CN111623349B - 一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微小尺度发电技术领域，并具体公开了一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其包括第一燃烧结构和第二燃烧结构，第一燃烧结构包括依次连通的第一进气通道、第一整流腔、第一燃烧室、第一排气通道，第二燃烧结构包括依次连通的第二进气通道、第二整流腔、第二燃烧室、第二排气通道；第一燃烧室和第二燃烧室逆向对称布置在微燃烧器中心上下两侧，使第一燃烧室入口端与第二燃烧室出口端相邻，第一燃烧室出口端与第二燃烧室入口端相邻；第一进气通道与第二排气通道相邻，第一排气通道与第二进气通道相邻。本发明通过布置逆向对称双燃烧腔以及环形预热通道，可降低点火所需能量、缩短着火延迟时间、提高着火促熄极限、拓宽进口速度。

Description

一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器
技术领域
本发明属于微小尺度发电技术领域，更具体地，涉及一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器。
背景技术
微尺度碳氢类燃料燃烧极大地促进微电子机械系统的应用。微动力系统的特征尺寸大小通常几毫米和几厘米之间，通过燃烧腔将燃料的化学能转换为热能，进而产生机械能进行发电，最终输出电能。
但目前微燃烧面临以下问题：(1)燃料的驻留时间短——随着燃烧器特征长度尺度的减小，高流速使得燃料的驻留时间减短，特别是当组分的驻留时间接近于特征燃烧时间时，燃料的不完全燃烧使得放热量减小热损失增大，导致火焰自维持燃烧变得困难，甚至会发生熄火现象。(2)热损失大——微型燃烧器高比表面积引起热量严重损失，易发生热檐火和自由基媳火。(3)燃烧效率低——化学反应组分停留时间较短，基本与碳氨化合物/空气的化学反应时间同一数量级，容易导致燃烧效率低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其目的在于，通过逆向布置的双腔燃烧室和环形预热通道结构强化气体预热，降低点火所需能量、缩短着火延迟时间，同时通过回流区锚定火焰，提高着火促熄极限，拓宽进口速度。
为实现上述目的，本发明提出了一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，包括第一燃烧结构和第二燃烧结构，其中：
所述第一燃烧结构包括依次连通的第一进气通道、第一整流腔、第一燃烧室、第一排气通道，所述第二燃烧结构包括依次连通的第二进气通道、第二整流腔、第二燃烧室、第二排气通道；
所述第一燃烧室和所述第二燃烧室逆向对称布置在微燃烧器中心上下两侧，使第一燃烧室入口端与第二燃烧室出口端相邻，第一燃烧室出口端与第二燃烧室入口端相邻；所述第一进气通道与所述第二排气通道相邻，所述第一排气通道与所述第二进气通道相邻。
作为进一步优选的，所述第一燃烧室和第二燃烧室间通过隔板隔离。
作为进一步优选的，所述第一燃烧室和第二燃烧室的入口处均设有突扩台阶和稳燃凸台。
作为进一步优选的，所述第一燃烧室和第二燃烧室宽度均为W0，所述稳燃凸台宽度W1与W0之比为0.25～0.375，所述稳燃凸台伸入燃烧室距离W3与W0之比为0～0.375。
作为进一步优选的，所述突扩台阶高度W2与W0之比为0.125～0.20。
作为进一步优选的，所述第一燃烧室和第二燃烧室的出口端为由内向外渐进的缩口形。
作为进一步优选的，所述第一进气通道、第一燃烧室、第二进气通道、第二燃烧室均为平板型。
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.本发明通过逆向布置的双腔燃烧室和环形预热通道结构强化气体预热，能够有效扩大稳燃极限，提高燃烧效率，广泛适用于各种微小型动力系统。
2.本发明微燃烧器的第一进气通道与第二排气通道相邻，第一排气通道与第二进气通道相邻，两个燃烧室通过隔板隔离，有效利用尾部烟气余热对气体预热，来降低点火所需能量、缩短着火延迟时间，同时减少排气热损失。
3.本发明微燃烧器的第一燃烧室和第二燃烧室逆向对称布置在燃烧器中心上下两侧，第一燃烧室入口端与第二燃烧室出口端相邻，第一燃烧室出口端与第二燃烧室入口端相邻，两个燃烧室通过隔板隔离，这进一步有效利用主燃烧区域放出的热量对燃烧室入口区域的混合气体预热，来降低点火所需能量、缩短着火延迟时间。
4.本发明在燃烧室突扩阶梯处和稳燃凸台后产生回流区，可锚定火焰，提高火焰稳定性。
附图说明
图1为本发明实施例基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器结构的二维截面示意图；
图2为本发明实施例双腔环形微燃烧器在典型工况下流线示意图；
图3为本发明实施例双腔环形微燃烧器在典型工况下截面温度场示意图(当量比0.5，进口速度10m/s)。
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-第一进气通道，2-第一整流腔，3-第一稳燃凸台，4-第一突扩台阶，5-第一燃烧室，6-第一排气通道，7-第二进气通道，8-第二整流腔，9-第二稳燃凸台，10-第二突扩台阶，11-第二燃烧室，12-第二排气通道。
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。
本发明实施例提供的一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，如图1所示，包括第一燃烧结构和第二燃烧结构，其中：
所述第一燃烧结构包括依次连通的第一进气通道1、第一整流腔2、第一燃烧室5、第一排气通道6，所述第二燃烧结构包括依次连通的第二进气通道7、第二整流腔8、第二燃烧室11、第二排气通道12；
所述第一燃烧室5和所述第二燃烧室11逆向对称布置在微燃烧器中心上下两侧，第一燃烧室5入口端与第二燃烧室11出口端相邻，第一燃烧室5出口端与第二燃烧室11入口端相邻，且所述第一燃烧室5和第二燃烧室11间通过隔板隔离；所述第一进气通道1、第一排气通道6、第二进气通道7、第二排气通道12呈“瑞士卷”环形布置结构，所述第一进气通道1与所述第二排气通道12相邻布置，所述第一排气通道6与所述第二进气通道7相邻布置。
进一步的，所述第一燃烧室5入口处均设有第一突扩台阶4和伸入第二燃烧室11内的第一稳燃凸台3，所述第二燃烧室11的入口处设有第二突扩台阶10和伸入第二燃烧室11内的第二稳燃凸台9；更进一步的，所述第一燃烧室5和第二燃烧室11宽度均为W0，所述第一稳燃凸台3和第二稳燃凸台9的宽度均为W1，且其伸入燃烧室距离均为W3，W1与W0之比为0.25～0.375，W3与W0之比为0～0.375；所述第一突扩台阶4和第二突扩台阶10高度均为W2，W2与W0之比为0.125～0.20。
进一步的，所述第一燃烧室5和第二燃烧室11的出口端为由内向外渐进的缩口形；所述第一进气通道1、第一燃烧室5、第二进气通道7、第二燃烧室11均为平板型。
上述基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器的流动特性，如图2所示，气体经过第一整流腔2和第二整流腔8后形成相对对称的气流，第一稳燃凸台3和第二稳燃凸台9分别伸入第一燃烧室5和第二燃烧室11内部，气体在第一稳燃凸台3和第二稳燃凸台9形成明显回流区，气体在第一燃烧室突扩台阶4和第二燃烧室突扩台阶10后形成明显的回流区。
微燃烧器工作时，预混气体(如甲烷与空气)分别在第一进气通道1和第二进气通道7中预热，然后经过整流腔进入燃烧室入口，并在燃烧室入口区域被相邻主燃烧区域产生的热量进一步预热，在燃烧室入口区域着火，火焰在回流区锚定作用下稳定燃烧；第一燃烧室5和第二燃烧室11中产生的高温气体经由第一排气通道7和第二排气通道12排出，这可用来为微型热电装置或者微型热光伏系统提供热源。
以下为具体实施例：
甲烷和空气采用提前预混燃烧方式微燃烧器；微燃烧器具体尺寸为入口进气通道为1mm，壁厚为1mm，W0＝4mm，W1＝1.4mm，W2＝0.7mm，W3＝0.5mm；微燃烧器长为26mm，宽19mm，固体材料为钢，其密度、热容、导热系数和法向发射率分别为8000kg/m3、500J/(kgK)、24W/(m2K)和0.2。采用fluent数值模拟的方法，采用详细的甲烷燃烧机理(19步58个基元)，当量比为0.5、进口速度为10m/s时进行了数值模拟。如图3所示，为截面温度场，可以看出，气体在燃烧室内稳定燃烧，火焰锚定效果良好，且燃烧效率都能保持在99.5％以上。
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 (6)

1.一种基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其特征在于，包括第一燃烧结构和第二燃烧结构，其中：
所述第一燃烧结构包括依次连通的第一进气通道(1)、第一整流腔(2)、第一燃烧室(5)、第一排气通道(6)，所述第二燃烧结构包括依次连通的第二进气通道(7)、第二整流腔(8)、第二燃烧室(11)、第二排气通道(12)；
所述第一燃烧室(5)和所述第二燃烧室(11)逆向对称布置在微燃烧器中心上下两侧，使第一燃烧室(5)入口端与第二燃烧室(11)出口端相邻，第一燃烧室(5)出口端与第二燃烧室(11)入口端相邻；所述第一进气通道(1)与所述第二排气通道(12)相邻，所述第一排气通道(6)与所述第二进气通道(7)相邻；所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(11)的入口处均设有突扩台阶和稳燃凸台。
2.如权利要求1所述的基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其特征在于，所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(11)间通过隔板隔离。
3.如权利要求1所述的基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其特征在于，所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(11)宽度均为W0，所述稳燃凸台宽度W1与W0之比为0.25～0.375，所述稳燃凸台伸入燃烧室距离W3与W0之比为0～0.375。
4.如权利要求3所述的基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其特征在于，所述突扩台阶高度W2与W0之比为0.125～0.20。
5.如权利要求1所述的基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其特征在于，所述第一燃烧室(5)和第二燃烧室(11)的出口端为由内向外渐进的缩口形。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于瑞士卷结构的双腔环形微燃烧器，其特征在于，所述第一进气通道(1)、第一燃烧室(5)、第二进气通道(7)、第二燃烧室(11)均为平板型。
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