CN110195863A - 一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微尺度燃烧技术领域，并具体公开了一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器。包括燃烧器本体、上盖板和下盖板，燃烧器本体包括进气通道、出气通道和燃烧室，进气通道和出气通道均为螺旋形状，且平行间隔布置，用于将出气通道中烟气携带的热量传递给进气通道中的燃气和氧化剂，进气通道包括从上到下依次平行布置的上氧化剂通道、燃料通道和下氧化剂通道，燃烧室的进气口处还设有中心挡流板和壁面挡流板。本发明通过对燃烧器本体中各个通道、燃烧室的具体位置以及燃烧气体混合方式进行了研究与设计，可有效解决现有小型燃烧器存在的混合不充分及容易产生回火的问题，具有混合效果好、稳定燃烧范围宽、燃烧效率高、能量利用率高的特点。

Description

一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器
技术领域
本发明属于微尺度燃烧技术领域，更具体地，涉及一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器。
背景技术
近年来微机电装置或系统快速发展，不断研制出小型机器人、小型火箭发动机、小型推进系统和便携式电子设备等小型装置。目前这些设备主要由电池驱动，但是电池存在能量密度小、重量和体积较大和充电时间较长等缺点。而碳氢化合物燃料比传统电池的能量密度高出几十倍。例如，典型的液态碳氢化合物燃料的能量密度高达45MJ/kg，而目前最好的化学电池Zinc/Air电池的能量密度仅约为1.65MJ/kg。另外，燃烧碳氢燃料对环境污染小，不会发生化学电池可能导致的化学污染。此外，基于燃烧的小型动力装置可长时间使用，燃料用尽后直接补充燃料即可，不需要更换任何设备，这即快速也低成本。因此，基于燃烧的小型动力装置有取代传统电池的巨大潜力。而小型燃烧器是小型动力装置或系统的关键部件，设计开发出安全稳定高效的小型燃烧器对于小型动力装置的技术开发具有重要意义。
燃烧方式按燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是否预先混合可分为预混燃烧和扩散燃烧。安全性是将微燃烧器用于为各种微机电装置提供动力或热源首先需要考虑的问题。由于燃料和氧化剂的扩散燃烧方式不会发生回火等危险现象，众多研究人员对此燃烧方式给予越来越多的关注。
现有技术中，微燃烧器主要存在两个方面的问题，一是燃料和氧化剂无法在短时间内充分混合，进而导致燃烧稳定性差和燃烧效率低。如现有技术中提出的一种氧化剂通道(水平放置)与中央燃料通道垂直布置结构，这使得当氧化剂沿着水平通道以较快的速度进入燃烧室时，会对燃料产生一个较强烈的引射作用，以此来强化两种不同气体的混合。而此方法要求两股流体之间存在较大的速度差，否则难以获得良好的混合效果，而且在垂直引射方式下难以获得稳定对称的流场，不利于火焰稳定。另一个是火焰燃烧的范围有限，火焰的燃烧不稳定。由于小型燃烧室表面积与体积的比值相对于常规尺度来说增大了约2个数量级，这使得通过固体壁面的散热损失大大增加，从而导致火焰稳定性变差和易发生熄火。
基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的小型扩散燃烧器做出进一步的改进设计，构建一种混合效果好、可燃范围宽、燃烧效率高和安全可靠的分离式预热的小型扩散燃烧器，解决现有小型扩散燃烧器存在的问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器，其通过对燃烧器本体中各个通道、燃烧室的具体位置以及燃烧气体混合方式进行了研究与设计，实现了燃气和氧化剂的充分预热和两级混合，相应的可有效解决现有小型燃烧器存在的混合不充分及容易产生回火的问题，具有混合效果好、稳定燃烧范围宽、燃烧效率高、能量利用率高的特点，因而尤其适用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，本发明提出了一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器，其特征在于，包括燃烧器本体、上盖板和下盖板，所述燃烧器本体包括进气通道、出气通道和燃烧室，所述进气通道和出气通道均为螺旋形状，且平行间隔布置，用于将出气通道中烟气携带的热量传递给进气通中的燃气和氧化剂，其中，
所述进气通道包括从上到下依次平行布置的上氧化剂通道、燃料通道和下氧化剂通道，且所述上氧化剂通道、燃料通道和下氧化剂通道的出气口均与所述燃烧室的进气口相连通，所述燃烧室的进气口处还设有中心挡流板，所述中心挡流板不与所述上盖板和所述下盖板连接，用于将所述燃料通道中的燃气进行分流，分流的燃气分别在所述上氧化剂通道和下氧化剂通道中的氧化剂的引射作用下进行第一级混合；
所述中心挡流板远离所述燃烧室的进气口的一侧设有壁面挡流板，所述壁面挡流板包括上下对称布置的上壁面挡流板和下壁面挡流板，且所述上壁面挡流板与所述上盖板连接，所述下壁面挡流板与所述下盖板连接，所述上壁面挡流板和下壁面挡流板之间设有让所述燃气和氧化剂通过的二次混合通道，用于所述燃气和氧化剂进行第二级混合，混合气体进入所述燃烧室燃烧，燃烧后的烟气经所述出气通道排出。
进一步的，所述中心挡流板的中心线与所述燃料通道的中心线共线，且所述中心挡流板的阻塞比为0.5～0.8，优选的，所述中心挡流板的阻塞比为0.7。
进一步的，所述中心挡流板的形状为矩形、三角形、半圆形中的任一种。
进一步的，所述壁面挡流板的阻塞比为0.4～0.8，优选的，所述壁面挡流板的阻塞比为0.6。
进一步的，所述上壁面挡流板和下壁面挡流板的形状为矩形、直角三角形或直角扇形中的任一种。
进一步的，所述出气通道包括上、中、下依次平行布置的烟气通道，其中，所述上、中、下依次平行布置的烟气通道分别与所述上氧化剂通道、燃料通道和下氧化剂通道对齐布置。
进一步的，所述燃烧室的内表面涂覆有催化剂。
进一步的，所述催化剂为铂、镍、铑中的任意一种或多种。
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.本发明通过对燃烧器本体中各个通道、燃烧室的具体位置以及燃烧气体混合方式进行了研究与设计，实现了燃气和氧化剂的充分预热和两级混合，相应的可有效解决现有小型燃烧器存在的混合不充分及容易产生回火的问题，具有混合效果好、稳定燃烧范围宽、燃烧效率高、能量利用率高的特点，因而尤其适用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。
2.本发明通过螺旋平行布置的进气通道和出气通道，使得燃气和氧化剂与烟气进行充分换热，同时，在燃烧室的进气口处布置中心挡流板和壁面挡流板，能有效防止回火的发生，同时还能实现燃气和氧化剂的两级混合，混合效果好。
3.本发明中心挡流板和壁面挡流板可增大气体流动距离，延长燃料和氧化剂的停留时间，从而使得混合更加充分，壁面挡流板后的回流区和低速区能够起到较好的火焰稳燃作用。
4.本发明中心挡流板形状和壁面挡流板形状及大小可以进行优化设计，且通过两者之间的优化距离设计，可获得更好的混合效果。
5.本发明两个氧化剂通道上下对称分布于燃料通道的两侧，呈平行结构，这可保证流场与火焰的对称性和稳定性。
6.本发明中,燃料和氧化剂的进气量可分别通过各自的质量流量计加以控制，可获得想要的空燃比燃料混合物，即运行范围较宽。
7.本发明与单通道相比，本发明三层结构的多层烟气通道可进一步增大换热面积和换热系数，从而进一步增强对燃气和氧化剂的预热效果。
总之，本发明克服了现有技术的不足，对燃料和氧化剂可高效预热，显著提高燃料在燃烧室的入口温度，从而增大火焰燃烧温度；混合方面实现了两级混合，在混合过程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，防止回火；壁面流挡板后的回流区和低速区可显著提高稳定火焰稳定性。因此，本发明能够有效提高小型扩散燃烧器中的火焰稳定性和燃烧效率，广泛适用于各种小型动力或加热装置。
附图说明
图1是本发明涉及的一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器的三维结构示意图；
图2是本发明涉及的一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器气体流向图。
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-上氧化剂通道，2-燃料通道，3-下氧化剂通道，4-燃料通道的进气口，5-中心挡流板，6-壁面挡流板，7-燃烧室，8-烟气通道。
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。
如图1所示，本发明的燃烧器包含燃料通道、氧化剂通道、燃烧室和多层烟气通道，燃料通道的尾端,即燃烧室的进气口处，设置有中心挡流板，燃气在此分为两股，然后在两侧氧化剂气流的引射作用下进行第一级混合。这两股混合的气流随后在燃烧室入口通过壁面挡流板，利用碰撞和扩散等机理进一步混合，随即在壁面挡流板后被点燃，在燃烧室内燃烧，高温烟气由多层烟气通道出口排出，同时，高温烟气将其携带的热量传递给燃气和氧化剂。制备本发明燃烧器本体的固体材料可以选择如不锈钢、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等耐高温导热系数较大的材料。
如图1、图2所示，本发明燃烧器包括燃烧器本体、上盖板和下盖板，燃烧器本体包括进气通道、出气通道和燃烧室7，所述进气通道和出气通道均为螺旋形状，且平行间隔布置，用于将出气通道中烟气携带的热量传递给进气通中的燃气和氧化剂，其中，进气通道包括从上到下依次平行布置的上氧化剂通道1、燃料通道2和下氧化剂通道3，且上氧化剂通道1、燃料通道2和下氧化剂通道3的出气口均与燃烧室7的进气口相连通，燃烧室7的进气口处还设有中心挡流板5，所述中心挡流板5不与上盖板和下盖板连接，用于将燃料通道2中的燃气进行分流，分流的燃气分别在所述上氧化剂通道1和下氧化剂通道3中的氧化剂的引射作用下进行第一级混合；中心挡流板5远离所述燃烧室7的进气口的一侧设有壁面挡流板6，所述壁面挡流板6包括上下对称布置的上壁面挡流板和下壁面挡流板，且上壁面挡流板与上盖板连接，下壁面挡流板与下盖板连接，上壁面挡流板和下壁面挡流板之间设有二次混合通道，用于所述燃气和氧化剂进行第二级混合，经第二级混合的气体进入燃烧室7后被点燃，燃烧后的燃气经过出气通道排出，并且，烟气在出气通道流动的过程中，将其携带的高温传递给与其平行反向流动的燃气和氧化剂，使得燃气和氧化剂得到充分的预热。其中，中心挡流板5距燃料通道2出气口的距离小于中心挡流板5距壁面挡流板6的距离，中心挡流板和壁面挡流板可增大气体流动距离，延长燃料和氧化剂的停留时间，从而使得混合更加充分，壁面挡流板后的回流区和低速区能够起到较好的火焰稳燃作用。
本发明两个氧化剂通道上下对称分布于燃料通道的两侧，呈平行结构，这可保证流场与火焰的对称性和稳定性，同时，在燃烧室的进气口处布置中心挡流板，一方面中心挡流板缩小气流的流通面积，进而此处的气流流速增加，负压减小，有效防止回火，另一方面中心挡流板将燃气分为两股，并在两侧氧化剂的引射作用下，燃气与氧化剂发生碰撞并扩散，使得燃气和氧化剂进行第一级混合，同时本发明进一步设置了壁面挡流板，以实现燃气和氧化剂通过的第二级混合，上壁面挡板和下壁面挡板，用于汇聚上下两股第一级混合的气体，然后上下两股流体在二次混合通道处进行对流碰撞以实现第二级混合。
在本发明中，中心挡流板5的中心线与燃料通道2的中心线共线，且中心挡流板5的阻塞比为0.5～0.8，优选的，中心挡流板5的阻塞比为0.7。壁面挡流板6的阻塞比为0.4～0.8，优选的，所述壁面挡流板6的阻塞比为0.6。
为了降低本发明燃烧器的加工难度，并进一步提高本发明燃烧器的换热面积和换热系数，减小热损失，本发明出气通道包括上、中、下依次平行布置的烟气通道8，其中，所述上、中、下依次平行布置的烟气通道8分别与所述上氧化剂通道1、燃料通道2和下氧化剂通道3对齐布置。
在本发明中，上氧化剂通道1、燃料通道2和下氧化剂通道3的进气口不与所述烟气通道8的出气口同侧。
具体而言，本发明上氧化剂通道1、下氧化剂通道3对称地分布在燃料通道2的上下两侧，燃料通道2的出气口4处于上氧化剂通道1、下氧化剂通道3内，三者呈平行结构，以保证流场和火焰的对称性。上氧化剂通道1、下氧化剂通道3的出气口与燃烧室7的进气口连通，中心挡流板5位于燃烧室7的进气口处，壁面挡流板位于中心挡流板稍后的位置，即远离燃烧室7进气口的一侧。这种结构有利于两种气体进行充分混合，并有利于火焰稳定燃烧。燃气先经中心挡流板5分为两股，在两侧氧化剂气流的引射作用下进行初步混合，然后在壁面挡流板处进行进一步混合，随即在壁面挡流板后点火燃烧，高温烟气由多层烟气通道出气口排出。本发明可用来为小型热电装置或者热光伏系统提供热源，也可作为小型加热装置用于烹饪或烘干。
通过改变中心挡流板形状和壁面挡流板形状及大小，能够进一步提高燃气与氧化剂之间的混合效果以及火焰稳燃效果：如中心挡流板5的形状可为三角形(角度可改变)或半圆形；壁面挡流板6形状也可为直角三角形或1/4圆形。
本发明还可以在壁面挡板6的表面和燃烧室7的内表面涂覆催化剂，催化剂为铂、镍、铑等，用来提高稳燃效果和燃料燃烧效率。
实例1：
采用甲烷气体为燃料，空气为氧化剂。燃料通道的宽度和高度均为3mm，其出气口与所述中心挡流板之间的距离为1mm；上氧化剂通道、下氧化剂通道两个氧化剂通道的宽度和高度均为3mm；出气通道的3个烟气通道的宽度和高度均为3mm。中心挡流板为矩形，其长宽高分别为1mm、3mm和5mm；中心挡流板与壁面挡流板之间的距离为2mm；两个壁面挡流板的长宽高均分别为1mm、3mm和4mm；燃烧室长宽高均分别为13mm、3mm和11mm。燃烧器的总长宽高分别为58mm、45mm和13mm。中心挡流板和壁面挡流板为长方体，其表面和燃烧室内表面均涂覆有镍催化剂。
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 (8)

1.一种多流道高效预热的小型扩散燃烧器，其特征在于，包括燃烧器本体、上盖板和下盖板，所述燃烧器本体包括进气通道、出气通道和燃烧室(7)，所述进气通道和出气通道均为螺旋形状，且平行间隔布置，用于将出气通道中烟气携带的热量传递给进气通中的燃气和氧化剂，其中，
所述进气通道包括从上到下依次平行布置的上氧化剂通道(1)、燃料通道(2)和下氧化剂通道(3)，且所述上氧化剂通道(1)、燃料通道(2)和下氧化剂通道(3)的出气口均与所述燃烧室(7)的进气口相连通，所述燃烧室(7)的进气口处还设有中心挡流板(5)，所述中心挡流板(5)不与所述上盖板和所述下盖板连接，用于将所述燃料通道(2)中的燃气进行分流，分流的燃气分别在所述上氧化剂通道(1)和下氧化剂通道(3)中的氧化剂的引射作用下进行第一级混合；
所述中心挡流板(5)远离所述燃烧室(7)的进气口的一侧设有壁面挡流板(6)，所述壁面挡流板(6)包括上下对称布置的上壁面挡流板和下壁面挡流板，且所述上壁面挡流板与所述上盖板连接，所述下壁面挡流板与所述下盖板连接，所述上壁面挡流板和下壁面挡流板之间设有二次混合通道，用于所述燃气和氧化剂进行第二级混合。
2.根据权利要求1所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述中心挡流板(5)的中心线与所述燃料通道(2)的中心线共线，且所述中心挡流板(5)的阻塞比为0.5～0.8，优选的，所述中心挡流板(5)的阻塞比为0.7。
3.根据权利要求2所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述中心挡流板(5)的形状为矩形、三角形、半圆形中的任一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述壁面挡流板(6)的阻塞比为0.4～0.8，优选的，所述壁面挡流板(6)的阻塞比为0.6。
5.根据权利要求1-3任一项所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述上壁面挡流板和下壁面挡流板的形状为矩形、直角三角形或直角扇形中的任一种。
6.根据权利要求1所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述出气通道包括上、中、下依次平行布置的烟气通道(8)，其中，所述上、中、下依次平行布置的烟气通道(8)分别与所述上氧化剂通道(1)、燃料通道(2)和下氧化剂通道(3)对齐布置。
7.根据权利要求1所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(7)的内表面涂覆有催化剂。
8.根据权利要求7所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述催化剂为铂、镍、铑中的任意一种或多种。
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