CN203615331U - 一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器 - Google Patents

一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器 Download PDF

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Abstract

本实用新型根据微型热光电系统的工作要求，提出一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器。所述燃烧器由左右开口的直通的燃烧器外壁、导热隔板、左端板、右端板组成。采用布置中间隔板和双向进气的方式，实现了燃烧产物和进气之间的热量交换，达到了基本的回热效果；多孔介质层的设置，延缓了进排气的速度，增加了混合气在燃烧器内的滞留时间；此外，多孔介质的蓄热作用会对回热效果起到更好的促进作用。这种多孔介质和双向进气相结合的设计方式，使得通道内的微尺度燃烧过程更加充分和稳定，可提高辐射壁面温度，并使其温度分布更均匀，从而对提高微型热光电系统的输出性能产生积极的作用。

Description

一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器
技术领域
本发明属于微型动力机电系统（Power MEMS，简称微动力系统）领域，涉及一种新型的微尺度燃烧强化技术，特指一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器。 
背景技术
近年来，对微型动力系统的开发已成为世界范围内的一个研究热点。该类装置通过燃烧的方式将碳氢燃料的化学能转换为热能，然后依靠各种能量转换方式为微型机电系统提供动力或电能，具有能量密度高、工作寿命长、易维护以及污染小等一系列的优点。微型热光电系统（Micro-thermophotovoltaic System，简称MTPV System）是一种典型的微型动力装置，它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，高温壁面辐射出能量足够高的光子撞击低频带隙光电池从而产生电能。跟其他的微型动力装置相比，它结构更加简单、没有运动部件，而且制造装配容易，因此优势也较为明显。 
作为微型热光电系统的核心部件，微型燃烧器结构的设计不仅决定了内部气流的流动方式以及装置其它部件的布局，而且也会因燃烧效果的好坏显著影响单位体积的能量输出。尽管碳氢燃料乃至纯氢燃料的燃烧都具有很高的能量密度，但是在微尺度燃烧下，仍存在着一些问题：一方面预混合气在燃烧室内部的驻留时间较短，完全反应的难度较大；另一方面，由于表面积的增加使散热损失增加，预混合气在燃烧室内更容易熄火，燃烧不稳定性增加。 
目前，传统的微型热光电系统燃烧器通常采用圆柱型和平板型两种结构，即将燃烧器内部设计成圆管通道或者矩形通道的型式，并采用一侧进气，一侧排气 的方式。尽管这种燃烧器的设计简单，加工方便，但是也存在着一些缺陷，即燃料氧化剂混合气的气流不能进行良好的组织，加之驻留时间短，从而造成燃烧的稳定性差，燃烧效率受到限制。 
对于微型热光电系统，辐射面温度高且均匀是良好系统输出性能的保证。因此，如何更加合理的设计燃烧器、如何实现高效稳定的燃烧过程就显得尤为重要。例如专利申请号为201310014796.1，名称为”一种多孔介质回热型微尺度燃烧器”，公开了一种通过在燃烧器内设置T形隔板和多孔介质的设计方式，基本上实现了微尺度回热燃烧，达到了均匀布气、延长气流在燃烧器内驻留时间的作用。虽然该专利申请中公开的技术方案能够一定程度的提高气体在微型燃烧器中的燃烧完全程度，但是回热型微尺度燃烧器的布气方式、回热效果以及燃烧性能的优化还有待进一步的提高。 
发明内容
本发明旨在根据微尺度燃烧的特点以及微型热光电系统的工作要求，提出一种结构相对较简单、可实现高效稳定燃烧的填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器。 
本发明的技术方案如下： 
一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，由左右开口的直通的燃烧器外壁、导热隔板、左端板、右端板组成，导热隔板将燃烧器内部隔开形成上下两个密闭的区域，所述导热隔板与左端板和右端板相接触的两端侧上下各布置一定长度多孔介质层；所述左端板上在导热隔板的两侧设有两个通气孔，所述右端板上与左端板的对称位置分别设有两个通气孔。 
所述燃烧器由左右开口的直通道燃烧器外壁、导热隔板、左端板、右端板组 成，左右端板分别位于燃烧器外壁的左右两侧，与燃烧器外壁组成了一个密闭的燃烧腔，整个燃烧器外观呈长方体结构。导热隔板将燃烧器内部隔开上下两个密闭的区域，形成了上下两个燃烧通道；导热隔板与左端板和右端板相接触的两端侧上下各布置一定长度的多孔介质层，多孔介质层占燃烧腔长度的1/5～1/4。 
所述燃烧器在导热隔板的两侧，形成了上、下两个燃烧通道，所述上燃烧通道与下燃烧通道的气体流动方向相反。 
所述左右端板在导热隔板的上下两侧均分别设有两个通气孔，其中一个为进气孔，另一个则为出气孔。 
所述燃烧器外壁、导热隔板、左端板和右端板均采用铜钨合金（CuW80），多孔介质的材质采用Al2O3泡沫微孔陶瓷。 
所述多孔介质采用耐高温胶粘结在导热隔板的上下两侧，多孔介质区共设有4个，且沿导热隔板上下左右对称分布，上下燃烧通道内靠近进气孔的多孔介质区称为第一层多孔介质区，靠近排气孔的多孔介质区则称为第二层多孔介质区。 
本发明的工作原理为：工作时，燃料和氧化剂经充分预混后，将首先通过两端板上的入口实现逆向进气，分别经各自的第一层多孔介质区，进入到燃烧腔中进行燃烧，生成的燃烧产物再从各自出口端的第二层多孔介质区通过端板上的排气孔排至装置外。 
本发明的技术方案带来的技术效果有：（1）隔板和双向进气的方式，实现了燃烧产物和进气之间的热量交换，达到了基本的回热效果；（2）多孔介质层的设置，不仅可使得预混气在燃烧器内的布气更加均匀，而且还延缓了进排气的速度，增加了混合气在燃烧器内的滞留时间；（3）此外，多孔介质的蓄热作用以及驻留时间的延长，都会对回热效果起到更好的促进作用。（4）采用双向进 气方式，两个燃烧通道，也提高了燃烧器的工作效率。 
在这几方面的综合作用下，预混合气的焓值相对传统的燃烧器会得到很大的提高，在这种情况下进行燃烧，不仅可以改善微尺度燃烧过程的稳定性和充分性，而且可以通过降低排气温度实现能量的综合利用。采用该燃烧器后，辐射壁面的温度分布势必得到大幅改善，从而也必将带来微型热光电系统功率输出的飞跃。 
附图说明
图1为填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器纵剖面的结构示意图。 
其中，1.燃烧器外壁，2.导热隔板，3.左端板，4.右端板，5.上进气孔，6.上出气孔，7.下进气孔，8.下出气孔，9.下多孔介质区，10.上多孔介质区，11.上燃烧区，12.下燃烧区； 
图2为导热隔板、端板以及进出气孔的结构示意图。 
具体实施方法 
下面结合附图1和2，对本发明的具体实施方式作进一步的说明。 
如图1所示的填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，包括了燃烧器外壁1，导热隔板2，左端板3，右端板4，上进气孔5.，上出气孔6，下进气孔7，下出气孔8，下多孔介质区9，上多孔介质区10，上燃烧区11，下燃烧区12。 
燃烧器外壁1为左右开口的直通道，其左右端口通过左端板3和右端板4组成了一个封闭的燃烧腔。导热隔板2将燃烧器内部隔开上下两个密闭的区域，形成了上下两个燃烧通道，导热隔板2与左端板3和右端板4相接触的两端侧上下各布置一定长度多孔介质层；每块多孔介质层占燃烧腔室的长度的1/5。 
左端板3上在导热隔板2的两侧设有两个通气孔，其中在导热隔板2上侧的通气孔为上出气孔6，在导热隔板2下侧的为下进气孔7；右端板4上与上出气 孔6对称位置设有上进气孔5,，与下进气孔7相对的位置上设有下出气孔8。 
燃烧器工作时，从高压气瓶出来的碳氢燃料和氧气经减压阀减压后，在混合器中充分混合后形成预混合气，并由铜制导管经喷嘴分别导入微型燃烧器的上下通道中。在上燃烧通道中，混合气由上进气孔5进入，经过上多孔介质区10的第一层，预热后进入上燃烧区11，燃烧后经过上多孔介质区10的第二层，再由上出气孔6排出燃烧器；同时，在下燃烧通道中，混合气由下进气孔7进入，经下多孔介质区9的第一层预热后，进入下燃烧区燃烧，再经过下多孔介质区9的第二层，变成废气排出装置外。可见燃烧器采用双向进气和填充多孔介质的方式，实现了燃烧产物和进气之间的热量交换，达到了较好的回热燃烧效果。 
在本发明中，微尺度燃烧器外部呈长方体结构。加工时，首先用线切割的方法将一个铜钨合金（CuW80）块加工成左、右侧开口的内部矩形通道结构，形成燃烧器外壁1，其外观尺寸为：长度和宽度均为10mm，整体高度为2.2mm，壁面厚度均为0.2mm。 
导热隔板2采用同燃烧器外壁1一样的材料，其厚度为0.2mm，长和宽亦为10mm。随后，将四块厚度为0.8mm、长度为2mm，宽度尺寸与矩形通道保持一致的Al2O3泡沫微孔陶瓷，采用耐高温胶粘结在导热隔板2的上下两侧，且上下左右对称分布，以形成燃烧器中的上多孔介质区9和下多孔介质区10以及上燃烧区11和下燃烧区12（高度为0.8mm）。接着，将带有多孔介质的导热隔板2塞入矩形燃烧通道中，并利用耐高温胶将端板3、4粘结在矩形燃烧通道两侧，最终形成一个填充多孔介质双向进气式回热型微尺度燃烧器。端板3、4也采用铜钨合金（CuW80）制成，其壁面厚度为0.3mm，高度和宽度尺寸同燃烧器外壁1保持一致，每块端板上均对称的开有两个直径为0.5mm的孔，以形成上进 气孔5、上出气孔6、下进气孔7以及下出气孔8。 
综上分析，本发明的微型燃烧器性能整体上比起常规微型燃烧器更好，提高了微尺度燃烧的极限范围，使壁面温度有所上升，可使壁面辐射能力增强，整个微型热光电转换装置的效率得到了提高，而且该装置结构设计较简单，具有一定的实用价值。 

Claims (8)

1.一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，由左右开口的直通的燃烧器外壁、导热隔板、左端板、右端板组成，其特征在于：导热隔板将燃烧器内部隔开形成上下两个密闭的区域，所述导热隔板与左端板和右端板相接触的两端侧上下各布置一定长度多孔介质层；所述左端板上在导热隔板的两侧设有两个通气孔，所述右端板上与左端板的对称位置分别设有两个通气孔。 
2.根据权利要求1所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：所述燃烧器在导热隔板的两侧，形成了上、下两个燃烧通道，所述上燃烧通道与下燃烧通道的气体流动方向相反。 
3.根据权利要求2所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：左端板和右端板的上下相邻的通气孔一个为出气孔，另一个为进气孔。 
4.根据权利要求3所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：所述左端板与右端板在导热隔板的上侧的通气孔，一个为进气孔，另一个为出气孔。 
5.根据权利要求3所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：所述左端板与右端板在导热隔板的下侧的通气孔，一个为进气孔，另一个为出气孔。 
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：燃烧器外壁、导热隔板、左端板和右端板均采用铜钨合金，多孔介质的材质采用Al2O3泡沫微孔陶瓷。 
7.根据权利要求6所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：所述多孔介质采用耐高温胶粘结在导热隔板的上下两侧，所述 多孔介质区供设有4个，且沿导热隔板上下左右对称分布。 
8.根据权利要求1至5任一项所述的一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器，其特征在于：所述每块多孔介质层的长度为整个燃烧器长度的1/5。 
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103629666A (zh) * 2013-11-06 2014-03-12 江苏大学 一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器
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CN105066127A (zh) * 2015-08-25 2015-11-18 江苏大学 一种内置十字隔板式微型燃烧器
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