CN116379422A - 多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器。本发明中的空气预热通道布置在热电子发电结构的外壁上，空气经过预热通道后和燃料分别通入预混室，经过预混进入所述多孔介质燃烧器中进行点火燃烧，在多孔介质中形成稳定燃气燃烧火焰，燃烧热量以耦合多孔介质表面辐射传热和高温烟气对流的传热方式传递出去。在燃烧器的壁面上设置热电子发电结构，外接电路和负载用于燃烧余热的利用。本发明通过设置空气预热通道，降低阳极绝对温度，以防阳极工作温度较高，抑制热电的有效转换，提高热电子发电效率。同时用于预热空气，大幅度提高燃烧效率。
Description
技术领域
本发明属于多孔介质燃烧技术领域,涉及一种多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器。
背景技术
热电子发电是将热能转化成电能的发电技术，目前的热电子发电还存在一些问题，一方面传统热电子发电使用的热源如氢燃烧等，存在温度分布不均匀的问题，这对热电子发电电量的稳定性以及热电子发电结构的寿命都有较大的影响。另一方面，热电子发电结构阳极工作温度较高(常处于500-800℃)，导致阳极反向发射电子较多，抑制热电的有效转换。
多孔介质反应器在燃烧时具有燃烧速率高、温度分布均匀、燃烧效率高等优势，是热电子发电热源的较好选择。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器。
本发明包括空气预热通道、预混室、气流分配器、多孔介质燃烧器以及热电子发电结构；在所述的多孔介质燃烧器周向设置有空气预热通道，外部空气经空气预热通道后进入多孔介质燃烧器下方的预混室，预混室的一侧开有燃气进口；所述燃气和预热后的空气在预混室预混后经气流分配器进入所述多孔介质燃烧器进行燃烧，在所述多孔介质燃烧器的壁面上设置热电子发电结构。
燃烧产生的主要热量以耦合多孔介质表面辐射传热和高温烟气对流的传热方式传递出去，部分热量通过高温烟气的对流、热辐射、热传导传递至燃烧器壁面，再传递至热电子发电结构的阴极，热电子发电结构利用燃烧余热将热能转化为电能。
本发明的有益效果为：
通过设置空气预热通道，降低阳极绝对温度，以防阳极工作温度较高，抑制热电的有效转换，提高热电子发电效率。同时用于预热空气，大幅度提高燃烧效率。
锯齿状环形壁面或波纹状环形壁面的设计可以增加与阴极的接触面积，从而提高热电子发射总量，增加电流大小。
多孔介质作为热电子发电的热源，多孔介质燃烧具有燃烧强度大、燃烧稳定性强、温度分布均匀的特点，选择多孔介质燃烧作为热电子发电的热源可实现热电子发电的高效率和高稳定性。同时由于其温度分布均匀的特点，根据热胀冷缩原理，可保护热点发电结构，延长其使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。
图1为多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器装置结构示意图；
图2为热电子发电结构连接负载示意图。
图中 , 1-空气入射口, 2-燃气入射口,3-燃气预混室,4-气流分配器,5-多孔介质,6-热电子发电结构,7-空气预热通道,8-燃烧器壁面,9-阴极,10-隔绝层, 11-N型半导体,12-P型半导体。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明的主要构思原理：本发明具有多孔介质燃烧器，热电子发电结构以及空气预热通道。空气预热通道布置在热电子发电结构的外壁上，空气经过预热通道后和燃料分别通入预混室，经过预混进入所述多孔介质燃烧器中进行点火燃烧，在多孔介质中形成稳定燃气燃烧火焰，燃烧热量以耦合多孔介质表面辐射传热和高温烟气对流的传热方式传递出去。在燃烧器的壁面上设置热电子发电结构，外接电路和负载用于燃烧余热的利用。
作为优选，所述的多孔介质结构采用下方的孔隙率低于上方的孔隙率高的结构形式，多孔介质的孔隙率范围约从0.25到0.95，多孔介质结构为孔径和孔隙率均匀的蜂窝结构、泡沫结构、或堆积颗粒结构。
作为优选，所述的空气预热通道布置在热电子发电结构外壁上，紧贴热电子发电结构的阳极，用于降低阳极绝对温度。
作为优选，所述的燃烧器壁面可设计为锯齿状环形壁面或波纹状环形壁面。
作为优选，所述的热电子发电结构由阴极,隔绝层，N型半导体和P型半导体组成。阴级、隔绝层、N型半导体、P型半导体均设计为锯齿状环形面或波纹状环形面，与燃烧器壁面设计一致，阴级紧贴燃烧室外壁。
作为优选，所述的阴极与N型半导体之间设有隔绝层，阴极和P型半导体作为电源的两极外接负载。
作为优选，所述的阴极为耐高温金属，表面可选择蒸镀低功函数材料LaB6，降低热电子发射势垒。
作为优选，所述的隔绝层为耐高温的绝缘体，如可选用Al2O3、SiO2等。
作为优选，所述的N型半导体为薄膜，如可选用掺有V族元素的InSb薄膜等，P型半导体采用基底，如可选用InSb基底等。
本发明的工作过程为：
如图1所示，空气从空气入射口1进入空气预热通道7，进行充分的预热后进入预混室3；然后燃气从燃气入射口2射入预混室3，在预混室内利用射流引起的旋转效应进行旋转预混后，通过上方的气流分配器4均匀整流，进入到多孔介质燃烧器中的多孔介质5中进行稳定的燃烧，其中多孔介质燃烧器呈倒梯形，即下小上大的梯形结构，其壁面上设置热电子发电结构，利用倒置梯形结构后，沿着燃烧器轴向横截面面积，增加燃气流速逐渐降低，燃烧火焰传播速度降低，燃烧火焰稳定性提高，更容易使燃烧器壁面的温度分布更加稳定，有利于热电子发生，提高热电效率。
燃烧过程中，多孔介质5内气体燃烧放出的热量通过导热、对流和辐射换热迅速向周围传递，使多孔介质燃烧区内温度峰值降低，温度分布比较均匀，燃烧区域拓宽；位于燃烧区域下游的多孔介质通过本身的蓄热能力吸收烟气热量，实现烟气余热的回收，并以辐射和导热形式向燃烧区中的多孔介质基体传递。在燃烧区内，燃烧放出的热量以对流和少量气体辐射形式传递给多孔介质基体，多孔介质基体又通过本身的导热和辐射作用将热量向燃烧区上游传递，加热新鲜预混燃气；这样新鲜燃气的预热、多孔介质的蓄热和传热、燃烧区域的放热三者共同作用，实现了燃气高强度，高效率的均匀燃烧。
多孔介质燃烧产生的部分热量通过高温烟气的对流，热辐射，热传导传递到燃烧器壁面，再传递到阴极9，如图2所示，阴极内的自由电子被热化后以热电子发射的方式进入N型半导体11，在N型半导体中电子经过二次热化，以热电辐射的方式克服N-P结界面势垒进入P型半导体12，流经导线和负载重新回到阴极并实现发电。其中，阴极为耐高温金属，表面蒸镀如LaB6等低功函数材料，降低热电子发射势垒。N型半导体为掺有Ⅴ族元素的InSb薄膜，P型半导体采用掺有Ⅲ族元素的InSb基底，N型半导体和P型半导体共同组成阳极，阴极和阳极之间通过隔绝层10进行电、热隔绝，阴阳极间距离通过隔绝层的厚度控制。为进一步提高发电效果，可用P型半导体为基底，N型半导体为薄膜，沉积于P型半导体表面。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：包括空气预热通道、预混室、气流分配器、多孔介质燃烧器以及热电子发电结构；
在所述的多孔介质燃烧器周向设置有空气预热通道，外部空气经空气预热通道后进入多孔介质燃烧器下方的预混室，预混室的一侧开有燃气进口；所述燃气和预热后的空气在预混室预混后经气流分配器进入所述多孔介质燃烧器进行燃烧，在所述多孔介质燃烧器的壁面上设置热电子发电结构；
燃烧产生的主要热量以耦合多孔介质表面辐射传热和高温烟气对流的传热方式传递出去，部分热量通过高温烟气的对流、热辐射、热传导传递至燃烧器壁面，再传递至热电子发电结构的阴极，热电子发电结构利用燃烧余热将热能转化为电能。
2.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：所述的空气预热通道紧贴所述热电子发电结构中的阳极，用于降低阳极绝对温度。
3.根据权利要求1或2所述的多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：所述的多孔介质燃烧器的壁面为锯齿状环形壁面或波纹状环形壁面。
4.根据权利要求3所述的多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：所述的热电子发电结构由阴极、隔绝层、N型半导体和P型半导体组成，其中所述的N型半导体和P型半导体构成所述的热电子发电结构的阳极。
5.根据权利要求1所述的多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：所述的多孔介质燃烧器呈倒置的梯形结构。
6.根据权利要求5所述的多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：多孔介质燃烧器中的多孔介质结构采用下方的孔隙率低、上方的孔隙率高的结构形式，多孔介质的孔隙率范围为0.25到0.95。
7.根据权利要求1或6所述的多孔介质燃烧耦合热电子发电燃烧器，其特征在于：所述的多孔介质结构为孔径和孔隙率均匀的蜂窝结构、泡沫结构或堆积颗粒结构。
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