CN113339796B - 一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，属于热电系统领域。本发明的系统为轴对称结构，包括：中心燃烧室，螺旋进气扇叶，中心螺钉，增压弹簧，四通道热源腔，热电片，散热器等主要部件。本发明的热电系统，发电效率高，将燃烧室产生的热气全部利用在热电片表面，不浪费热量。且达到脉冲供能的目的，在相同进气功率下提升了热电片的发电效率。

Description

一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统

技术领域

本发明涉及一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，属于热电系统领域。

背景技术

由于新型能源以及微型机电技术的发展，微尺度供能问题引起大家关注，而化学电池存在能量密度低，对环境要求苛刻等问题，致使当今微尺度燃料电池被广泛应用在各种场合，利用热电效应的微型热电发电系统就是其中一种。热电系统的发电原理是利用温差产生热电势的温差发电效应。热电系统的重要组成部分有三个：燃烧器，热电片以及散热器。

燃烧器和散热器的作用是为热电器件提供一个冷热温差，使得热电器件通过温差进行发电。而稳定热源的热电系统散热器散热性能较差，散热能力不足时，热电片冷热端的温差会较小，由于热电器件的发电效率与冷热端温差大小成正比，所以最终导致热电系统的总体效率大幅下降。

现有热电系统中普遍热源主要有燃烧产热和电热两种，散热器有翅片式空气散热以及水冷等，整体尺寸从毫米级到米级。而现有热电系统的热源普遍为稳定热源，换句话说，相同进气功率下热源的温度恒定不变，热电片两端的温差相对稳定。而热电片冷热端温差与热电片的发电功率成正比，所以为使得热电片具有高发电功率，热电系统对于散热要求更加严格。最终导致整个系统的体积较大，或者只能依靠外界循环水来进行散热，不能成为独立系统。

热的传递是一个过程，所以，热从燃烧器热传导进入热电器件再到达散热器是需要时间的，所以当燃烧器在刚开始提供热量的一瞬间，热传导至热电器件热端但还未到达散热器时，热电片内热电臂两端会产生较大温差，之后温差会逐渐减小最终达到平衡状态。脉冲式热源由于利用了热传导的时间差而使热电器件总能处于较大温差，最终在脉冲式热源环境下的热电系统发电效率更高。同时，脉冲式供热也为散热器的散热提供了充足的散热时间，降低了对于散热器散热能力的要求。但由于微型热电系统的尺寸限制，燃烧器的大小也受到了约束，较大的面体比导致燃烧器内火焰容易息燃，很难利用控制进气条件来控制热源的脉冲供热，所以研究中的微型燃烧器都是提供了恒定温度热源。而用来研究脉冲式热电系统的实验室都是用电热丝来取代燃烧器，通过控制电热丝供电电流的大小来仿真燃烧器的脉冲效果进行实验。

所以，现有的燃烧器需要进行改进来实现脉冲式供热的效果，从而提升微型热电系统的总效率。基于脉冲式供能燃烧器的热电系统具有三大挑战，第一是在较小尺度下的稳定燃烧，换句话说，混合气应在一个固定空间内稳定燃烧；第二，具有可以为热电器件脉冲供能的属性；第三，脉冲的频率应为可调节式，以使热电器件达到基于不同进气功率，热电片以及散热器的散热能力下最大的发电效率。为解决这三个难题，一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统被研究发明。

发明内容

本发明的目的是提出一种可控稳定，且不需外界提供额外能量用来脉冲的情况下，自供能提供给热电器件的脉冲式热源，填补脉冲式热电系统的空缺。其的是通过下述技术方案实现的。

一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，为轴对称结构，包括：中心燃烧室，螺旋进气扇叶，中心螺钉，增压弹簧，四通道热源腔，热电片，散热器等主要部件。

本发明是一种基于脉冲式供能燃烧器的微型热电系统，所述装置组成：燃料燃烧区由燃料进气帽，中心燃烧室，螺旋进气扇叶，中心螺钉，增压弹簧以及预紧螺栓4组成。发电区由四通道热源腔，四通道热源平板上盖，热电片以及翅片式散热片组成。

原理说明：预混燃气从燃料进气帽顶端进入中心燃烧室，之后迅速被点燃，气体迅速膨胀向水平四周及向下运动，同时因为气流向下的推力，会对螺旋进气扇叶产生水平方向推力，致使螺旋进气扇叶绕中心螺钉顺时针旋转，混合气顺着螺旋进气扇叶进入中心燃烧室底部四个通道中的一个，混合气会按照螺旋进气扇叶旋转的位置不同而依次进入中心燃烧室底部的四个不同的通道。随后，混合气会依次进入四通道热源腔，使得发热的四通道热源腔按照热流进入的顺序，依次向四个不同位置腔体上下两侧的热电片释放热量。换句话说，螺旋进气扇叶旋转一周为一个放热周期，这样，每一个热源腔在一个周期内脉冲式的向热电片供能，从而达到了不需外界提供额外能量用作脉冲的情况下，自供能提供热电器件脉冲式热源的作用。

增压弹簧会增加螺旋进气扇叶与中心螺钉的摩擦力，从而控制扇叶旋转的速度，可根据需求来调整预紧螺栓的紧度来控制扇叶旋转速度，从而达到调控热源脉冲速率的作用。

计算公式：

Q＝F·v (1)

其中，Q为总输入功，F为进气气流向下的力，v为气流速率；

F_t＝F_Z-f (2)

其中，F_t为螺旋进气扇叶扭力，F_z为气流推动旋转进气扇叶的推力，f为旋转摩擦力；

F_t＝T/R (2)

其中，T为螺旋进气扇叶扭矩，R为作用半径；

V＝πR·n/30 (3)

其中，V为螺旋进气扇叶线速度，n为螺旋进气扇叶每分钟转速；

9549·Q＝T·n (4)

Q_i＝h·A·(T_air-T_w) (5)

其中，Q_i为i次输入单独热源腔的能量，h为表面对流换热系数，T_air为混合气温度，T_w为热源腔内壁面温度；

其中，P为单个热电片输出到负载的功率，S_np为n，p热电臂的总塞贝克系数(绝对值)，T_h为热电臂热端温度，T_c为热电臂冷端温度，Ri为热电器件内阻值，R₁为负载阻值；

调节所述热源腔的通道长度和通道壁高度，进一步提高发电量的方法为：

A＝A_b+A_s+A_x (6)

其中，A为热源腔与混合气接触总面积，A_b为混合气与热源腔侧壁面接触总面积，A_s与A_x分别表示热源腔上下壁面与混合气接触总面积；

燃烧器的热效率为：

热电系统效率为：

所述中心燃烧室为四通道出气口，故螺旋进气扇叶角度为90°，螺旋进气扇叶开口角度可随出气口数不同而改变。

所述速度调节装置由中心螺钉、预紧螺栓和增压弹簧构成；通过预紧螺栓调节弹簧的松弛程度，从而调节中心螺钉对螺旋进气扇叶的摩擦力，达到调节螺旋进气扇叶转速的目的。

采用所述基于脉冲式供能燃烧器的热电系统发电的方法，燃料混合气通过燃料进气帽进入中心燃烧室并被点燃，气体因化学反应温度上升并膨胀，产生向下推力，从而推动螺旋进气扇叶旋转，之后随中心燃烧室的出气口排出，随后进入四通道热源腔，混合气充斥四通道热源腔后从热源腔出口排出，热源腔的热量供给上下两片热电片，翅片式散热片提供散热功能，使热电片产生冷热温差，最后发电；其中，可根据混合气进气功率调整预紧螺栓，增加或减小螺旋进气扇叶旋转摩擦力，从而调整螺旋进气扇叶的旋转速率。

将所述基于脉冲式供能燃烧器的热电系统作为微型能量源应用到微小热电系统发电领域等，可以起到为设备提供微尺度高功率密度输出电能的能量源；

有益效果

1、本发明的一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，发电效率高，将燃烧室产生的热气全部利用在热电片表面，不浪费热量。且达到脉冲供能的目的，在相同进气功率下提升了热电片的发电效率；

2、本发明的一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，通过气流推动螺旋进气扇叶，依次向四个热源腔进行排气，从而产生脉冲式效果，不需要外界能量进行脉冲控制；

3、本发明的一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，该系统燃料燃烧区空间固定，且大于火焰焠熄高度，可达到小尺度稳定燃烧，非常有便于实验和实际运用；

4、本发明的一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，该系统通过增压螺丝来调控脉冲速率，方便快捷；

5、本发明的一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，该系统可同时供热给八个热电片，极大的增加了系统的功率密度。

附图说明

图1本发明的整体结构爆炸示意图；

图2燃料燃烧区的中心燃烧室；

图3燃料燃烧区的螺旋进气扇叶；

图4燃料燃烧区螺旋进气扇叶旋转示意图；

图5本发明装置内部气体流向图；

图6本发明的整体外观轮廓示意图；

图7本发明的整体外观渲染示意图。

其中，1—翅片式散热片、2—热电片、3—螺旋进气扇叶；4—预紧螺栓；5—中心螺钉；6—燃料进气帽；7—中心燃烧室；8—增压弹簧；9—四通道热源平板上盖；10—四通道热源腔。

具体实施方式

为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。

实施例1：

在选材方面，由于需要降低中心燃烧室热量损失，中心燃烧室应选择导热系数较低的材料，例如陶瓷等，同时也有助于在内部电打火。螺旋进气扇叶，中心螺钉应选择高耐热金属材料，四通道热源腔以及四通道热源腔平板上盖应选择导热系数较大的材料，例如紫铜等，有利于热量快速传导至其外表面。

整体装置的爆炸图如图1所示。首先安装燃料燃烧区，为表示更加清晰，图2为中心燃烧室的底部视角，图3为螺旋进气扇叶的侧视图，将螺旋进气扇叶3放入中心燃烧室底部，将中心螺钉5自上穿过螺旋进气扇叶3以及中心燃烧室7底端中心孔，之后将增压弹簧8自中心螺钉5下端套入，最后由预紧螺栓4预紧增压弹簧8。将燃料进气帽6安装在中心燃烧室7顶部，燃料燃烧区便安装完成，图4为燃料燃烧区螺旋进气扇叶旋转的示意图。第二部安装发电区，将四通道热源腔10按照对应接口接于中心燃烧室7底部，要保证四通道热源腔10气体入口与中心燃烧室7气体出口一一对应。安装完成后将4个四通道热源平板上盖9安装至四通道热源腔10上部，且带有弧形的一端须紧贴于中心燃烧室7外壁面，保证气体自中心燃烧室7排出后须穿过热源腔蛇形通道再排出。为更加清楚的表示气体在装置内部的流动情况，图5表示了装置内部气体流向图。最后将8枚热电片2分别紧贴于四通道热源腔10上下表面，最后在热电片2的另一面紧贴8个翅片式散热器1。至此，基于脉冲式燃烧器的热电系统安装完成。图6为基于脉冲式燃烧器的热电系统的整体外观轮廓示意图，为更加生动的表示外观，图7为基于脉冲式燃烧器的热电系统的整体外观渲染示意图。

使用时，将可燃气体与空气预混后由燃料进气帽6顶端压入中心燃烧室7，可由电打火接入中心螺钉5和燃料进气帽6，将混合气点燃，由于中心燃烧室7的直径较大，混合气极易被点燃，之后气体迅速膨胀向下运动，同时因为气流向下的快速流动，会对螺旋进气扇叶3产生水平方向推力，致使螺旋进气扇叶3绕中心螺钉5顺时针旋转，转速可由公式(4)得出，也可根据转速情况实时调整预紧螺栓4紧度，从而调整螺旋进气扇叶3转速。因螺旋进气扇叶3底部开口角度为90°，所以在转动的同时至少有一个出气口可以排出混合气，所以气体会按照螺旋进气扇叶3旋转的位置不同而依次进入中心燃烧室7底部的四个不同的通道。气体进入四通道热源腔10后会因通道结构而分成两路，按照蛇形内部通道流动同时热源腔进行充分换热后排出，由公式(7)可得出理论燃烧器热效率。同时，根据公式(6)可得，混合气与热源腔的换热与换热面积有关，该实施例单个热电片表面积为30×30mm²，而单个热源腔的内部换热面积达到2000mm²。所以气体与热源腔换热后使得发热的四通道热源腔10按照热流进入的顺序，依次向四个腔体上下两侧的热电片释放热量，换句话说，螺旋进气扇叶3旋转一周为一个放热周期，例如螺旋进气扇叶3转速为6r/min，那么单个热源腔供热频率为10s一个周期，气体进入腔体时间为2.5s。最后，根据公式(5)可得最终热电片2发电功率，其整体效率可由公式(8)得出。这样，每一个热源腔在一个周期内脉冲式的向热电片2供能一次，从而达到了不需外界为脉冲提供额外能量的情况下，自供能提供热电器件脉冲式热源的作用。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于脉冲式供能燃烧器的热电系统，其特征在于：包括：燃料燃烧区和发电区；

所述燃料燃烧区包括燃料进气帽、中心燃烧室、速度调节装置和螺旋进气扇叶；螺旋进气扇叶围绕速度调节装置旋转，并能够通过速度调节装置调节转速；所述燃烧室下端开设出气口；

所述速度调节装置由中心螺钉、预紧螺栓和增压弹簧构成；通过预紧螺栓调节增压弹簧的松弛程度，从而调节中心螺钉对螺旋进气扇叶的摩擦力，达到调节螺旋进气扇叶转速的目的；

所述发电区包括：四通道热源腔、四通道热源平板上盖、热电片和翅片式散热片；气体经过燃烧室下端出气口进入四通道热源腔，为热电片提供热源；翅片式散热片对热电片进行散热；使得热电片两侧产生冷热温差并发电。

2.采用如权利要求1所述的基于脉冲式供能燃烧器的热电系统发电的方法，其特征在于：燃料混合气通过燃料进气帽进入中心燃烧室并被点燃，气体因化学反应温度上升并膨胀，产生向下推力，从而推动螺旋进气扇叶旋转，之后随中心燃烧室的出气口排出，随后进入四通道热源腔，混合气充斥四通道四通道热源腔后从四通道热源腔出口排出，四通道热源腔的热量供给上下两片热电片，翅片式散热片提供散热功能，使热电片产生冷热温差，最后发电；其中，根据混合气进气功率调整预紧螺栓，增加或减小螺旋进气扇叶旋转摩擦力，从而调整螺旋进气扇叶的旋转速率。

3.如权利要求1所述基于脉冲式供能燃烧器的热电系统的应用，其特征在于：将如权利要求1所述的基于脉冲式供能燃烧器的热电系统作为微型能量源应用到微小热电系统发电领域，可以为设备提供微尺度高功率密度输出电能的能量源。

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