CN111396871A - 一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微小尺度燃烧技术领域，并具体公开了一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器。该微小型燃烧器包括同轴设置的一次风通道、燃料喷口、混合通道、燃烧室、二次风通道、排气口和加热面，其中：一次风通道的下壁面与燃料喷口连接，该一次风通道的上壁面与混合通道连接，燃烧室的下方分别与混合通道的出口和二次风通道连接，二次风通道套设在混合通道的外侧，该燃烧室的上方设置有排气口和加热面。本发明设计了具有多级被动进风功能的供风系统，其中利用高速射流和浮升力实现了两次被动进风的功能，从而能够在保证燃烧充分的同时，无需安装额外的供气供应装置，可有效提高微型能源动力系统的紧凑性、便携性和可靠性。

Description

一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器
技术领域
本发明属于微小尺度燃烧技术领域，更具体地，涉及一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器。
背景技术
随着微机电系统(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、微型推进系统以及微小型电子设备。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比较低，体积和重量也较大。而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，而最好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动力装置具有非常巨大的应用前景。目前已经成功制造出了微燃气透平、微转子发动机、微斯特林热机、微推进系统、微热光伏系统和微热电系统等，其中燃烧器是微小型动力系统的关键部件。
微型斯特林机和温差发电片是最常见的将燃烧过程产生的热能转换能电能的方法。它们工作时需要一个稳定的热源对其热端进行加热。由于其冷端温度几乎保温恒定，要想有效改善发电系统的总效率则必须提高热端温度水平。考虑到微型能源与动力系统的便携性和安全性，非预混燃烧和部分预混燃烧成为燃烧的首选方案。然而，采用非预混燃烧或部分预混燃烧时，燃烧效率的提高成为一个亟需解决的问题。虽然通过主动送风的方式可以大大提高燃烧效率，但是这种方式需要在系统中加入风机或压缩空气罐，降低了系统的净输出功率和可靠性，同时提高了整个系统的重量和复杂性；或者采用燃料射流卷吸空气的方式进行被动送风，但目前已有的技术仅仅只有一级被动进风的功能，燃料/空气混合物往往处于富燃状态，燃烧效率非常低，限制了基于燃烧的微小型能源动力装置的广泛应用。
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多级被动进风功能的微小型燃烧器，其中利用高速射流和浮升力实现了两级抽吸空气的功能，从而能够在保证燃烧充分的同时，无需安装额外的供气供应装置，因而尤其适用于各种微小型热电系统和加热系统的应用场合。
为实现上述目的，本发明提出了一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，该微小型燃烧器包括同轴设置的一次风通道、燃料喷口、混合通道、燃烧室、二次风通道、排气口和加热面，其中：所述一次风通道的下壁面与所述燃料喷口连接，该一次风通道的上壁面与所述混合通道连接，工作时燃料从所述燃料喷口进入所述混合通道，同时将外部空气从所述一次风通道卷吸进入所述混合通道，以此获得部分混合燃料，所述燃烧室的下方分别与所述混合通道的出口和二次风通道连接，所述二次风通道套设在所述混合通道的外侧，该燃烧室的上方设置有排气口和加热面，工作时所述部分混合燃料进入所述燃烧室燃烧，产生的烟气向上运动，将外部空气从所述二次风通道抽吸进入所述燃烧室，进而提高所述燃料的燃烧效率，最后烟气从所述排气口排出，并将燃烧产生的热量通过所述加热面进行传递。
作为进一步优选地，所述燃料喷口的直径为0.08mm～0.5mm，所述燃料的进气速度大于10m/s。
作为进一步优选地，所述混合通道的直径为0.8mm～8mm。
作为进一步优选地，所述混合通道的长度为5mm～50mm。
作为进一步优选地，所述燃烧室的直径为1.6mm～10mm。
作为进一步优选地，所述燃烧室的长度为5mm～100mm。
作为进一步优选地，所述燃烧室采用不锈钢、铜、碳化硅或石英玻璃制成。
作为进一步优选地，所述燃烧室的内部填充覆有催化剂的多孔材料、填充折叠的催化金属片、填充带有催化剂的金属网或涂覆催化剂，用于提高所述燃料的燃烧效率。
作为进一步优选地，所述燃烧室的侧壁上开设有4～16个通孔，所述通孔的直径为0.5mm～4mm，用于抽吸空气。
作为进一步优选地，所述加热面的下方设置有增强换热的金属柱、肋片或翅片。
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.本发明结合微小型热电装置自身的应用特点，设计了具有多级被动进风功能的供风系统，其中利用高速射流和浮升力实现了两次抽吸空气的功能，从而能够在保证燃烧充分的同时，无需安装额外的供气供应装置，如风机或压缩空气罐等，可有效提高微型能源动力系统的紧凑性、便携性和可靠性，此外燃烧器的热输出表面即加热面位于燃烧器顶端，且为平面，因而适用于各种微小型热电系统和加热系统；
2.尤其是，本发明通过对燃料喷口、混合通道和燃烧室的尺寸进行优化，并合理配置燃料喷口的流速，能够将火焰稳定在二次风通道的上方，即将其稳定在燃烧室内，使得火焰更靠近用于热输出的加热面，从而提高燃料的能量转化率，同时还能够有效防止回火现象的发生，有效提高设备的安全性。
附图说明
图1是按照本发明优选实施例构建的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器的局部三维剖视图；
图2是按照本发明优选实施例构建的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器的局部二维剖面图；
图3本发明对照例构建的具有单级被动进风功能的微小型燃烧器的局部二维剖面图；
图4是不同燃料质量流量下本发明实施例和对照例的燃烧效率对比图；
图5是不同燃料质量流量下本发明实施例和对照例中加热面的平均温度。
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-第一侧壁，2-第二侧壁，3-第三侧壁，4-加热面，5-燃料喷口，6-一次风通道，7-混合通道，8-二次风通道，9-燃烧室，10-排气口。
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1～2所示，本发明实施例提供了一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，该微小型燃烧器包括同轴设置的一次风通道6、燃料喷口5、混合通道7、燃烧室9、二次风通道8、排气口10和加热面4，其中：一次风通道6的下壁面与燃料喷口5连接，该一次风通道6的上壁面与混合通道7连接，工作时燃料从燃料喷口5以较高速度进入混合通道7，同时将外部空气从一次风通道6卷吸进入混合通道7，以此获得部分混合燃料，燃烧室9的下方分别与混合通道7的出口和二次风通道8连接，二次风通道8套设在混合通道7的外侧，该燃烧室9的上方设置有排气口10和加热面4，工作时部分混合燃料进入燃烧室9燃烧，此时部分混合燃料处于富燃状态，发生不完全燃烧，产生的烟气由于温度升高、体积膨胀而密度降低，在浮升力的作用下向上运动，从而在二次风通道8形成负压，将外部空气从二次风通道8抽吸进入燃烧室9，进一步促进燃料的燃烧，进而提高燃料的燃烧效率，最后烟气从排气口10排出，并将燃烧产生的热量通过加热面4进行传递。
进一步，本发明提供的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器可使用3D打印技术加工而成，或分为内外两部分进行车削并焊接而成。燃烧器呈竖直放置，燃烧室9位于整个燃烧器上方，燃料喷口5的直径小于混合通道7的直径，同时混合通道7的直径小于燃烧室9的直径。工作时高速燃料射流将一次风通道6附近的空气卷吸进入混合通道7，形成处于富燃状态的部分混合燃料，如果此时发生燃烧，燃料将不能完全转化，从而降低火焰温度和燃烧效率，因此需要通过对上述结构的尺寸进行优化，从而将火焰稳定在直径较大的燃烧室9内，燃烧后的高温烟气由于密度降低而发生体积膨胀，在浮升力作用下向上方高速运动，使得二次风通道8附近形成负压，从而抽吸外界空气进入燃烧室9，与未燃的部分燃料迅速发生反应，进一步提高燃烧效率，并提高加热面4的温度，非常适合为微型热电装置提供热源，也可直接作为微小型加热器使用。
燃料喷口5设置在第一侧壁1的中心，燃料喷口5的直径为0.08mm～0.5mm，以提供足够大的燃料进气速度，同时为保证燃料喷口5附近的压强低于外界大气压，从而将外界空气卷吸进入混合通道7，燃料的进气速度需大于10m/s，当燃料为甲烷时，燃料喷口5的直径进一步优选为0.14mm～0.18mm，从而获得最好的卷吸作用，燃料喷口5的直径为0.16mm时能够取得最佳效果。
混合通道7设置在第二侧壁2的中心，混合通道7的直径为0.8mm～8mm，并进一步优选为2mm～4mm，混合通道7的长度为5mm～50mm，以在保证混合效果的同时，减少混合通道7的内流阻力，提高一次风进风量；第一侧壁1与第二侧壁2连接的地方设置有多个用于抽吸空气的通孔，即一次风通道6。
燃烧室9设置在第三侧壁3的中心，燃烧室9的直径为1.6mm～10mm，为了获得较好的燃烧效率，燃烧室8的直径进一步优选为3mm～5mm，燃烧室9的长度为5mm～100mm，以保证足够的二次进风量。
第一侧壁1和第二侧壁2的外径均为2mm～10mm，并进一步优选为4mm，第三侧壁3的外径为3mm～20mm，能够进一步优选为6mm，整个微小型燃烧器的整体直径优选为3mm～15mm，通过对组件的长度、直径进行优化，能够进一步提高燃烧效率以及加热面4的平均温度
进一步，燃烧室9采用不锈钢、铜、碳化硅或石英玻璃制成，同时燃烧室9的内部填充覆有催化剂的多孔材料、填充折叠的催化金属片、填充带有催化剂的金属网或涂覆催化剂，用于提高燃料的燃烧效率，同时燃烧室9的侧壁，即第三侧壁3上开设有4～16个通孔，通孔的直径为0.5mm～4mm，用于抽吸空气，提高二次风的进风量，从而进一步提高燃烧效率；加热面4的下方设置有增强换热的金属柱、肋片或翅片。
在本发明的一个优选实施例中，采用甲烷为燃料，同时将具有多级被动进风功能的微小型燃烧器竖直放置于充满空气的大空间中，且燃烧室9所在的一端朝上。燃料喷口5的直径为0.1mm，长度为0.5mm；第一侧壁1和第二侧壁2直径相同，均为4mm；混合通道7的直径为2mm，长度为10mm；一次风通道6的直径为1mm；第三侧壁3的外径为8mm；燃烧室9的直径为6mm；二次风通道8的外径为6mm，内径为4mm；排气口10的间距为1mm；加热面厚度为1mm。整个燃烧器如图2所示，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7980kg/m3、502J/(kg·K)、16.2W/(m2·K)和0.65。为了减小燃烧器对外界的散热损失，对第三侧壁3外表面进行保温处理。
另外设置具有单级被动进风功能的微小型燃烧器，如图3所示，仅取消二次风通道8入口，将第二侧壁2和第三侧壁3直接密封连接，其余参数不变。应用通用的CFD计算软件FLUENT15.0，对实施例和对照例中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4和图5所示，其中横坐标为燃料的质量流量。
图4给出了进口燃料质量流量为2.56×10-7kg/s、3.56×10-7kg/s、4.61×10-7kg/s、6.14×10-7kg/s和7.68×10-7kg/s(对应甲烷进口速度为50m/s、70m/s、90m/s、120m/s和150m/s)时，实施例和对照例的燃烧效率。从图4可以明显看出，在各燃料质量流量下，本发明实施例的燃烧效率均高于对照例的燃烧效率；且随着燃料质量流量的增加，本发明实施例的燃烧效率快速升高，而对照例的燃烧效率几乎不变。因此，在高燃料流量下，本发明能获得更高的燃烧效率，比对照组提高了一倍。
图5给出了上述对应工况下，本发明实施例和对照例的加热面4的平均温度。从图5可以明显看出，本发明在采用了多级被动进风后，加热面4的温度明显升高，特别是在燃料质量流量高的场合，这可以大大提高热电系统的输出功率。当燃烧器作为微小型加热装置时，大大提高升温速度以及最高温度。同时本发明的加热面4位于燃烧器顶部，能充分强化烟气与加热面的换热效果，也易于贴合各种热电装置或直接作为微小型加热器使用。
本发明首先利用进气喷口的高速燃料流卷吸外界的空气形成一次混合，再利用燃烧的高温烟气产生的浮升力，将空气从外界引入燃烧室进行二次混合燃烧，达到多级被动进风的效果。可以有效提高燃烧效率，并提高主加热面的温度。本发明具有燃烧效率高、主加热面温度高、能量利用率高、无需主动送风等优点，可适合于各种基于燃烧的微小型热电系统，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)

1.一种具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，该微小型燃烧器包括同轴设置的一次风通道(6)、燃料喷口(5)、混合通道(7)、燃烧室(9)、二次风通道(8)、排气口(10)和加热面(4)，其中：所述一次风通道(6)的下壁面与所述燃料喷口(5)连接，该一次风通道(6)的上壁面与所述混合通道(7)连接，工作时燃料从所述燃料喷口(5)进入所述混合通道(7)，同时将外部空气从所述一次风通道(6)卷吸进入所述混合通道(7)，以此获得部分混合燃料，所述燃烧室(9)的下方分别与所述混合通道(7)的出口和二次风通道(8)连接，所述二次风通道(8)套设在所述混合通道(7)的外侧，该燃烧室(9)的上方设置有排气口(10)和加热面(4)，工作时所述部分混合燃料进入所述燃烧室(9)燃烧，产生的烟气向上运动，将外部空气从所述二次风通道(8)抽吸进入所述燃烧室(9)，进而提高所述燃料的燃烧效率，最后烟气从所述排气口(10)排出，并将燃烧产生的热量通过所述加热面(4)进行传递。
2.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述燃料喷口(5)的直径为0.08mm～0.5mm，所述燃料的进气速度大于10m/s。
3.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述混合通道(7)的直径为0.8mm～8mm。
4.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述混合通道(7)的长度为5mm～50mm。
5.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(9)的直径为1.6mm～10mm。
6.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(9)的长度为5mm～100mm。
7.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(9)采用不锈钢、铜、碳化硅或石英玻璃制成。
8.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(9)的内部填充覆有催化剂的多孔材料、填充折叠的催化金属片、填充带有催化剂的金属网或涂覆催化剂，用于提高所述燃料的燃烧效率。
9.如权利要求1所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述燃烧室(9)的侧壁上开设有4～16个通孔，所述通孔的直径为0.5mm～4mm，用于抽吸空气。
10.如权利要求1～9任一项所述的具有多级被动进风功能的微小型燃烧器，其特征在于，所述加热面(4)的下方设置有增强换热的金属柱、肋片或翅片。
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