CN110553259B - 一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微小尺度燃烧技术领域，并具体公开了一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器。包括内部为中空结构的圆柱形外壳以及依次布置于该中空结构中的燃料进气口、空气进气口、混合室、燃烧室和出气口，所述燃料进气口设于所述空气进气口的内部，且通过圆柱形套筒隔开，所述燃料进气口靠近混合室的一侧设有燃料挡板，所述燃料进气口与该燃料挡板之间设有可供燃气通过的间隙；所述混合室和燃烧室之间设有隔板，所述隔板的径向截面与所述中空结构的径向截面相同，且所述隔板上设置有第一通孔和多个第二通孔。本发明的微小型非预混燃烧器具有火焰稳定性高、稳燃范围宽、火焰位置固定、壁温分布一致性高等特点。
Description
技术领域
本发明属于微小尺度燃烧技术领域，更具体地，涉及一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器。
背景技术
随着MEMS技术的快速发展，不断涌现出了许多微小型装置和系统，如微型卫星、微型机器人、微型推进系统等微小型电子设备。目前，这些设备的能量来源主要是化学电池，然而化学电池的能量密度低，体积和重量大。碳烃类燃料相对于化学电池来说有高出几十倍的能量密度优势，如典型液体碳氢化合物燃料的能量密度约为45MJ/kg，而目前的锂电池的能量密度约为1.2MJ/kg。因此，开发基于燃烧的微小型发电装置具有非常巨大的应用前景。研究者们已经成功制造出了微热光伏系统和微热电系统等，其中燃烧器是微小型发电系统的关键部件。
根据燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是否混合，燃烧可分为预混燃烧和非预混燃烧。预混燃烧由于燃料和氧化剂在进入燃烧器之前已经进行了充分混合，完全燃烧需要的时间一般来说是足够的，影响其火焰稳定性的主要因素是散热损失。为此，研究者们提出了热循环燃烧、催化燃烧、钝体和凹腔稳燃器等各种不同的稳燃技术，取得了较好的效果。而对于非预混燃烧，不仅需要考虑散热损失问题，还要考虑燃料和氧化物的混合问题。
由于微小型燃烧器主要应用于各种便携式设备中，因此保证安全是首要问题。为了防止发生回火危险，应该优先采取燃料和氧化剂非预混的燃烧方式。但是由此会带来一个新的问题，即燃料和氧化剂混合不均导致反应不充分、燃烧效率低以及火焰不稳定。例如，火焰街就是一个在非预混燃烧时出现的具有代表性的不稳定现象(Xu B,Ju Y.Studieson non-premixed flame streets in a mesoscale channel.Proceedings of theCombustion Institute,2009,32(1):1375-1382)。对于当今的热光伏系统，为了充分利用燃烧释放的热量，往往将燃烧室设计为圆柱形，例如，Park等(Park J H,Lee S I,Wu H,etal.Thermophotovoltaic power conversion from a heat-recirculating micro-emitter[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(17-18):4878-4885)和Lee等(Lee K H,Kwon O C.Studies on a heat-recirculatingmicroemitter for a micro thermophotovoltaic system[J].Combustion and Flame,2008,153(1-2):161-172)均采用圆柱形的燃烧室作为热光伏发电装置的热源。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体表面的热辐射力和绝对温度呈四次方关系，提高进气流量以提高燃烧温度能有效改善热光伏系统的整体效率。
然而，由于非预混燃烧的不稳定性，火焰位置易随进气速度的大小而变化，造成燃烧室外壁面温度分布的变化，会影响热光伏和热电设备在不同发电功率(燃料进口流量)时的发电效率。因此，本领域亟待对现有的微小型非预混燃烧器做出改进，以解决火焰位置随进气速度的大小而变化的问题。
发明内容
针对现有技术的上述缺点和改进需求，本发明提供了一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器，其中通过对微小型非预混燃烧器的构造及燃烧工艺条件进行设计，相应能够将空气和燃气进行部分混合后再进行分流，以形成富燃预混主火焰区和包围在富燃预混主火焰区外面的贫燃预混小火焰区，四周的贫燃预混小火焰区可以阻隔中心富燃预混主火焰区的根部向环境散热，同时通过扩散为中心富燃预混主火焰区提供完全燃烧所需的空气，因此能够有效稳定和强化中心富燃预混主火焰，此外，本发明的微小型非预混燃烧器，具有火焰稳定性高、稳燃范围宽、火焰位置固定、壁温分布一致性高等优点。可适合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，本发明提出了一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器，包括内部为中空结构的圆柱形外壳以及依次布置于该中空结构中的燃料进气口、空气进气口、混合室、燃烧室和出气口，其中，
所述燃料进气口位于空气进气口内部，且通过圆柱形套筒隔开，所述燃料进气口靠近混合室的一侧设有燃料挡板，所述燃料进气口与该燃料挡板之间设有可供燃气通过的间隙；经燃料进气口输入的燃气在所述燃料挡板的作用下发生分流，与从空气进气口输入的空气发生不均匀混合后进入所述混合室；
所述混合室和燃烧室之间设有隔板，所述隔板的径向截面与所述中空结构的径向截面相同，且所述隔板上设置有第一通孔和多个第二通孔，所述第一通孔的轴线与所述隔板的轴线共线，多个第二通孔沿所述第一通孔的外周呈阵列排布，进而所述混合室中部区域的混合燃气经过所述第一通孔后在燃烧室的中部形成富燃预混主火焰区，所述混合室外部区域的混合燃气经过所述多个第二通孔后在富燃预混主火焰区的外周形成贫燃预混小火焰区，以强化和稳定富燃预混主火焰区燃气的燃烧。
作为进一步优选的，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径，进一步的，所述第一通孔的直径至少为所述第二通孔的直径的两倍。
作为进一步优选的，所述第一通孔的直径为1mm～4mm，所述第二通孔的直径为0.5mm～2mm。
作为进一步优选的，多个所述第二通孔关于所述第一通孔的轴线对称布置，进一步的，所述第二通孔的个数为4～8个。
作为进一步优选的，所述第一通孔、燃料进气口、空气进气口和燃料挡板的轴线共线。
作为进一步优选的，所述外圆柱形外壳为圆柱形结构，该圆柱形结构的内径为3mm～8mm；所述燃料进气口的直径为1mm～3mm。
作为进一步优选的，所述圆柱形外壳采用不锈钢、铜、碳化硅或者石英玻璃制备而成；所述燃料进气口、燃料挡板以及隔板采用不锈钢或铜制备而成。
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.本发明通过将空气和燃气进行两次不均匀混合后在进行分流，以在燃烧室形成富燃预混主火焰区和包围在富燃预混主火焰区外面的贫燃预混小火焰区，四周的贫燃预混小火焰区可以阻隔中心富燃预混主火焰区的根部向环境散热，同时通过扩散为中心富燃预混主火焰区提供完全燃烧所需的空气，因此能够有效稳定和强化中心富燃预混主火焰。
2.本发明所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径进一步的，所述第一通孔的直径至少为所述第二通孔的直径的两倍，从而可控制富燃预混主火焰区和贫燃预混小火焰区的区域大小，使得富燃预混主火焰区在获取燃烧所需的空气同时，减少根部向环境散热。
3.本发明多个所述第二通孔关于所述第一通孔的轴线对称布置，以在富燃预混主火焰区周围形成均匀的贫燃预混小火焰区。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器的结构示意图；
图2是图1中涉及的隔板的结构示意图；
图3是本发明实施例中作为对照组a的普通圆柱型非预混微燃烧器的结构示意图；
图4是本发明实施例中作为对照组b的普通圆柱型非预混微燃烧器的结构示意图；
图5是本发明实施例、对照组a和对照组b在不同的甲烷名义当量比下，到达吹熄极限时的甲烷进口速度；
图6是本发明实施例和对照组b在甲烷名义当量比为1时，不同燃料进口速度下的火焰位置；
图7是名义当量比为1时，甲烷进口速度分别为0.2m/s、0.25m/s和0.3m/s时，本发明实施例圆柱形外壳外壁面的温度分布；
图8是名义当量比为1时，甲烷进口速度分别为0.2m/s、0.25m/s和0.3m/s时，对照组b圆柱形外壳外壁面的温度分布。
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-空气进气口，3-燃料挡板4-混合室，5-隔板，6-燃烧室，7-圆柱形外壳，8-烟气出口。
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和图2所示，本发明一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器包括内部为中空结构的圆柱形外壳7以及依次布置于该中空结构中的进气口、混合室4、燃烧室6和出气口8。整个燃烧器可使用3D打印技术制造，或分为内外两部分进行车削并焊接而成。该圆柱形外壳7的中空结构内设置有燃料进气口1、空气进气口2、燃料挡板3、混合室4、隔板5、燃烧室6和出气口8，所述燃料进气口1与空气进气口2和混合室3相连通，两个进气口在燃料挡板3附近连通。所述混合室4、燃烧室6和出气口8相连通，且由隔板5设于混合室4与燃烧室6之间。所述混合室4与燃烧室6处于同一直线上。具体而言，所述燃料进气口1位于空气进气口2的内部，且通过圆柱形套筒隔开，其靠近混合室4的一侧设有燃料挡板3，所述燃料进气口1与该燃料挡板3之间设有可供燃气通过的间隙；经燃料进气口1输入的燃气在所述燃料挡板3的作用下发生分流，与从空气进气口2输入的空气发生不均匀混合后进入所述混合室4；所述混合室4和燃烧室6之间设有隔板5，所述隔板5的径向截面与所述中空结构的径向截面相同，且所述隔板5上设置有第一通孔和多个第二通孔，所述第一通孔的轴线与所述隔板5的轴线共线，多个第二通孔沿所述第一通孔的外周呈阵列排布，进而所述混合室4中部区域的混合燃气经过所述第一通孔后在燃烧室6的中部形成富燃预混主火焰区，所述混合室4外部区域的混合燃气经过所述多个第二通孔后在富燃预混主火焰区的外周形成贫燃预混小火焰区，以强化和稳定富燃预混主火焰区燃气的燃烧。
由于本发明提高了可燃极限，间接提高了燃烧器的输出热功率，且可以稳定火焰位置，提高了热光伏或热电系统在变工况下的发电效率。非常适合为微型热光伏系统或者热电装置提供热源，也适合作为微小型加热器。
更近一步而言，燃料进气口1与空气进气口2呈同轴布置，且空气进气口2与燃料进气口1通过第一隔板隔开，空气进气口2沿所述燃料进气口1的外周布置。其中燃料进气口1的直径为1mm～3mm，空气进气口2的内径为2mm～5mm，外径为3mm～8mm。空气进气口2的外径与混合室4以及燃烧室6的直径相同。燃料挡板3位于燃料进气口1与混合室4之间，燃料挡板3的厚度为0.5mm～2mm，但并不限于此厚度。燃料挡板3的直径与空气进气口2的内径相同。燃烧室6和混合室4通过隔板5相连通，其中隔板5的厚度为0.5mm～2mm，隔板5中心开有第一通孔，第一通孔周围呈阵列的方式布置有多个第二通孔，或者以第一通孔的中心为中心设有环形孔，然后由细杆固定。第一通孔的直径至少为第二通孔的直径的两倍，第一通孔的直径为1mm～4mm，第二通孔的直径为0.5mm～3mm，第二通孔的数量为4～8个。燃烧室6的长度为5mm～50mm。外壳7的外径为3mm～8mm。通过改变燃烧室6和混合室4的长度以及燃料进气口1、空气进气口2、燃烧室6和混合室4直径可进一步提高主火焰的稳燃极限。所述外壳7采用不锈钢、铜、碳化硅或者石英玻璃制备而成；所述燃料进气管1、燃料挡板3以及隔板5采用不锈钢或铜制备而成。
本发明微小型非预混燃烧器的工作原理如下：通过燃料进气口1输入的燃气经燃料挡板3的作用进行分流，与经空气进气口2输入的空气进行第一次不均匀混合，第一次不均匀混合的气体进入混合室4后进行第二次混合，且此时，在混合室4中，沿混合室中心轴线方向的区域，燃气的浓度高，靠近混合室4壁面的燃气的浓度低，燃气的浓度高的混合气体和燃气的浓度低的混合气体在隔板5时，发生分流，进而，燃气的浓度高的混合气体通过第一通孔后在燃烧室6的中心轴线部分区域进行燃烧，并形成富燃预混主火焰区，而燃气的浓度低的混合气体通过第二通孔后在富燃预混主火焰区的四周形成贫燃预混小火焰区，四周的贫燃预混小火焰区可以阻隔中心富燃预混主火焰区的根部向环境散热，同时通过扩散为中心富燃预混主火焰区提供完全燃烧所需的空气，因此能够有效稳定和强化中心富燃预混主火焰。
以下为具体实施例：
本实施例采用甲烷为燃料，空气为氧化剂，燃料进气口内径为1mm，长度2mm；空气进气口内径为3mm，外径为5mm；燃料挡板厚度为0.5mm，直径为3mm；燃烧器外壳外径为6mm，壁厚为0.5mm；混合室长度为5mm；隔板厚度为0.5mm，第一通孔的直径为2mm。为简化为二维计算，隔板四周的孔被看作一个内径为3mm、外径为4mm的圆环。燃烧室长度为12mm。整个燃烧器长度为20mm，如图1所示，圆柱形外壳采用SUS316材料制成，其常温下的密度、比热容、导热系数和法向发射率分别为8000kg/m3、
520J/(kg·K)、12.4W/(m2·K)和0.65。同时设置一普通的圆柱形非预混燃烧器对照组a，如图3所示，该燃烧器无燃料挡板和隔板；还设置一有燃料挡板但无隔板的圆柱形非预混燃烧器对照组b，如图4所示。
应用通用的CFD计算软件Fluent15.0，对三个燃烧器在不同工况下的燃烧特性进行了数值模拟，结果如图5、图6、图7和图8所示。
图5给出了本发明实施例、对照组a和对照组b在不同名义当量比下，到达吹熄极限时对应的甲烷进口速度。这里，名义当量比定义为假设燃料与氧化剂发生完全混合时的混合物当量比。从图5中可以明显看出，采用燃料挡板的方式(对照组b)可以明显提高各名义当量比下的吹熄极限；而进一步增加混合室和隔板之后(本发明实施例)，还可以略微提高燃烧的吹熄极限。由于对照组b明显优于对照组a，故接下来的讨论中仅以对照组b为对照。图6给出了实施例和对照组b在名义当量比为1时，不同燃料进口速度下的火焰位置。这里，取燃烧器中心轴线上CH组分浓度最大的位置作为火焰位置。可以看出，对照组b由于没有设置混合室和隔板，火焰位置很大程度上受进气速度的影响。而本发明实施例中的火焰基本稳定在隔板附近。在本实施例的工况中，火焰位置仅移动了2mm，而对照组b中的火焰移动了9mm。为了更加清晰直观的反应火焰位置稳定的优势，图7和图8给出了本发明实施例(见图7)和对照组b(见图8)在名义当量比为1时，甲烷进口速度分别为0.2m/s、0.25m/s和0.3m/s时的圆柱形外壳外壁面温度分布。从图中可以明显看出，本发明实施例中的圆柱形外壳外壁面温度分布可以达到700K～1200K的范围，这非常适用于各类热光伏装置(Qiu K,HaydenA C S.Integrated thermoelectric generator and application to self-poweredheating systems[C]//Thermoelectrics,2006.ICT'06.25th International Conferenceon.IEEE,2006:198-203.)。且本发明实施例中的圆柱形外壳外壁面温度在不同工况下基本一致，而对照组b中的圆柱形外壳外壁面温度分布受进气速度的影响非常显著。由于在热光伏系统中，光电转换装置的位置始终固定不变，稳定的壁温分布很大程度上可以改善热光伏装置在变工况时的发电效率。同时，本发明为圆柱体结构，能充分利用壁面的辐射热，也易于耦合布置热光伏板阵列。
本发明利用部分预混的贫燃小火焰来稳定和强化中心轴线处的富燃预混主火焰。本发明具有火焰稳定性高、稳燃范围宽、火焰位置固定、壁温分布一致性高等优点。可适合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。
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)
1.一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器，其特征在于，包括内部为中空结构的圆柱形外壳(7)以及依次布置于该中空结构中的燃料进气口(1)、空气进气口(2)、混合室(4)、燃烧室(6)和出气口(8)，其中，
所述燃料进气口(1)设于所述空气进气口(2)的内部，且通过圆柱形套筒隔开，所述燃料进气口(1)靠近混合室(4)的一侧设有燃料挡板(3)，所述燃料进气口(1)与该燃料挡板(3)之间设有可供燃气通过的间隙；经燃料进气口(1)输入的燃气在所述燃料挡板(3)的作用下发生分流，与从空气进气口(2)输入的空气发生不均匀混合后进入所述混合室(4)；
所述混合室(4)和燃烧室(6)之间设有隔板(5)，所述隔板(5)的径向截面与所述中空结构的径向截面相同，且所述隔板(5)上设置有第一通孔和多个第二通孔，所述第一通孔的轴线与所述隔板(5)的轴线共线，多个第二通孔沿所述第一通孔的外周呈阵列排布，进而所述混合室(4)中部区域的混合燃气经过所述第一通孔后在燃烧室(6)的中部形成富燃预混主火焰区，所述混合室(4)外部区域的混合燃气经过所述多个第二通孔后在富燃预混主火焰区的外周形成贫燃预混小火焰区，以强化和稳定富燃预混主火焰区燃气的燃烧。
2.根据权利要求1所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，所述第一通孔的直径大于所述第二通孔的直径。
3.根据权利要求2所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，所述第一通孔的直径至少为所述第二通孔的直径的两倍。
4.根据权利要求1所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，所述第一通孔的直径为1mm～4mm，所述第二通孔的直径为0.5mm～2mm。
5.根据权利要求1所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，多个所述第二通孔关于所述第一通孔的轴线对称布置，进一步的，所述第二通孔的个数为4～8个。
6.根据权利要求1所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，所述第一通孔、燃料进气口(1)、空气进气口(2)和燃料挡板(3)的轴线共线。
7.根据权利要求1所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，所述圆柱形外壳(7)的内径为3mm～8mm；所述燃料进气口(1)的直径为1mm～3mm。
8.根据权利要求1-7任一项所述的微小型非预混燃烧器，其特征在于，所述圆柱形外壳(7)采用不锈钢、铜、碳化硅或者石英玻璃制备而成；所述燃料进气口(1)、燃料挡板(3)以及隔板(5)采用不锈钢或铜制备而成。
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