过数值模拟证明该方法对微尺度燃烧具有很好的火焰稳定作用；(3)催化剂，如现有技术在瑞士卷燃烧器表面附着催化剂，扩大了稳燃范围。

为了获得分布均匀的外壁温，现有技术通常采用在微小圆管中加入了阶梯结构或者在微小圆管中加入了渐扩结构，取得了较高的外壁温。然而，以上方法在针对为热光伏系统而使用的平板型微燃烧器时具有以下不足：(1)现有技术大多数工作采用预混燃烧模式，在低速和高当量比工况下存在回火风险；(2)现有技术通过设置单个突扩或凹腔以实现获得分布均匀的外壁温，然而，这种设置对系统带来的改善效果有限，而设置多重结构会使燃烧器内部结构和加工工艺变得复杂，同时也会由于各部件之间的热应力不均匀导致装置失效；(3)现有技术没有将燃料燃烧的预热利用起来，微燃烧器中的火焰稳定性受到一定限制。相应地，本领域亟需对此做出进一步的研究和改进，以便更好地满足微小型燃烧器在现代化生产中的更高要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器，其通过结合微小型动力装置自身的应用特点，并充分考虑到热循环与散热损失以及回火风险之间的协调问题，针对性将波纹板结构与扰流结构以及气流方向与速度结合起来，同时对其多个关键结构参数以及配套稳燃元件的结构及设置方式进行改进，相应的一方面延长了气体的流动路径，使得预混气流充分预热，另一方面加强了对流体的扰动，强化了燃料和空气之间的混合效果，增强了微燃烧器中的火焰稳定性，又能获得分布均匀的外壁温，同时具备结构紧凑、便于制造和使用、适用面广等优势，因而尤其适用于诸如微机电系统或微型飞行器之类的燃烧供能场合。

为实现上述目的，本发明提供了一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器，其特征在于，包括燃烧器外壁和波纹板，其中，

所述燃烧器外壁至少包括后侧壁、上侧壁和下侧壁；

所述波纹板包括第一波纹板和第二波纹板，所述第一波纹板和第二波纹板的两个侧边分别与所述上侧壁以及下侧壁固定连接，进而形成所述燃烧器的燃料预热流道、空气预热流道以及燃烧室；所述第一波纹板与后侧壁设有联通所述燃料预热流道和燃烧室的间距，所述第二波纹板与后侧壁设有联通所述空气预热流道和燃烧室的间距；

所述燃烧器的燃料预热流道远离所述后侧壁的一端形成与所述燃料预热流道联通的燃料进口，所述燃烧室远离所述后侧壁的一端形成与所述燃烧室联通的尾气出口，所述空气预热流道远离所述后侧壁的一端形成与所述空气预热流道连通的空气进口；所述后侧壁上设有扰流体，所述扰流体设于第一波纹板和第二波纹板之间，以实现改变燃料预热流道中的燃料和空气预热流道中的空气的流向，使得所述燃料和空气经所述扰流体的扰动后进入所述燃烧室进行混合和燃烧。

进一步的，所述扰流体的横截面为等腰三角形，其中，不与所述后侧壁连接的两条边相等。

进一步的，所述扰流体与所述燃烧室的中心线共线。

进一步的，所述扰流体的顶角为60°～120°，优选的，所述扰流体的顶角为90°。

进一步的，所述第一波纹板和第二波纹板靠近所述燃烧室的一侧设有催化剂层。

进一步的，所述第一波纹板和第二波纹板的波纹弧度α为60°～150°，优选的，所述波纹弧度α为90°～120°。

进一步的，所述第一波纹板的波峰与所述第二波纹板的波谷对应设置。

进一步的，所述第一波纹板与所述第二波纹板为金属材料制备而成，优选的，所述第一波纹板与所述第二波纹板为铝或铜。

进一步的，所述燃料和空气的名义当量比为0.3～0.7，优选的，所述燃料和空气的名义当量比为0.5。

进一步的，所述燃料预热流道和空气预热流道的气体流速为10m/s～40m/s，优选的，所述燃料预热流道和空气预热流道的气体流速为25m/s。

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，能够取得下列有益效果：

(1)本发明通过结合微小型动力装置自身的应用特点，并充分考虑到热循环与散热损失以及回火风险之间的协调问题，针对性将波纹板结构与扰流结构以及气流方向与速度结合起来，同时对其多个关键结构参数以及配套稳燃元件的结构及设置方式进行改进，相应的一方面延长了气体的流动路径，使得预混气流充分预热，另一方面加强了对流体的扰动，强化了燃料和空气之间的混合效果，增强了微燃烧器中的火焰稳定性，又能获得分布均匀的外壁温，降低了回火风险。

(2)本发明通过设置波纹板，一方面延长了气体的流动路径，另一方面加强了对流体的扰动，强化了对未燃气体的预热效果以及燃料和空气之间的混合效果，波谷处形成的回流区还能起到稳定火焰的目的，另外，与直通道相比，波纹板有着更大的表面积，有利于催化反应的进行，以上综合作用既增强了微燃烧器中的火焰稳定性，又能获得分布均匀的外壁温。

(3)本发明通过控制波纹板的波纹数目和波纹弧度，一方面延长了气体的流动路径，另一方面加强了对流体的扰动，强化了对未燃气体的预热效果以及燃料和空气之间的混合效果，同时通过使用波纹板的波谷和波峰的配合来稳定火焰位置，一方面获得水平较高且分布均匀的外壁面温度场，为热光伏或热电发电系统提供更充足的能量来源；另一方面有效避免了回火的风险。

(4)本发明通过采用铜和铝等高导热物性的材料来制作波纹板，使中间燃烧室的火焰热量能经由波纹板传递至左、右两侧的进气流道，对未燃气体起到预热作用，从而提高燃烧稳定性。

(5)本发明通过采用扰流器，促进了燃料和空气的初期混合，并调整了气体的流向，同时，对扰流器的顶角大小及位置进行了相应的布置，以实现加强对流体的扰动，强化燃料和空气之间的混合效果。

(6)本发明通过采用较小的名义当量比保证了通道内燃料能够充分燃烧，降低污染物的排放，可降低火焰温度，减小对于材料的耐热性能要求，同时配合相应的气流速度，以实现强化燃料和空气之间的混合效果。

(7)本发明通过在波纹板朝燃烧室的一侧表面上涂覆催化剂层，增加了混合气体与催化剂的接触面积，催化反应也能促进气相燃烧的发生。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器的整体构造示意图；

图2是按照本发明优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器的整体构造三维结构示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器与直通道的微小型非预混燃烧器的吹熄极限的对比；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器与直通道的微小型非预混燃烧器的外壁面辐射热能的对比。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-燃料进气口、2-尾气出口、3-空气进气口、4-燃烧室、5-燃料预热通道、6-空气预热通道、7-第一波纹板、8-第二波纹板、9-扰流体、10-上侧壁、11-下侧壁。

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，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。

如图1和图2所示，分别为本发明优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器的整体构造示意图和本发明优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器的整体构造三维结构示意图，本发明的微小型非预混燃烧器包括燃料进气口1、尾气出口2、空气进气口3、燃烧室4、燃料预热通道5、空气预热通道6、第一波纹板7、第二波纹板8、扰流体9、上侧壁10、下侧壁11、前侧壁和后侧壁，其中，

燃烧器外壁至少包括后侧壁、上侧壁10、下侧壁11；波纹板包括第一波纹板7和第二波纹板8，所述第一波纹板7和第二波纹板8的两个侧边分别与所述上侧壁10以及下侧壁11固定连接，进而形成所述燃烧器的燃料预热流道5、空气预热流道6以及燃烧室4；所述第一波纹板7与后侧壁设有联通所述燃料预热流道5和燃烧室4的间距，所述第二波纹板8与后侧壁设有联通所述空气预热流道6和燃烧室4的间距；

所述燃烧器的燃料预热流道5远离所述后侧壁的一端形成与所述燃料预热流道5联通的燃料进口1，所述燃烧室4远离所述后侧壁的一端形成与所述燃烧室4连通的尾气出口2，所述空气预热流道6远离所述后侧壁的一端形成与所述空气预热流道6连通的空气进口3；所述后侧壁上设有扰流体9，所述扰流体9设于第一波纹板7和第二波纹板8之间，以实现改变燃料预热流道5中的燃料和空气预热流道6中的空气的流向，使得所述燃料和空气经所述扰流体9的扰动后进入所述燃烧室4进行混合和燃烧。通过设置波纹板，一方面延长了气体的流动路径，另一方面加强了对流体的扰动，强化了对未燃气体的预热效果以及燃料和空气之间的混合效果，波谷处形成的回流区还能起到稳定火焰的目的，另外，与直通道相比，波纹板有着更大的表面积，有利于催化反应的进行，以上综合作用既增强了微燃烧器中的火焰稳定性，又能获得分布均匀的外壁温。

扰流体9的横截面为等腰三角形，其中，不与所述后侧壁连接的两条边相等；所述扰流体9与所述燃烧室4的中心线共线，扰流体9的顶角为60°～120°，优选的，所述扰流体9的顶角为90°。扰流器促进了燃料和空气的初期混合，并调整了气体的流向，同时，对扰流器的顶角大小及位置进行了相应的布置，以实现加强对流体的扰动，强化燃料和空气之间的混合效果。

第一波纹板7和第二波纹板8靠近所述燃烧室4的一侧设有催化剂层8，所述第一波纹板7和第二波纹板8的波纹弧度α为60°～150°，优选的，所述波纹弧度α为90°～120°，所述第一波纹板7的波峰与所述第二波纹板8的波谷对应设置。通过控制波纹板的波纹数目和波纹弧度，一方面延长了气体的流动路径，另一方面加强了对流体的扰动，强化了对未燃气体的预热效果以及燃料和空气之间的混合效果，同时通过使用波纹板的波谷和波峰的配合来稳定火焰位置，一方面获得水平较高且分布均匀的外壁面温度场，为热光伏或热电发电系统提供更充足的能量来源；另一方面有效避免了回火的风险。

第一波纹板7与所述第二波纹板8为金属材料制备而成，优选的，所述第一波纹板7与所述第二波纹板8为铝或铜，通过采用铜和铝等高导热物性的材料来制作波纹板，使中间燃烧室的火焰热量能经由波纹板传递至左、右两侧的进气流道，对未燃气体起到预热作用，从而提高燃烧稳定性。

燃料预热流道5和空气预热流道6的气体流速为10m/s～40m/s，优选的，所述燃料预热流道5和空气预热流道6的气体流速为25m/s。本发明通过采用较小的名义当量比保证了通道内燃料能够充分燃烧，降低污染物的排放，可降低火焰温度，减小对于材料的耐热性能要求，同时配合相应的气流速度，以实现强化燃料和空气之间的混合效果。

第一波纹板7和第二波纹板8靠近所述燃烧室4的一侧设有催化剂层8，用于增加了混合气体与催化剂的接触面积，催化反应也能促进气相燃烧的发生。

具体而言，通道间设置有两块波纹板，即第一波纹板7和第二波纹板8，每个波纹板均与上壁面10、下壁面11相交，从而将通道分割成三个流道燃烧室4、燃料预热通道5、空气预热通道6。其中空气和燃料分别从空气进气口3、燃料进气口1进入燃料预热通道5、空气预热通道6，在流动过程中被逐渐加热。经过扰流体9时燃料和空气发生初步混合，然后进入中间燃烧室4。在波纹板的扰动下，一边继续混合，一边在波纹板表面发生催化，并在燃烧室4中心发生气相燃烧，加热燃烧器上侧壁10和下侧壁11，为热电模块或热光伏电池提供热源。最后，燃烧尾气从尾气出口2流出。本发明中，波纹板具有多重效果，不仅能强化换热和混合，波谷和表面催化剂还能起到稳定火焰的作用。该燃烧器具有良好的稳燃效果，能在宽广的工况范围内为微小型发电装置提供稳定的热源。

实施例具体参数如下：燃料为氢气，氧化剂为空气。燃烧器长、宽、高分别为40mm、20mm、5mm。波纹数目为4，波纹弧度α为60°，波纹板朝燃烧室的表面涂覆催化剂。扰流体横截面为边长6mm的等边三角形。

图3是按照本发明的优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器与直通道的微小型非预混燃烧器的吹熄极限的对比。从图3中可看出，在名义当量比为0.4、0.5、0.6时，加入波纹板提高了燃烧器的吹熄极限，尤其是在名义当量比为0.3时，无波纹板的直通道燃烧器在所有速度下均无法维持燃烧，而本发明则保证了在名义当量比为0.3的极端贫燃工况下的火焰稳定性。该实施例说明了本发明中加入的波纹板能够有效拓宽稳定燃烧范围。

图4是按照本发明的优选实施例所构建的具有波纹板的微小型非预混燃烧器与直通道的微小型非预混燃烧器的外壁面辐射热能的对比，其中，名义当量比为0.5，燃料预热通道5和空气预热通道6中的进气速度均为15m/s，从图4可看出，无波纹板燃烧器的外壁面辐射出的热能要小于实施例，该实施例说明插入波纹板后燃烧器可以为热光伏系统提供更大的能量密度。

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 (10)

1.一种具有波纹板的微小型非预混燃烧器，其特征在于，包括燃烧器外壁和波纹板，其中，

所述燃烧器外壁至少包括后侧壁、上侧壁(10)和下侧壁(11)；

所述波纹板包括第一波纹板(7)和第二波纹板(8)，所述第一波纹板(7)和第二波纹板(8)的两个侧边分别与所述上侧壁(10)以及下侧壁(11)固定连接，进而形成所述燃烧器的燃料预热流道(5)、空气预热流道(6)以及燃烧室(4)；所述第一波纹板(7)与后侧壁设有联通所述燃料预热流道(5)和燃烧室(4)的间距，所述第二波纹板(8)与后侧壁设有联通所述空气预热流道(6)和燃烧室(4)的间距；

所述燃烧器的燃料预热流道(5)远离所述后侧壁的一端形成与所述燃料预热流道(5)联通的燃料进口(1)，所述燃烧室(4)远离所述后侧壁的一端形成与所述燃烧室(4)联通的尾气出口(2)，所述空气预热流道(6)远离所述后侧壁的一端形成与所述空气预热流道(6)连通的空气进口(3)；所述后侧壁上设有扰流体(9)，所述扰流体(9)设于第一波纹板(7)和第二波纹板(8)之间，以实现改变燃料预热流道(5)中的燃料和空气预热流道(6)中的空气的流向，使得所述燃料和空气经所述扰流体(9)的扰动后进入所述燃烧室(4)进行混合和燃烧。

2.根据权利要求1所述的燃烧器，其特征在于，所述扰流体(9)的横截面为等腰三角形，其中，不与所述后侧壁连接的两条边相等。

3.根据权利要求1或2所述的燃烧器，其特征在于，所述扰流体(9)与所述燃烧室(4)的中心线共线。

4.根据权利要求1-3任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述扰流体(9)的顶角为60°～120°，优选的，所述扰流体(9)的顶角为90°。

5.根据权利要求1-4任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第一波纹板(7)和第二波纹板(8)靠近所述燃烧室(4)的一侧设有催化剂层。

6.根据权利要求1-5任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第一波纹板(7)和第二波纹板(8)的波纹弧度α为60°～150°，优选的，所述波纹弧度α为90°～120°。

7.根据权利要求1-6任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第一波纹板(7)的波峰与所述第二波纹板(8)的波谷对应设置。

8.根据权利要求1-7任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述第一波纹板(7)与所述第二波纹板(8)为金属材料制备而成，优选的，所述第一波纹板(7)与所述第二波纹板(8)为铝或铜。

9.根据权利要求1-8任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料和空气的名义当量比为0.3～0.7，优选的，所述燃料和空气的名义当量比为0.5。

10.根据权利要求1-9任一项所述的燃烧器，其特征在于，所述燃料预热流道(5)和空气预热流道(6)的气体流速为10m/s～40m/s，优选的，所述燃料预热流道(5)和空气预热流道(6)的气体流速为25m/s。