CN110906328A - 一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于小尺度燃烧的技术领域，并具体公开了一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器。包括燃料预热本体、环形凸台以及燃烧室下圆盘，所述燃料预热本体包括上盖板、下壁板以及设于所述上盖板、下壁板之间呈螺旋形状布置的燃料预热通道，燃烧室下圆盘与下壁板间隔布置，以形成预混燃烧器的环形燃烧室，环形凸台一端与下壁板固定连接，另一端与所述燃烧室下圆盘间隔设置，环形凸台内设有燃料通道，该燃料通道一端与设于所述下壁板上用于连接所述环形凸台与所述燃料预热通道出气口的通孔连接，另一端与所述环形燃烧室入口连接。本发明能够有效实现燃料预混气的高效预热和稳定高效燃烧，适用于各种小型动力或加热装置。

Description

一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器
技术领域
本发明属于小尺度燃烧的技术领域，更具体地，涉及一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器。
背景技术
微机电装置(MEMS)近来发展迅速，不断涌现出小型无人机、小型火箭和小型推进系统等装置。目前这些设备主要由常规电池功能，而常规电池存在一些缺点：(1)能量密度小；(2)重量和体积较大；(3)补能耗时较长。而碳氢燃料燃烧可释放高能量密度，如典型的碳氢燃料的能量密度可达～45MJ/kg，而目前常规化学电池Zinc/Air的能量密度仅～1.65MJ/kg。而且碳氢燃料燃烧对环境基本无污染，燃烧产物仅为二氧化碳和水。另外，基于燃料燃烧的小型动力装置运行时间长，可通过直接补充燃料来快速补能，且不需要更换任何设备，成本低。因此基于燃烧的小型动力装置有重要研发意义，而燃烧器是其核心部件，亟需研发出安全稳定高效的小型燃烧器。
燃料燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧两种方式。其中预混燃烧的火焰稳定性好，燃烧效率高，故此燃烧方式得到了广泛采用。而预混火焰由于火焰燃烧速度较快，有发生回火的危险。为保证燃烧器在使用时安全可靠，需要预混燃烧器具有防回火功能。
而小尺度燃烧器的比表面积相对常规燃烧器急剧增大，这将带来以下挑战：(1)散热损失急剧增大；(2)燃料停留时间大大缩短；(3)壁面对反应自由基的捕获能力大大增强。这些挑战导致火焰在小尺度燃烧器内易不稳定，易产生多种不稳定火焰形态。为此，研发人员采用了一些稳燃方法来克服这些问题。如不少学者采用钝体、壁面凹腔和突扩台阶等特殊结构产生流体回流区来锚定火焰位置，从而提升火焰稳定性，但此方法对于拓宽火焰可燃范围作用不大。为此，众多学者采用热回流稳燃方法来拓宽火焰可燃范围，这种方法主要是通过预热未燃燃料混合气来增大其初始反应温度，但此方法不能有效锚定火焰位置，易发生回火。
因此，本领域亟待提出一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器，能有机结合了热回流和流体回流稳燃方法的优点，同时实现火焰可燃范围宽、火焰位置可有效锚定。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器，创新性地将将燃料预热通道与燃烧室进行分离，呈上下结构，这不但可有效防止发生火焰回火，而且还为火焰燃烧提供了充足的发展空间。本发明燃烧器可高效预热燃料，显著提高燃料反应初始温度，增大火焰燃烧温度，拓宽火焰可燃范围；环形突台后的回流区和低速区可显著锚定火焰，进而提高火焰稳定性；燃烧室内的轴对称火焰使得圆盘底面温度分布更为均匀。因此，本发明可显著提高火焰稳定性和稳燃范围，可广泛适用于各种小型动力、发电或加热装置。
为实现上述目的，本发明提出了一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，包括燃料预热本体、环形凸台以及燃烧室下圆盘，其中，
所述燃料预热本体包括上盖板、下壁板以及设于所述上盖板、下壁板之间呈螺旋形状布置的燃料预热通道，所述燃烧室下圆盘设于所述下壁板下方，且与所述下壁板间隔布置，以形成预混燃烧器的环形燃烧室；
所述环形凸台设于所述下壁板与所述燃烧室下圆盘之间，其一端与下壁板固定连接，另一端与所述燃烧室下圆盘间隔设置，从而所述环形凸台的底面与所述燃烧室下圆盘之间的间隙形成预混燃烧器的环形燃烧室入口，所述环形凸台内设有燃料通道，该燃料通道一端与设于所述下壁板上用于连接所述环形凸台与所述燃料预热通道出气口的通孔连接，另一端与所述环形燃烧室入口连接，以此方式，燃料预混气经所述燃料预热通道的入口进入，沿所述燃料预热通道的出口进入所述燃料通道，然后通过环形燃烧室入口进入环形燃烧室，随即在所述环形凸台的外壁处被点燃，并在环形燃烧室内进行燃烧，然后，燃烧产生的烟气经设置在所述环形燃烧室外侧的环形燃烧室出口排出。
作为进一步优选的，所述燃料预热通道、燃料通道以及环形燃烧室的中心轴线共线。
作为进一步优选的，所述燃料通道的直径为1mm～5mm。
作为进一步优选的，所述环形凸台与所述环形燃烧室入口的竖向高度之比为1:9～9:1。
作为进一步优选的，所述环形凸台的横截面形状为矩形、梯形、扇形或三角形中的任一种，相应的，所述燃料通道的横截面形状为矩形、梯形或三角形中的任一种。
作为进一步优选的，所述环形燃烧室的竖直截面为平直形状、或者与其中心轴线为中心的减缩形状或者渐扩形状。
作为进一步优选的，所述环形燃烧室的竖直截面为平直形状时，其竖向高度为2mm～15mm。
作为进一步优选的，所述环形燃烧室内填充有多孔介质。
作为进一步优选的，所述环形燃烧室的壁面均匀涂覆有催化剂，所述催化剂为铂、镍、铑中的任意一种或几种。
作为进一步优选的，所述燃料预热通道、下壁板以及所述环形凸台一体成形。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.本发明将燃料预热通道与环形燃烧室进行分离，呈上下结构布置，以此方式，不但可有效防止发生火焰回火，而且还为火焰燃烧提供了充足的发展空间。
2.本发明燃料预热通道呈螺旋形，可大大增加燃料与环形燃烧室上壁面的预热时间和距离，可进一步提升燃料反应初始温度，大大拓宽火焰可燃范围，实现更强的超焓燃烧。
3.本发明未燃燃料经预热热膨胀后在燃料预热通道出口处的流速最大，进入环形燃烧室后逐渐减小，以此方式，有效防止火焰回火。
4.本发明环形突台下游位置会产生显著的回流区和低速区，以此方式，可较好的锚定火焰位置，提高火焰稳定性。
5.本发明环形燃烧室内燃烧的火焰呈圆形，关于燃烧器中心轴线轴对称，这使得燃烧室下壁面温度分布更为均匀。
总之，本发明克服了现有技术的不足，可高效预热燃料，显著提高燃料反应初始温度，增大火焰燃烧温度，拓宽火焰可燃范围；环形突台后的回流区和低速区可显著锚定火焰，进而提高火焰稳定性；燃烧室内的轴对称火焰使得圆盘底面温度分布更为均匀。因此，本发明可显著提高火焰稳定性和稳燃范围，可广泛适用于各种小型动力、发电或加热装置。
附图说明
图1是本发明实施例涉及的一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器的三维结构示意图；
图2是是本发明实施例涉及的一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器的中部剖视图；
图3是图1涉及的燃料预热通道的结构示意图。
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-燃料预热通道入口，2-燃料预热通道，3-燃料预热通道出口，4-燃料通道，5-环形燃烧室入口，6-环形凸台，7-环形燃烧室，8-环形燃烧室出口。
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。
本发明提供的燃烧器包含燃料预热通道，圆盘中心燃料通道，环形突台，环形燃烧室，燃料气流在螺旋形预热通道内高效预热，然后通过圆盘中心燃料通道到达环形燃烧室入口，随即在突台后被点燃，在环形燃烧室内燃烧，烟气从环形燃烧室出口排出。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以及图3所示，本发明一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器包括由不锈钢、碳化硅(SiC)、氮化硅(Si3N4)等耐高温导热系数较大的材料燃料制备而成的预热本体、环形凸台6以及燃烧室下圆盘，其中，所述燃料预热本体包括上盖板、下壁板以及设于所述上盖板、下壁板之间呈螺旋形状布置的燃料预热通道2，所述燃烧室下圆盘设于所述下壁板下方，且与所述下壁板间隔布置，以形成预混燃烧器的环形燃烧室7；所述环形凸台6设于所述下壁板与所述燃烧室下圆盘之间，其一端与下壁板固定连接，另一端与所述燃烧室下圆盘间隔设置，从而所述环形凸台6的底面与所述燃烧室下圆盘之间的间隙形成预混燃烧器的环形燃烧室入口5，所述环形凸台6内设有燃料通道4，该燃料通道4一端与设于所述下壁板上用于连接所述环形凸台与所述燃料预热通道出气口的通孔连接，另一端与所述环形燃烧室入口5连接，以此方式，预混燃烧经所述燃料预热通道2的入口进入，沿所述燃料预热通道2的出口进入所述燃料通道4，然后通过环形燃烧室入口5进入环形燃烧室7，随即在所述环形凸台6的外壁处被点燃，并在环形燃烧室7进行燃烧，燃烧产生的烟气经设置在所述环形燃烧室7外侧的环形燃烧室出口8排出。同时，燃料可由燃料通道4内产生的热量预热膨胀，当其到达燃料预热通道出口3的时候，未燃燃料热膨胀后在圆盘中心流速最大，即在燃料预热通道2的出口处达到最大，进入环形燃烧室后逐渐减小，以此方式，可有效防止火焰回火。同时，由于环形凸台6的设置，同时对环形凸台6的竖向高度与环形燃烧室7此处的竖向高度进行了特定性的设计，使得未燃燃料在环形突台下游位置会产生显著的回流区和低速区，这可较好的锚定火焰位置，提高火焰稳定性。
进一步的，所述燃料预热通道、燃料通道以及环形燃烧室的中心轴线共线，即本发明上盖板、下壁板、环形凸台均为同心圆。
进一步的，所述燃料通道的直径为1mm～5mm，优选的，所述燃料通道的直径为3mm，以此方式，能够更好满足小型热电或热光伏发电系统。
进一步的，所述环形凸台与所述环形燃烧室入口的竖向高度之比为1:9～9:1。优选的，所述环形凸台与所述环形燃烧室入口的竖向高度之比为3:2，以此方式，未燃燃料在通过环形燃烧室入口进入环形燃烧室时，能在环形凸台的底部外周产生显著的回流区和低速区，这可较好的锚定火焰位置，提高火焰稳定性。
进一步的，所述环形凸台的横截面形状为矩形、梯形、扇形或三角形中的任一种。
进一步的，所述环形燃烧室的竖直截面为平直形状、或者与其中心轴线为中心的减缩形状或者渐扩形状。
进一步的，所述环形燃烧室的竖直截面为平直形状时，所述环形燃烧室竖向高度为2mm～15mm，优选的，所述环形燃烧室竖向高度为5mm，以此方式，能够更好满足小型热电或热光伏发电系统。
进一步的，所述环形燃烧室的壁面均匀涂覆有催化剂，所述催化剂为铂、镍、铑中的任意一种或几种，在环形燃烧室内还填充多孔介质。
进一步的，所述燃料预热通道、下壁板以及所述环形凸台一体成形
具体而言，本发明提供的高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器包括燃料预热通道2，圆盘中心燃料通道4，环形突台6，环形燃烧室7。燃料预热通道2呈螺旋形结构，燃料预热通道出口3与圆盘中心燃料通道4相连。环形突台6轴对称放置于圆盘中央，与环形燃烧室7上壁面相连。燃料预热通道2与环形燃烧室7呈上下同心结构。以此方式，使得燃料在环形突台6处被点燃，然后点燃的燃料火焰呈圆形，关于燃烧器中心轴线轴对称，这使得燃烧室下壁面温度分布更为均匀，同时也使得上部分的未燃燃料预热更均匀。
燃料通过燃料预热通道入口1进入燃料预热通道2进行预热，随后从燃料预热通道出口3进入圆盘中心燃料通道4，而后由环形燃烧室入口5进入环形燃烧室7，随即在环形突台6后被点燃，在环形燃烧室内燃烧，烟气从环形燃烧室出口8排出。本发明可用来为小型热电或热光伏发电系统提供热源，也可直接作为小型加热装置用于烹饪或烘干等用途。
通过改变燃料预热通道的形状和大小，环形突台的形状和大小，环形燃烧室的形状和大小，来进一步拓宽火焰可燃范围和提高火焰稳定性：如燃料预热通道的通道间距可介于1mm～5mm之间；环形突台横截面可为矩形、梯形、扇形或三角形；环形燃烧室可为渐缩或渐扩结构。
本发明克服了现有技术的不足，可高效预热燃料，显著提高燃料反应初始温度，增大火焰燃烧温度，拓宽火焰可燃范围；环形突台后的回流区和低速区可显著锚定火焰，进而提高火焰稳定性；燃烧室内的轴对称火焰使得圆盘底面温度分布更为均匀。因此，本发明可显著提高火焰稳定性和稳燃范围，可广泛适用于各种小型动力、发电或加热装置。
实例1：
本实施例中，采用甲烷/空气混合气为燃料。燃料预热通道呈螺旋形结构，其宽度和高度均为3mm，其出口直径为2mm，竖壁厚度为2mm，上下壁面厚度为1mm；圆盘中心燃料通道内径为2mm，高度3mm；环形突台内径为2mm，外径6mm，高度2mm；环形燃烧室入口直径为2mm，外径40mm，间距3mm；环形燃烧室下壁面厚度为1mm。环形燃烧室表面未涂覆催化剂。
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 (10)

1.一种高效预热防回火的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，包括燃料预热本体、环形凸台(6)以及燃烧室下圆盘，其中，
所述燃料预热本体包括上盖板、下壁板以及设于所述上盖板、下壁板之间呈螺旋形状布置的燃料预热通道(2)，所述燃烧室下圆盘设于所述下壁板下方，且与所述下壁板间隔布置，以形成预混燃烧器的环形燃烧室(7)；
所述环形凸台(6)设于所述下壁板与所述燃烧室下圆盘之间，其一端与下壁板固定连接，另一端与所述燃烧室下圆盘间隔设置，从而所述环形凸台(6)的底面与所述燃烧室下圆盘之间的间隙形成预混燃烧器的环形燃烧室入口(5)，所述环形凸台(6)内设有燃料通道(4)，该燃料通道(4)一端与设于所述下壁板上用于连接所述环形凸台与所述燃料预热通道出气口的通孔连接，另一端与所述环形燃烧室入口(5)连接，以此方式，燃料预混气经所述燃料预热通道(2)的入口进入，沿所述燃料预热通道(2)的出口进入所述燃料通道(4)，然后通过环形燃烧室入口(5)进入环形燃烧室(7)，随即在所述环形凸台(6)的外壁处被点燃，并在环形燃烧室(7)内进行燃烧，然后，燃烧产生的烟气经设置在所述环形燃烧室(7)外侧的环形燃烧室出口(8)排出。
2.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述燃料预热通道(2)、燃料通道(4)以及环形燃烧室(7)的中心轴线共线。
3.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述燃料通道(4)的直径为1mm～5mm。
4.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述环形凸台(6)与所述环形燃烧室入口(5)的竖向高度之比为1:9～9:1。
5.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述环形凸台(6)的横截面形状为矩形、梯形、扇形或三角形中的任一种，相应的，所述燃料通道(4)的横截面形状为矩形、梯形或三角形中的任一种。
6.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述环形燃烧室(7)的竖直截面为平直形状、或者与其中心轴线为中心的减缩形状或者渐扩形状。
7.根据权利要求6所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述环形燃烧室(7)的竖直截面为平直形状时，其竖向高度为2mm～15mm。
8.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述环形燃烧室(7)内填充有多孔介质。
9.根据权利要求1所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述环形燃烧室(7)的壁面均匀涂覆有催化剂，所述催化剂为铂、镍、铑中的任意一种或几种。
10.根据权利要求1-9任一项所述的小型圆盘预混燃烧器，其特征在于，所述燃料预热通道、下壁板以及所述环形凸台(6)一体成形。
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