CN110462289B - 用于生成电功率的微燃烧装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于生成电功率的微燃烧装置(1)，能够提高系统的整体性能，通过利用具有引起螺旋路径的燃烧室的基础原理而具有更大的紧凑性和更少的损失，所述装置包括：用于导入燃烧剂、燃料和/或它们的混合物的一个或多个喷射导管(7、8)，其中切向于内筒形壁进行所述燃烧剂的至少喷射，以便引起螺旋燃烧路径，所述室的内筒形壁具有催化材料的沉积物，以加速燃烧反应；涡轮压缩机组(10)，包括压缩机(11)和涡轮机(12)，所述压缩机通过所述一个或多个喷射导管(8)在压力下馈给所述燃烧室(2)，所述涡轮机从所述排出导管(15)接收烟气，压缩机(11)和涡轮机(12)键联接在同一轴线(13)上，电功率生成器(14)继而也键联接在所述轴线上；以及燃料电池(16)，通过所述涡轮机(12)向燃料电池馈给烟气，并向燃料电池馈给氧化剂，实现用于生成额外的电功率的电化学过程。

Description

用于生成电功率的微燃烧装置
本发明涉及用于生成电功率的微燃烧装置，所述微燃烧装置为使用燃烧室的类型，其中，燃烧室的内部流体动力学特征在于由用于喷射燃料和氧化剂的特定模式引起的螺旋运动。燃料和氧化剂可单独或在某些情况下预先混合后被引入。
室可以是微型、中型或宏型的，取决于所要求的最终功率。以“微室”表示燃烧室具有等于或小于毫米的基准尺寸；以“中室”表示燃烧室具有毫米量级的基准尺寸；以“宏室”表示燃烧室具有厘米量级的基准尺寸。基准尺寸可以是例如直径。
上述装置的示例可在美国专利号7,862,331 A中找到，其中描述了于并排放置、相距毫米量级的两个箔状元件之间获得的平坦的燃烧室。以催化的方式引起燃烧，并以获得电功率的方式热电地利用生成的热。
国际专利申请号WO 2014/048,992 A1中描述了微室的另一个示例，该微室仍具有箔状形状，其中热被用于加热热电系统中的表面(如已经经过太阳能加热的热表面)。
最后，国际专利申请号WO 2016/116,450 A2描述了一种燃烧微室或中室，其中以这样的方式改善氧化反应：切向于圆形壁导入燃烧剂流，从而在室自身中引起在室壁上的燃烧的螺旋旋转运动，从而扩展燃烧反应实现所通过的路径，改善燃烧反应的特性。
然而，燃烧室的这些例子的使用带有在限制区域内获得增大的温度梯度的目的，目的是以开采利用如此产生的温度差的热电元件来对所述温度梯度加以利用。
然而，通过这种方式，整体性能和/或燃烧性能并未达到高的值，这是因为生成来加热热电元件的热容易遭遇几乎不可控的分散。
本发明所要解决的技术问题是提供得以消除关于现有技术所提及的缺陷的装置，该装置潜在地具有非常减小的尺寸并使用燃烧来生成电。
这样的问题通过如上具体说明的、由所附权利要求1限定的装置被解决。
尤其，本发明涉及一种用于生成电功率的装置，所述装置包括燃烧室，所述燃烧室借助沿着纵向轴线形成的细长筒形容器实现，容器具有入口端、排出端和内筒形壁，所述排出端带有排出导管。
在该燃烧室中，入口端处设置有一个或多个喷射导管用于导入燃烧剂、燃料和/或它们的混合物，所述一个或多个喷射导管垂直于所述纵向轴线布置。所述燃烧剂的喷射切向于内筒形壁进行，以便引起螺旋燃烧路径。在这方面，内筒形壁具有催化材料沉积/附着物，以便加速燃烧反应。
装置还包括涡轮压缩机组，所述涡轮压缩机组具有压缩机和涡轮机，所述压缩机通过所述一个或多个喷射导管在压力下馈给所述燃烧室，所述涡轮机从所述排出导管接收烟气；压缩机和涡轮机键联接在同一轴线上，电功率生成器继而也键联接在所述轴线上。
最后，设置燃料电池，向燃料电池馈给来自涡轮机的烟气，并且如果需要，向燃料电池馈给另外的氧化剂，目的是通过电化学过程生成额外的电功率。
根据变型，燃烧室通过呈气态形式且处于压力下的燃烧剂和燃料的相应的料罐被馈给，因此压缩机的存在不再是必需的，并且仅涡轮机从燃烧室的排出导管接收烟气。
有利地，这样的料罐可向燃烧室馈给由水解系统产生的、处于压力下的气态氧和氢，在某些情况下可向水解系统馈给来自光伏电池或其它能源甚至可再生能源的电流。
根据本发明的装置的主要优点在于这样的事实，提升了系统的整体性能，通过利用带有螺旋运动和催化剂壁的室的基础原理和热电效应的基础原理来获得非常紧凑的装置和更少的损失。
参考附图，下文中将根据本发明的优选实施例来描述本发明，所述优选实施例以示例的方式提供且不用于限制的目的，其中：
图1图示根据本发明的用于生成电功率的微燃烧装置的第一示例的功能方案；
图2图示根据本发明的用于生成电功率的微燃烧装置的第二示例的功能方案；
图3图示根据本发明的用于生成电功率的微燃烧装置的第三示例的功能方案；
图4示出图1的装置的部件(即具有螺旋路径的燃烧室)的立体图和功能方案；
图5示出图1的装置的另一部件的一些变型的图像；以及
图6示出图1的装置的另外的部件的图像。
参考附图且尤其参考图1，用于生成电功率的微燃烧装置总的以1标示。
所述微燃烧装置包括燃烧室2，燃烧室借助沿着纵向轴线X形成的细长筒形容器3实现。
容器3具有第一端4，第一端处存在一个或两个喷射导管。燃料、氧化剂或它们的混合物通过这些导管喷射。氧化剂的导管或氧化剂混合物的导管的切向位置将螺旋运动赋予将发生反应的流；于是可将所述第一端4标识为入口端。容器3还具有第二端5或排出端5，在第二端或排出端处，气态燃烧产物的排出在所述螺旋路径的末尾处通过排出导管进行。
在这方面，装置1包括包含燃料的第一料罐6，所述燃料比如处于压力下的氢气或气态烃(比如甲烷)或液态烃(比如例如GPL)被以一定的压力供给。第一料罐6通过第一喷射导管7连接，第一喷射导管既垂直于所述纵向轴线X又垂直于筒形壁地布置在连接点中(图1)。
通过相同的方式，在本示例中，装置包括将氧化剂或燃烧剂(比如空气或氧气)提供到燃烧室2的第二喷射导管8。
下文中描述第二喷射导管的供给，第二喷射导管8垂直于所述纵向轴线X且切向于容器3的内筒形壁布置，从而向流引起螺旋路径。这种螺旋将因显著延长燃烧反应的路径、且于是甚至延长试剂的相对停留时间，而在燃烧室2的整个延伸范围内展开、最远至燃烧室的排出端。
在这方面，将注意到(图4)，第二喷射管8喷射氧化剂流，氧化剂流相对于燃料作为第一项进入燃烧室；事实上，垂直地喷射燃料流的第一导管7相对于第二导管8错开90°。
这意味着，在其它特定的应用中，燃料和燃烧剂可以先混合再喷射。
仅单纯地通过示例的方式，对于具有等于6.0mm的直径和等于30.0mm的长度的中燃烧室，由于所引起的燃烧反应路径延长，因此试剂的停留时间从低于10-4s的时间变化到0.08s。
筒形容器3的内筒形壁具有引起燃料与燃烧剂之间的燃烧反应的催化材料的沉积物。优选地，催化材料主要包括铂。
由于催化材料，触发氧化反应的温度被降低。在装置的优选形式中，这样的降低连同燃烧路径的延长允许引燃伴有火焰形成的燃烧反应而无需任何外部的引燃干预。
另外，装置可设置有用于加热燃烧剂的器具，和/或用于从燃烧室的外部引起燃烧室的加热的器具，比如通过施加在燃烧室的外表面上的电阻。
在每种情况中，这都意味着燃烧室被实现为单个部件，并且燃烧室仅具有对于喷射和排出所需的孔。
因此，该燃烧室利用流体动力学和化学将燃烧停留时间增至最大并通过所述催化剂的沉积物将化学动力学时间缩至最小。这些解决方案允许通过减小燃烧室的尺寸同时简化燃烧室的结构。
然后，装置1包括包含氧化剂或燃烧剂(比如空气或氧气)的第二料罐9，所述氧化剂或燃烧剂必须以一定压力馈给在燃烧室2中。
在这方面，装置1包括涡轮压缩机组10，涡轮压缩机组从第二料罐9提取燃烧剂，并且通过所述第二喷射导管8将燃烧剂喷射在燃烧室2中。
涡轮压缩机组10包括键联接在同一轴线13上的压缩机11和涡轮机12，电功率生成器14、尤其交流发电机继而也键联接在所述轴线上。
向涡轮机12馈给处于压力下的燃烧产物，所述燃烧产物从燃烧室、在筒形容器3的其中设置有排出导管15的排出端5处被射出。
在示例中，排出导管15垂直于筒形容器3的纵向轴线X并切向于所述容器的内筒形壁分岔。
压缩机11可以是离心式的，并且包括以示例方式呈现在图6中的离心式叶轮。
涡轮机12也可以是离心式的，并且包括以图5中的一些可行示例为代表的相对离心式叶轮。
涡轮压缩机组10必须能够以适当的方式旋转，对于具有更加减小的尺寸的室，所述旋转方式可高于或等于0.4*106rpm，并且涡轮压缩机组必须具有可用的适当的轴承。
涡轮机的排出部连接到装置1的燃料电池16，因此在燃烧室2中反应不完全的情况下，燃料电池接收与燃烧产物一起的甚至一定量的未燃烧的燃料和/或一定量的未燃烧的氧化剂。
关于这方面，如果需要，第二料罐9经减压阀(reducer)17馈给燃料电池16，在这方面，所述减压阀可以是打开、部分打开或关闭的。
燃料电池16因其内的电化学反应而与交流发电机14一起对电功率的产生有贡献。
参考图2和图3，描述了根据本发明的微燃烧装置的另外两个实施示例；所述微燃烧装置通过使用氢气作为燃料和使用氧气作为燃烧剂进行馈给。
这两个示例特征在于在燃烧室的上游存在电解系统(水解)，所述电解系统向室自身供给来自液态水的气态氢和氧，所述液态水在某些情况下甚至是经适当处理的污水、废水或雨水。
此外，对于电功率的生成，注意到不存在压缩机，这是因为在燃料和燃烧剂(H2和O2)产生之后，所述燃料和燃烧剂被积蓄在特定的料罐中，并在达到规划压力之后被导入室中。
在所用燃料量相等的情况下，相对于常规发电机中发生的情况，该系统的区别之处在于：每燃料单位和体积单位产生更大的电功率量。
这既是因为已经示出在关于碳氢化合物的配置构造中的特征(具有螺旋运动的室、具有催化剂沉积物的壁等)，也是因为氢气是具有最高加热功率的元素，而且还因为没有压缩机，而据估算，在涡轮压缩机系统中，涡轮机所产生的能量的大约1/3被用于使压缩机动作。
在这两个示例中的第一个(图2)中，装置1包括电解系统22，以将料罐23中输运的液态水分解成气态氢和氧。
电解系统22包括阳极24和阴极25，阳极和阴极遭受由电池26生成的电压，所述电池继而可通过可行的光伏或风系统或通过任何其它的(能)源甚至可再生(能)源进行充电。
这意味着电池26仅是可能使用的诸多电功率源之中的一个可行的示例。
气态氧和氢在料罐23的相应分支处、分别在阳极24处和阴极25处汩出。然后，所述气态氧和氢馈给处于压力下的相应的氧气罐27和相应的氢气罐28。
如已知的，水应当至少微弱地离解成离子，以允许电流通过。在这方面，水将包括足量的电解质，例如溶解的酸或盐。
如果要求高于电解系统生产能力的气体喷射，则上述料罐是有用的。
在某些情况下液态水甚至可来自于用于回收(经适当处理的)雨水或废水的系统，并且电解系统操作所需的电能在某些情况下甚至可通过用于积蓄/处理来自可再生(能)源(比如例如太阳能或风能源)的能量的系统被获取。
在图3的示例中，引发电解系统22中水解的电池专门由太阳能电池馈给。
此外，燃料电池16可甚至通过空气导管29被馈给。
从涡轮机或燃料电池出来的水蒸气还可以：
1)通过适合的系统冷凝，以再次转化为液态水且之后被回收用于其它用途，比如例如作为用于生成能量的同一装置的另外的液体燃料；
2)直接以蒸气状态导入在位于第一装置下游且串联(与第一装置相同或不同)的用于生成能量(高温水解)的另外的装置中。
在上述水解馈给解决方案得以实现的优点中，值得一提的是：
1.液态水具有高的密度(减小的体积)，液态水廉价、安全，液态水需要低的电功率(标称1.23V，甚至可从太阳能电池获得)来分解成氢气和氧气，且不需要高压料罐；
2.氢气和氧气被分解成化学计量比例，这保证了最高的燃烧温度，并且氢气和氧气的燃烧只产生水蒸气；
3.具有螺旋路径燃烧的燃烧室允许以比往复式发动机所用燃烧室更小的体积来具有高的燃烧效率，并且所述燃烧室没有旋转部分且不需要润滑；
4.在室内、壁上的催化材料沉积物允许进一步减小燃烧室的特征尺寸，并甚至借助充当火焰锚定(flame anchoring)的再循环(气)泡被用作“引燃装置”，允许简化引燃系统，直到在某些情况下将之完全去除为止；
5.涡轮机可根据尺寸而规划成在固定点(条件)下工作并达到甚至高的效率程度；
6.电解系统将允许自身免于使用压缩机(氢气和氧气可积蓄在特定的料罐中并处于感兴趣的压力)，从而允许每烟气单位获得更多的电能；
7.可行的燃料电池在高温条件下工作具有优势，于是从涡轮机流出的仍然热的气体的热化学特征允许提高电池效率，可能甚至伴有氧化剂从外部的额外供给；以及
8.系统的模块性/可扩展性，也就是，可根据所需能量来规划所述系统。
因此，鉴于上述内容，本发明的微燃烧装置设置成集成不同的技术，比如具有燃烧产物的螺旋运动的燃烧室、使燃烧加速的催化剂沉积物、涡轮压缩机组或一个单独的涡轮机、燃料电池以及在某些情况中水解系统和用于处理/净化水的系统。由于这种集成，在所用燃料量相等的情况下，该系统能够产生相对于借助常规发电机来进行的更大的电功率量，并且具有更加减小的体积。
一次单一燃料加料的热功率于是既通过交流发电机也通过燃料电池被转换成电功率。
因而，与上述装置相关的优点很多。具有螺旋运动的燃烧室允许以相对于往复型发动机中所使用的燃烧室减小的体积来具有高的燃烧效率，具有螺旋运动的燃烧室没有旋转部分且不需要任何形式的润滑。
此外，在燃烧室的内壁上的催化材料沉积物允许进一步减小燃烧室的尺寸，并允许简化引燃系统，直到可能将之完全去除为止。
因此，燃烧室的结构简单性允许燃烧室使用不同的燃料和氧化剂。
此外，涡轮机可根据它的尺寸而规划成“以固定点”工作并达到甚至高的有效程度。
燃料电池在高温条件下工作具有优势，由于从涡轮机流出的热气体，这因而提高了电池本身的效率。
最后，系统适于具有优异的模块性，并且可根据所需能量进行设计，从而减小系统的特征尺寸。
根据所需能量，该装置还适于具有若干应用，例如作为用于电力牵引输运的增程器；或用于在复杂情况中产生能量，例如在医院和/或在军事领域中，或在诸如船舶或飞机、无人机、外骨骼等载具上，或在轨道卫星上；或甚至在固定式应用中，其中需要在有限的区域内就地产生能量，以馈给应急系统、计算机、电信设备等。
还需考虑到，燃烧室的结构简单性允许燃烧室使用若干种燃料和氧化剂，这是因为燃烧室是一个单一的材料块、具有简单的筒形喷射孔和排出孔而没有其它的由用于引燃燃烧的器具决定的孔。
对于上述用于生成电功率的装置，本领域技术人员可以为了满足额外的和偶然的需求而引入若干另外的修改和变型，但是所有这些都被包括在如由所附权利要求限定的本发明的保护范围内。

Claims (19)

1.一种用于生成电功率的微燃烧装置(1)，包括：
燃烧室(2)，所述燃烧室借助沿着纵向轴线(X)形成的细长筒形容器(3)被实现，所述细长筒形容器具有入口端(4)、排出端(5)和内筒形壁，所述排出端至少带有排出导管(15)，其中：
所述入口端(4)处设置有一个或多个喷射导管(7、8)用于引入燃烧剂、燃料和/或它们的混合物，所述一个或多个喷射导管垂直于所述纵向轴线(X)布置，其中，进行并且切向于所述内筒形壁地进行所述燃烧剂的至少喷射，以便引起螺旋燃烧路径；
所述内筒形壁具有催化材料的沉积物，以引起燃烧反应；
涡轮压缩机组(10)，所述涡轮压缩机组包括压缩机(11)和涡轮机(12)，所述压缩机通过所述一个或多个喷射导管(8)在压力下馈给所述燃烧室(2)，所述涡轮机从所述排出导管(15)接收烟气，压缩机(11)和涡轮机(12)键联接在同一轴线(13)上，电功率生成器(14)继而也键联接在所述轴线上；
燃料电池(16)，通过所述涡轮机(12)向所述燃料电池馈给烟气，并向所述燃料电池馈给氧化剂，实现用于生成额外的电功率的电化学过程。
2.一种用于生成电功率的微燃烧装置(1)，包括：
燃烧室(2)，所述燃烧室借助沿着纵向轴线(X)形成的细长筒形容器(3)实现，所述细长筒形容器具有入口端(4)、排出端(5)和内筒形壁，所述排出端至少带有排出导管(15)，其中：
所述入口端(4)处设置有喷射导管(7、8)用于相应地导入呈气态形式的燃烧剂和燃料，所述喷射导管垂直于所述纵向轴线(X)布置，其中，进行并且切向于所述内筒形壁地进行所述燃烧剂的至少喷射，以便引起螺旋燃烧路径；
所述内筒形壁具有催化材料的沉积物，以引起燃烧反应；
呈气态形式的燃烧剂和燃料的相应的料罐(27、28)，以通过所述喷射导管(7、8)馈给呈气态形式的燃烧剂和燃料；
涡轮机(12)，所述涡轮机接收来自所述排出导管(15)的烟气，所述涡轮机被键联接在电功率生成器(14)的轴线(13)上；
燃料电池(16)，通过所述涡轮机(12)向所述燃料电池馈给烟气，并向所述燃料电池馈给氧化剂，实现用于生成额外的电功率的电化学过程。
3.根据权利要求1或2所述的微燃烧装置(1)，其中，用于燃料的第一喷射导管(7)和用于燃烧剂的第二喷射导管(8)被设置，所述第二喷射导管(8)垂直于所述纵向轴线(X)并切向于所述容器(3)的内筒形壁布置，以便向流和燃烧反应引起螺旋路径。
4.根据权利要求3所述的微燃烧装置(1)，其中，所述第一喷射导管(7)相对于错开90°，使得所述燃料被所述氧化剂流包围。
5.根据权利要求1所述的微燃烧装置(1)，其中，设置包含氧化剂或燃烧剂的料罐(9)，所述氧化剂或燃烧剂必须通过涡轮压缩机组(10)以一定的压力馈给到燃烧室(2)，所述涡轮压缩机组从料罐(9)提取燃烧剂并将燃烧剂喷射到燃烧室(2)中。
6.根据权利要求1所述的微燃烧装置(1)，其中，所述涡轮压缩机组(10)能够以等于0.4*106rpm或甚至更高的方式旋转。
7.根据权利要求1所述的微燃烧装置(1)，其中，设置包含氧化剂或燃烧剂的料罐(9)，并且所述料罐通过减压阀(17)馈给所述燃料电池(16)，所述减压阀可根据需要打开、部分打开或关闭。
8.根据权利要求1或2所述的微燃烧装置(1)，其中，所述燃烧室(2)被实现为一个单件，具有作为单个开口的喷射孔口和排出孔口。
9.根据权利要求1或2所述的微燃烧装置(1)，其中，所述催化材料主要包括铂。
10.根据权利要求1或2所述的燃烧装置(1)，其中，所述催化材料降低用于触发氧化反应的温度，从而与燃烧路径的延长一起地，这允许伴有火焰形成的燃烧反应的自动引燃。
11.根据权利要求1或2所述的微燃烧装置(1)，其中，所述燃烧室(2)设置有用于从燃烧室的外部引起燃烧室(2)的加热的器具。
12.根据权利要求11所述的微燃烧装置(1)，其中，用于从燃烧室的外部引起燃烧室(2)的加热的器具包括施加在燃烧室(2)的外表面上的电阻。
13.根据权利要求1或2所述的微燃烧装置(1)，包括用于加热燃烧剂的器具。
14.根据权利要求2所述的微燃烧装置(1)，其中，所述燃料罐和燃烧料罐是处于压力下的氢气罐(28)和氧气罐(27)。
15.根据权利要求14所述的微燃烧装置(1)，其中，所述处于压力下的氢气罐(28)和氧气罐(27)由水解系统(22)馈给。
16.根据权利要求15所述的微燃烧装置(1)，其中，所述水解系统(22)由光伏电池馈给。
17.根据权利要求15所述的微燃烧装置(1)，其中，所述水解系统(22)包括针对高温类型的水解系统，并且向所述水解系统馈给从涡轮机(12)排放的蒸气。
18.根据权利要求15所述的微燃烧装置(1)，其中，向所述水解系统(22)馈给经相关预处理的废水、污水和/或雨水。
19.根据权利要求15所述的微燃烧装置(1)，其中，从 所述涡轮机(12)排放的蒸气在冷凝器中冷凝，并且在某些情况下所述蒸气被送到所述水解系统(22)。
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