CN111706861A - 一种用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，包括进气区、燃烧区和预混区，所述预混区位于进气区和燃烧区之间，所述进气区内均布若干进气通道，任一所述进气通道的进口与出口在周向上偏移，所述预混区内设有与所述进气通道一一对应的催化挡板，且所述催化挡板靠近进气通道的出口，用于使燃料迅速混合达到均匀状态。所述燃烧区内根据流向依次填充燃烧区多孔介质和蓄热区多孔介质。本发明在预混合区域采用气体预混合方式，可以大幅增强点火处气流的稳定性，提高了燃烧强度，且增大了预混气流与多孔介质的接触面积，更加充分的利用了多孔介质的回热作用，提高了燃烧效率，令燃烧更加完全。
Description
技术领域
本发明涉及微尺度热光电能量转换技术领域，特别涉及一种用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器。
背景技术
随着微机电系统(MEMS)的不断发展以及微燃烧理论的不断完善，人们对微型能源领域的关注度日益增长，其中微热光电系统结构简单且没有运动部件，具有良好的实用性，因此也成为了目前研究的重点。微热光电系统的基本原理是使燃料在燃烧器内燃烧产生化学能，在燃烧器壁面上产生辐射，再通过光电池产生电能。由于整个燃烧反应的尺度非常小，因此会产生一些不同于传统燃烧器的问题，首先是由于微燃烧室的面体比过大，导致壁面热损失大幅度增加，当混合后气体产生的热量小于管壁损失的热量时，就会发生淬熄现象；其次，燃料在燃烧室内停留时间较短，燃烧不充分，会出现火焰温度低，温度分布不均以及能量转换率低的问题。
在微热光电系统中，微燃烧室是关键部件，常规的微尺度燃烧室主要存在的问题有温度分布不均、燃烧效率较低、燃烧稳定性差、燃烧不完全等，这些问题将会直接影响光电能量转化效率。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，在预混合区域采用新型的气体预混合方式，可以大幅增强点火处气流的稳定性，提高了燃烧强度，且增大了预混气流与多孔介质的接触面积，更加充分的利用了多孔介质的回热作用，提高了燃烧效率，令燃烧更加完全。本发明还能够有效解决传统微燃烧器中燃烧效率低下、温度分布不均、能量转化率低等问题。该发明结构简单易于实现，成本低廉，能够满足多种燃料和流速条件下的稳定燃烧，且具有较宽的燃烧极限。
本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。
一种用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，包括进气区、燃烧区和预混区，所述预混区位于进气区和燃烧区之间，所述进气区内均布若干进气通道，任一所述进气通道的进口与出口在周向上偏移，所述预混区内设有与所述进气通道一一对应的催化挡板，且所述催化挡板靠近进气通道的出口，用于使燃料迅速混合达到均匀状态。
进一步，所述进气管道的轴线倾斜角度为20°～60°。
进一步，所述催化挡板与预混区的径向平面的夹角为20°～60°。
进一步，所述催化挡板材料为耐高温陶瓷，进气通道出口对应的所述催化挡板平面涂覆催化剂。
进一步，所述催化剂为贵金属或金属氧化物。
进一步，所述进气通道的数量不少于6个。
进一步，所述燃烧区内根据流向依次填充燃烧区多孔介质和蓄热区多孔介质，所述燃烧区多孔介质和蓄热区多孔介质的材料为碳化硅或刚玉或氧化锆。
进一步，所述燃烧区多孔介质孔隙率为0.7～0.9，孔隙密度为10～30ppi；所述蓄热区多孔介质孔隙率为0.5～0.65，孔隙密度为50ppi。
本发明的有益效果在于：
1.本发明所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，进气区采用燃料-氧气-燃料-氧气-燃料-氧气相互交叉的环形多孔进气模式，且使得气体在进入预混区时有一定角度的倾斜，可以实现预混区域的环流式进气。
2.本发明所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，预混区域内设置挡板，可以使燃料气体和氧气迅速混合，在极短的时间内达到均匀状态，且形成环形旋流通入燃烧区多孔介质，大幅度提高了燃烧的稳定性，增加了活性自由基与辐射壁面的碰撞几率，减小了局部温差，使多孔介质中的燃烧更加充分。
3.本发明所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，预混区挡板上设置了催化剂，在预混区内，气体不断冲刷挡板时产生部分催化氧化作用，有效降低燃料的活化能，使燃料达到微尺度内的点火要求，并能使燃烧更加完全，减少污染物的产生。
附图说明
图1为本发明所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器结构示意图。
图2为本发明所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器的催化挡板安装示意图。
图3a为预混室出口处H2组分云图。
图3b为催化挡板中心处O2组分云图。
图中：
1-蓄热区多孔介质；2-燃烧区多孔介质；3-电子点火器；4-催化挡板；5-进气通道；6-进气区；7-预混区；8-催化剂；9-燃烧区。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1和图2所示，本发明所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，包括进气区6、燃烧区9和预混区7，所述预混区7位于进气区6和燃烧区9之间，所述进气区6的形状为一倒置圆台，所述进气区6内均布至少6个进气通道5，任一所述进气通道5的进口与出口在周向上偏移，所述进气管道5的轴线倾斜角度为20°～60°，即假设进气通道5的进口在圆台小端面的周向0度位置，那么进气通道5的出口在圆台大端面的周向顺时针或逆时针转移一定角度，使进气管道5的轴线与圆台的小端面或大端面夹角为20°～60°。所述进气通道5可由激光打孔器进行加工，通道直径为2mm。
所述预混区7内设有与所述进气通道5一一对应的催化挡板4，且所述催化挡板4靠近进气通道5的出口，用于使燃料迅速混合达到均匀状态。预混区7的壁面材料为耐高温陶瓷，所述预混区下部用耐高温胶粘接于进气区一端。所述催化挡板4材料为耐高温陶瓷，进气通道5出口对应的所述催化挡板4平面涂覆催化剂8。催化剂8选用贵金属或贵金属氧化物，例如Pt，催化剂涂覆方式选用气相沉积法。催化挡板4厚度为0.5mm，上下宽度为4mm，径向中心线长度为3mm。所述催化挡板4与预混区7的径向平面的夹角为20°～60°。当燃料与氧气同时交替由进气通道5进入预混室7时，催化挡板4可改变气流的传播方向，在向上传播的同时会形成环形绕流，进入燃烧区9。所述燃烧区9通道选用高透光石英玻璃，用耐高温胶粘接于预混通道上部，燃烧区9下部设有燃烧区多孔介质2，在其上方填充蓄热区多孔介质1。点火方式为电弧点火，选用设备为电子点火器3。
对本发明的实际效果用FLUENT进行数值模拟，选用了H2和O2两种气体，采用的当量比为1，气体入口流速为4m/s。图3a为H2在预混室出口处组分云图，图3b为O2在预混室挡板中心处组分云图，可以看出在挡板处气体发生强烈扰动，预混室中心处产生旋流。入口处H2组分的质量分数较低，其余皆为氧气，并且产生旋流，气体分布均匀。
工作方式如下，燃料和氧化剂通过进气通道5以交错的方式进入预混区7，方向指向催化挡板4上涂覆催化剂8的表面，气流在接触到催化挡板4瞬间产生反应，并被挡板改变进气方向，各催化挡板4倾斜角度一致，因此可以迅速混合。预混气体进入燃烧区9，且经由电子点火器3点火，在燃烧区多孔介质2中燃烧。
所述燃烧区9内根据流向依次填充燃烧区多孔介质2和蓄热区多孔介质1，所述燃烧区多孔介质2和蓄热区多孔介质1的材料为碳化硅或刚玉或氧化锆。为了让燃料燃烧更充分，更稳定，所述燃烧区多孔介质2孔隙率为0.7～0.9，孔隙密度为10～30ppi；所述蓄热区多孔介质1孔隙率为0.5～0.65，孔隙密度为50ppi，可以有效减小热损，并降低尾气污染，强化了辐射避免的能量交换，热量进过多孔介质可以传递至预混区7，对预混气体进行预热，从这一方面也能够加速点火，提升火焰稳定性。
所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，包括进气区(6)和燃烧区(9)，其特征在于，还包括预混区(7)，所述预混区(7)位于进气区(6)和燃烧区(9)之间，所述进气区(6)内均布若干进气通道(5)，任一所述进气通道(5)的进口与出口在周向上偏移，所述预混区(7)内设有与所述进气通道(5)一一对应的催化挡板(4)，且所述催化挡板(4)靠近进气通道(5)的出口，用于使燃料迅速混合达到均匀状态。
2.根据权利要求1所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述进气管道(5)的轴线倾斜角度为20°～60°。
3.根据权利要求1所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述催化挡板(4)与预混区(7)的径向平面的夹角为20°～60°。
4.根据权利要求1所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述催化挡板(4)材料为耐高温陶瓷，进气通道(5)出口对应的所述催化挡板(4)平面涂覆催化剂(8)。
5.根据权利要求4所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述催化剂(8)为贵金属或金属氧化物。
6.根据权利要求1所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述进气通道(5)的数量不少于6个。
7.根据权利要求1所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述燃烧区(9)内根据流向依次填充燃烧区多孔介质(2)和蓄热区多孔介质(1)，所述燃烧区多孔介质(2)和蓄热区多孔介质(1)的材料为碳化硅或刚玉或氧化锆。
8.根据权利要求1所述的用于微热光电的旋流式进气多孔介质燃烧器，其特征在于，所述燃烧区多孔介质(2)孔隙率为0.7～0.9，孔隙密度为10～30ppi；所述蓄热区多孔介质(1)孔隙率为0.5～0.65，孔隙密度为50ppi。
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| CN112555818A (zh) * | 2020-11-25 | 2021-03-26 | 江苏大学 | 一种应用于微热光电系统的燃用液态燃料的微燃烧器 |
| CN112856406A (zh) * | 2021-01-15 | 2021-05-28 | 中国科学院广州能源研究所 | 一种多层多孔介质燃烧器 |
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|---|---|
| CN111706861B (zh) | 2022-07-22 |
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