CN111765457B - 一种利用余热的组合式微型燃烧器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用余热的组合式微型燃烧器，由四个结构相同的平板式微型燃烧器，尾气室和排气室构成；四个所述平板式微型燃烧器按二竖二横口字形布置相连接围成中间方筒形排气室，所述尾气室与四个所述平板式微型燃烧器和排气室相连通。其中所述平板式微型燃烧器内等分成进气口室，下部燃烧室，混合室和上部燃烧室。燃料从四个平板式微型燃烧器进入发生燃烧反应，随后汇聚在尾气室，通过排气室内往燃料进口方向排出。本发明利用尾气的余热提高内部燃料的温度并预热未燃气体，很大程度上带来更高、更均匀的辐射壁面温度分布，提高燃料的利用率，从而提高了微型热光电系统的效率。

Description

一种利用余热的组合式微型燃烧器

技术领域：

本发明公开了一种利用余热的组合式微型燃烧器，属于能源燃烧利用领域。

背景技术：

燃烧燃料从而产生能量是生产生活中采用的最为广泛的能源利用方式。世界上有90％的能源是直接或间接地通过燃烧而得以利用。但在某些场合，由于加工技术限制，燃料燃烧就不能发挥用武之地，比如手机、笔记本电脑等可携带电子设备，目前人们主要是依靠电池来给他们提供能源。化学电池由于体积小，携带方便等特点，在这些场合有很大的利用空间，但是其缺点也显而易见，因为其能量密度低，可连续工作时间短，需要经常地更换电池或充电。所以人们就开始尝试采用微燃烧器内的燃烧来获得能量。微燃烧器与电池相比具有：价格低廉，保存期限长，能够提供稳定的电压，再次添加燃料方便和比起一次性电池来对环境友好等优点。因此微燃烧器成为一种很有潜力的储能设备。

微型热光电系统是利用碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧产生的热能对燃烧器外壁面进行加热，高温壁面辐射出的能量足够高的光子撞击低频带隙光电池产生电能。跟其他装置相比，它结构简单，优势也非常明显，主要体现在：首先，预混合燃烧方式的采用将在同样的驻留时间下大大提高燃烧完全程度；其次，由于该系统是利用高温壁面的辐射能量进行光电转化，微尺度下燃烧器面容比大的特点就能显著增加系统的整体效率；最后，由于没有运动部件，加工和装配非常容易，也不存在由摩擦导致的泄露和零部件失效等问题。

专利号为CN201510525405.1，专利名称为一种内置十字隔板式微型燃烧器，通过在一个微型平板式燃烧器入口添加一个十字隔板使得燃料在燃烧室内部的燃烧更加充分和稳定，该专利确实起到一定效果但是也存在一定缺陷，例如该燃烧器由于入口处存在十字隔板，会导致有部分热量被十字隔板吸收，使得该处燃烧器壁面温度偏低，并且该燃烧器是直通式平板，大量尾气被直接排出，造成了大量能量损失。

发明内容：

本发明的目的是根据微尺度燃烧的热点以及微型热光电系统的工作要求，克服上述现有技术存在的问题和平足，提出一种比现有微型燃烧器燃烧效率更高，能量利用率更高的一种利用余热的微型燃烧器。

本发明通过内部平板式微型燃烧器中的下部燃烧室可以将燃烧产生的热量均匀传递给肋板和燃烧器，又通过上部燃烧室内的多孔材料可以更好的储热，减少燃烧热量的损失。最后通过将燃烧尾气汇聚在尾气室，将全部尾气向燃料进口方向排出，有效的利用燃烧的废气进一步加热燃烧器壁面以及预热未燃气体，提高了燃料的燃烧效率和能量的利用率，从而提高了热光电系统的效率。并且燃烧器内部的多孔材料可以根据需要更换，提高了燃烧器整体适用性。

本发明通过数值模拟计算发现：使用本发明中的燃烧器可以很大程度上提高燃烧器入口壁面的温度，并且减少了出口壁面的温度损失，从而提高了燃烧器壁面整体的温度。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

一种利用余热的组合式微型燃烧器，由四个结构相同的平板式微型燃烧器1，尾气室2和排气室3构成；四个所述平板式微型燃烧器1按二竖二横口字形布置相连接围成中间方筒形排气室3，所述尾气室2与四个所述平板式微型燃烧器1和排气室3相连通。

进一步优选，所述的平板式微型燃烧器1包括断截面为长方形的筒形壳体1-1，所述壳体1-1内依顺均等划分为进气室L1，下部燃烧室L2，混合室L3和上部燃烧室L4，其中，所述进气室L1中设置有点火装置1-2，所述下部燃烧室L2中四内壁上均设置连接有A肋板1-3，所述上部燃烧室L4中沿长边方向依次设置有大孔隙率多孔材料1-4，B肋板1-5、小孔隙率多孔材料1-6、B肋板1-5和大孔隙率多孔材料1-4。

进一步优选，所述B肋板1-5为两块，分别与所述壳体1-1固定连接，将上部燃烧室L4分成3个体积相同的内部通道。

进一步优选，所述尾气室2为一端开口另一端封闭的方形空腔体。

进一步优选，所述平板式微型燃烧器1的壳体1-1的长宽高的尺寸比例为a：b：c＝3：1：12。

进一步优选，所述点火装置1-2固连在进气室L1的宽边b上，点火装置1-2与进气室L1入口的距离为m，m：b＝1：2。

进一步优选，所述A肋板1-3的高度和下部燃烧室L2高度相同，A肋板1-3的长宽高的尺寸之比为1:1:12。

进一步优选，所述的尾气室2的壁板厚度与所述平板式微型燃烧器1的壳体1-1的厚度相同，其长宽高的尺寸之比为L:D:X＝5:3:6。

进一步优选，所述尾气室2，所述平板式微型燃烧器1的壳体1-1，所述A肋板1-3和B肋板1-5均由不锈钢制成。

进一步优选，所述大孔隙率多孔材料1-4和小孔隙率多孔材料1-6均由碳化硅制成，大孔隙率多孔材料1-4和小孔隙率多孔材料1-6的孔隙率大小之比为2:1。

本发明相对于现有技术的优点和有益效果在于：

1、迂回结构可以更好地增大内部气体的扰流程度，进一步提高了火焰滞留时间，提高燃烧极限。

2、平板式燃烧器的下部燃烧室可以将燃烧热量均匀分布在燃烧器壁面，上部燃烧室内的多孔介质可以减少热量的损失，进一步提高的燃烧器效率。

3、迂回结构的存在使得高温气体在燃烧器内部回转流动，使得燃烧产生的能量均匀分布在燃烧器的壁面，提高了燃烧器壁面温度分布的均匀性，使得壁面散发的光子均匀的释放，从而光伏电池可以更好地工作，产生更多电能。提高了系统效率。

4、迂回结构可以将高温的尾气温度再利用，将尾气的热量传递给燃烧器壁面以及未燃烧的气体，提高了燃烧器壁面温度的同时又提高了能量利用率，大大提高了热光电系统的效率。

5、该燃烧器内部的多孔介质可以根据需要更换，增加了燃烧器的适用性。

在以上几个方面的综合作用下，相对于现有的技术，采用该燃烧器后，一方面燃烧器内部的热量能够被更稳定更均匀的传递给燃烧器壁面，另一方面燃烧器排出的尾气也可以被再次利用，进一步提高了燃烧效率，提高能量的利用率。

附图说明：

图1是本发明的组合式微型燃烧器结构立体示意图。

图2是图1的A-A处剖面图。

图3是图1的B-B处剖面图。

图4是本发明中平板式微型燃烧器的结构立体示意图。

图5是图4的C-C处剖面图。

图6是本发明中尾气室的结构立体示意图。

图7是图6的D-D处剖面图。

图8为普通平板式燃烧器外壁面温度与本发明的燃烧器外壁面温度对比曲线图。

图9是发明作为发射装置应用在微型热光伏发电系统中的工作原理图。

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的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，为本发明的一种利用余热的组合式微型燃烧器，由四个结构相同的平板式微型燃烧器1，尾气室2和排气室3构成；四个所述平板式微型燃烧器1按二竖二横口字形布置相连接围成中间方筒形排气室3，所述尾气室2与四个所述平板式微型燃烧器1和排气室3相连通。

如图2-图7所示，本实施例中平板式微型燃烧器1中壳体1-1的长宽高a,b,c为别为15cm，5cm和60cm，壁厚为5mm。

平板式燃微型烧器1中的进气室L1的长宽高a1,b1,c1分别为：15cm，5cm和15cm。其内部的点火装置1-2的长宽为1.25cm，高5cm。

平板式燃微型烧器1中的下部燃烧室L2的长宽高a2,b2,c2分别为：15cm，5cm和15cm。其内部的A肋板1-3长宽高分别为1.25cm，1.25cm和15cm。

平板式燃微型烧器1中的混合室L3的长宽高a3,b3,c3分别为：15cm，5cm和15cm。

平板式燃微型烧器1中的上部燃烧室L4的长宽高a4,b4,c4分别为：15cm，5cm和15cm。其内部的B肋板1-4的长宽高分别为4cm，1cm和15cm。两个相同的大孔隙率多孔材料1-4和小孔隙率多孔材料1-6的孔隙率分别是0.9和0.45，均由碳化硅制成。

尾气室2长宽高分别为:25cm，15cm，30cm，厚度5mm。

将4个平板式燃微型烧器1焊接成口字形燃烧器。将口字形燃烧器与尾气室2焊接成组合式微型燃烧器。

本发明中平板式微型燃烧器1中壳体1-1由实体不锈钢首先进行切割，使其形成厚度为5mm，长宽高分别为15cm，5cm和60cm的方形空腔，将壳体1-1平均分成四个体积相同的区域：进气室L1，下部燃烧室L2，混合室L3，上部燃烧室L4。随后切割出4个长宽高分别为1.25cm，1.25cm和15cm的A肋板，2个长宽高分别为4cm，1cm和15cm的B肋板。通过焊接的方式将肋板逐个连接到上部和下部燃烧室上。在上部燃烧室L4内填充合适的大孔隙率多孔材料1-4和小孔隙率多孔材料1-6。尾气室2同样通过将实体不锈钢按照一定尺寸进行切割使其形成一个一端开口一段封闭的方形腔室。将4个平板式微型燃烧器1分别焊接成口字形燃烧器组，将口字形燃烧器和尾气室2焊接成组合式微型燃烧器。

综上分析，本发明的微型燃烧器性能比现有的微型燃烧器更加优秀，一方面燃烧器内部的热量能够被更稳定更均匀的传递给燃烧器壁面，另一方面燃烧器排出的尾气也可以被再次利用，进一步提高了燃烧效率，提高能量的利用率。如图8所示，为普通平板式燃烧器外壁面温度与本发明专利中燃烧器外壁面温度对比图。从图中可以很明显的观察到本发明的燃烧器入口壁面温度较普通平板式燃烧器高150K左右，并且整体温度趋势也比较高，因此本发明确实提高了燃烧器壁面的温度，提高了燃烧效率，从而提高微热光电系统效率。

同时，本发明中采用的多孔材料具有可更换性，因此，大大增强了燃烧器的适用性。

工作原理：如图9所示，本发明专利作为发射装置应用在微型热光伏发电系统中，微型热光伏发电系统由发射装置(微型燃烧器)，滤波器和光伏电池板组成。首先将燃料(氢气或甲烷)和氧气提前预混并分别接入本发明专利中组合式燃烧器的4个入口，将燃料(氢气或甲烷)和氧气的混合气体通入燃烧器一段时间(约30秒)，随后打开点火装置使燃料与氧气充分反应，反应气体释放大量反应热并传递给燃烧器壁面，下部燃烧室L2和上部燃烧室L4中肋板的存在可以更好地将热量传递给壁面降低能量损失，多孔材料具有良好的储热，传热性能，进一步提高了燃料的燃烧效率和传热性能。高温燃气将温度传递给壁面，最后汇聚于尾气室内，由于本发明专利存在的迂回结构，尾气室内的气体将会通过排气室从上部燃烧室L4往进气室L1方向排出，该结构将余热进一步利用并传递给燃烧器壁面，提高了燃烧器壁面温度，同时也预热了未燃气体，提高燃烧器效率。

吸收大量热量的燃烧器壁面会释放出带有大量能量的光子，这些光子通过滤波器激活光伏电池板上的电子自由移动，最后产生电能。滤波器使带有大量能量的光子通过并激活光伏电池，能量较低的光子会被反射回燃烧器，间接提高了系统的发电效率。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式。当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，任何熟悉本技术领域的技术人员，当可根据本发明作出各种相应的等效改变和变形，都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种利用余热的组合式微型燃烧器，其特征在于，由四个结构相同的平板式微型燃烧器（1），尾气室（2）和排气室（3）构成；四个所述平板式微型燃烧器（1）按二竖二横口字形布置相连接围成中间方筒形排气室（3），所述尾气室（2）与四个所述平板式微型燃烧器（1）和排气室（3）相连通；

所述的平板式微型燃烧器（1）包括断截面为长方形的筒形壳体（1-1），所述壳体（1-1）内依顺序均等划分为进气室（L1），下部燃烧室（L2），混合室（L3）和上部燃烧室（L4），其中，所述进气室（L1）中设置有点火装置（1-2），所述下部燃烧室（L2）中四内壁上均设置连接有A肋板（1-3），所述上部燃烧室（L4）中沿长边方向依次设置有大孔隙率多孔材料（1-4），B肋板（1-5）、小孔隙率多孔材料（1-6）、B肋板（1-5）和大孔隙率多孔材料（1-4）；

所述B肋板（1-5）为两块，分别与所述壳体（1-1）固定连接，将上部燃烧室（L4）分成3个体积相同的内部通道；

所述尾气室（2）为一端开口另一端封闭的方形空腔体；

所述平板式微型燃烧器（1）的壳体（1-1）的长宽高的尺寸比例为a：b：c=3：1：12；

所述点火装置（1-2）固连在进气室（L1）的宽边b上，点火装置（1-2）与进气室（L1）入口的距离为m，m：b=1：2；

所述A肋板（1-3）的高度和下部燃烧室（L2）高度相同，A肋板（1-3）的长宽高的尺寸之比为1:1:12；

所述的尾气室（2）的壁板厚度与所述平板式微型燃烧器（1）的壳体（1-1）的厚度相同，其长宽高的尺寸之比为L:D:X=5:3:6；

所述的大孔隙率多孔材料（1-4）和小孔隙率多孔材料（1-6）的孔隙率大小之比为2:1。

2.根据权利要求1所述的一种利用余热的组合式微型燃烧器，其特征在于，所述尾气室（2），所述平板式微型燃烧器（1）的壳体（1-1），所述A肋板（1-3）和B肋板（1-5）均由不锈钢制成。

3.根据权利要求1所述的一种利用余热的组合式微型燃烧器，其特征在于，所述大孔隙率多孔材料（1-4）和小孔隙率多孔材料（1-6）均由碳化硅制成。

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