專(zhuān)利名稱(chēng)：一種微小型燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于氣體燃燒的技術(shù)領(lǐng)域，特指為微小型動(dòng)力裝置提供熱源或高溫氣源的燃燒器。
背景技術(shù)：
隨著微加工技術(shù)的快速發(fā)展，各種微電子機(jī)械系統(tǒng)和設(shè)備不斷涌現(xiàn)，如微型衛(wèi)星、 微型推進(jìn)系統(tǒng)、微型機(jī)器人以及手機(jī)等便攜式電子設(shè)備。目前這些設(shè)備大都由化學(xué)電池驅(qū)動(dòng)，然而化學(xué)電池存在能量密度小、體積和重量大、充電時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，而氫氣和碳?xì)浠衔锶剂舷鄬?duì)于化學(xué)電池來(lái)說(shuō)有著高幾十倍的能量密度。如典型液體碳?xì)浠衔锶剂系哪芰棵芏燃s為45MJ/kg，而最好的鋰電池的能量密度約為1. 2MJ/kg。因此，基于燃燒的微小型動(dòng)力系統(tǒng)具有與鋰電池競(jìng)爭(zhēng)的巨大潛力。目前研究者們已經(jīng)制造出了微燃?xì)馔钙健⑽⑥D(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)、微推進(jìn)系統(tǒng)、微熱光伏發(fā)電系統(tǒng)(μ -TPV)和微熱電系統(tǒng)(μ -TE)，等等。其中，微燃燒器是微小型動(dòng)力系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，關(guān)于微燃燒的研究得到了世界各國(guó)的高度重視。在微小型燃燒器中，由于燃燒室表面積與體積的比值相對(duì)于常規(guī)尺度來(lái)說(shuō)要大兩至三個(gè)數(shù)量級(jí)，使得通過(guò)壁面的散熱損失大大增加，同時(shí)壁面對(duì)化學(xué)反應(yīng)自由基的捕獲幾率也大大增加，因此，火焰穩(wěn)定性變差，容易發(fā)生熄火。此外，由于燃燒室?guī)缀纬叽缣。瑲怏w在其中的停留時(shí)間太短，燃料和空氣往往來(lái)不及完全反應(yīng)就被吹出燃燒室，不僅導(dǎo)致燃燒效率降低，而且燃料的吹熄極限和穩(wěn)燃范圍也大大縮小。為了提高微小型燃燒器中火焰的穩(wěn)定性，研究者們主要采用熱循環(huán)以及催化反應(yīng)的辦法。如美國(guó)南加州大學(xué)、日本東北大學(xué)和清華大學(xué)的研究小組采用所謂的“瑞士卷 (Swiss-Roll)”結(jié)構(gòu)。但是這種燃燒器復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)使得其加工非常困難。此外，鐘北京等提出了微小型催化燃燒器，然而，催化劑的催化效果也不持久。新加坡的研究小組則開(kāi)發(fā)了帶臺(tái)階的突擴(kuò)型微小型燃燒器來(lái)穩(wěn)定火焰，取得了一定的效果，但是增加了系統(tǒng)加工的復(fù)雜性，同時(shí)臺(tái)階的存在降低了燃燒器的緊湊性。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是為了提供一種微小型燃燒器，該燃燒器具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)燃范圍寬和燃燒效率高的特點(diǎn)。本實(shí)用新型提供的一種微小型燃燒器，其特征在于，該燃燒器包括鈍體、第一、第二預(yù)熱通道以及燃燒室；第一、第二預(yù)熱通道以及燃燒室均為平板型；第一、第二預(yù)熱通道分別設(shè)有氣體入口，燃燒室設(shè)有尾氣出口 ；鈍體安裝在燃燒室的入口處，鈍體的寬度Wb與燃燒室的寬度W。之比為0. 3至0. 6 之間；第一、第二預(yù)熱通道均為L(zhǎng)型，并分別布置在燃燒室的上、下兩側(cè)，且均與燃燒室的入 □連通。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于在燃燒室上下兩側(cè)設(shè)置了預(yù)熱通道，這樣避免了高溫的燃燒室壁面與外界的直接換熱，從而大大減少了燃燒室的散熱損失。此外，燃料和空氣(采用非預(yù)混燃燒方式時(shí))、或者它們的預(yù)混合物(采用預(yù)混燃燒方式時(shí))在進(jìn)入燃燒室之前， 通過(guò)這兩個(gè)流道與燃燒室壁面進(jìn)行對(duì)流和輻射換熱，達(dá)到預(yù)熱的目的，這樣可以降低點(diǎn)火所需的能量，縮短著火延長(zhǎng)時(shí)間。再則，鈍體的存在不僅可以起到加強(qiáng)燃料和空氣的混合作用(采用非預(yù)混燃燒方式時(shí))，而且能夠利用其后部形成的低速高溫的回流區(qū)來(lái)很好地穩(wěn)定火焰。由于鈍體能使火焰在燃燒室內(nèi)保持對(duì)稱(chēng)分布，可以避免因?yàn)椴痪鶆虻臒釕?yīng)力導(dǎo)致燃燒器的損壞。鈍體表面也可以噴涂催化劑，從而能進(jìn)一步降低著火所需的活化能，使得著火提前，燃料和空氣有足夠的時(shí)間來(lái)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，保證在較高的進(jìn)氣速度時(shí)也有高的燃燒效率。本實(shí)用新型產(chǎn)生的高溫?zé)煔饪梢杂脕?lái)為微型熱電裝置或者微型熱光伏系統(tǒng)提供熱源，也可作為微型推進(jìn)系統(tǒng)的高溫燃?xì)?，通過(guò)后續(xù)的噴管來(lái)產(chǎn)生推力。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)還在于它既適用于非預(yù)混燃燒，也適用于預(yù)混燃燒，具體采用何種燃燒方式可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理地選擇。

圖1是本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)的二維示意圖其中1，2.入口，3.尾氣出口，4.鈍體，5，6.預(yù)熱通道，7.燃燒室圖2是圖1的三維效果圖。圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例與單層平板型微燃燒器的吹熄極限比較曲線；圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例與單層平板型微燃燒器的燃燒效率比較曲線。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例更加詳細(xì)地說(shuō)明本實(shí)用新型，但以下實(shí)施例僅是說(shuō)明性的，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍并不受這些實(shí)施例的限制。如圖1所示，本實(shí)用新型提供的微小型燃燒器包括氣體入口 1和2、尾氣出口 3、鈍體4、預(yù)熱通道5和6、以及燃燒室7。預(yù)熱通道5和6以及燃燒室7均為平板型。鈍體4安裝在燃燒室的入口處，鈍體截面為三角形或圓柱形，其表面可噴涂鉬 (Pt)等常見(jiàn)的催化劑。鈍體4的寬度Wb與燃燒室7的寬度W。之比為0. 3至0. 6之間，預(yù)熱通道5和6均為L(zhǎng)型，并分別布置在燃燒室7的上、下兩側(cè)，預(yù)熱通道5和6的出口均與燃燒室7的入口連通。燃料和空氣(采用非預(yù)混燃燒方式時(shí))、或者它們的預(yù)混合物(采用預(yù)混燃燒方式時(shí))分別從入口 1和2經(jīng)預(yù)熱通道5和6進(jìn)入平板型微燃燒室7的入口，二者在入口處進(jìn)行初步混合，然后在鈍體4后方進(jìn)一步進(jìn)行充分混合(采用非預(yù)混燃燒方式時(shí))，隨即點(diǎn)火燃燒，高溫尾氣由燃燒室的尾氣出口 3排出，可以用來(lái)為微型熱電裝置或者微型熱光伏系統(tǒng)提供熱源，也可作為微型推進(jìn)系統(tǒng)的高溫燃?xì)?，通過(guò)后續(xù)的噴管來(lái)產(chǎn)生推力。下面列舉一個(gè)實(shí)施例采用氫氣和空氣的預(yù)混燃燒方式，兩個(gè)預(yù)熱通道的寬度為 0.5mm，燃燒室寬度為1.0mm，長(zhǎng)度為10mm，鈍體截面形狀為邊長(zhǎng)0. 5mm的等邊三角形。固體材料采用耐高溫的石英玻璃，熱物性如下密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和法向發(fā)射率分別為 2650kg/m3、750J/(kgK)、1. 05W/ (m2K)和 0. 92。應(yīng)用通用的 CFD 計(jì)算軟件 Fluent，并采用氫氣與氧氣反應(yīng)的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理(包括19個(gè)可逆反應(yīng)和13種組元)，對(duì)預(yù)混氣當(dāng)量比在0. 4-1. 0范圍內(nèi)進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明本實(shí)用新型的吹熄極限是單層平板燃燒器的 2-4倍，如圖3所示。同時(shí)，燃燒效率也比單層平板燃燒器的要高，如圖4所示(當(dāng)量比為 0. 5)。這些證明了本實(shí)用新型的燃燒器具有高效穩(wěn)燃的優(yōu)點(diǎn)。 以上所述為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，但本實(shí)用新型不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開(kāi)的內(nèi)容。所以凡是不脫離本實(shí)用新型所公開(kāi)的精神下完成的等效或修改，都落入本實(shí)用新型保護(hù)的范圍。
權(quán)利要求1. 一種微小型燃燒器，其特征在于，該燃燒器包括鈍體(4)、第一、第二預(yù)熱通道(5、6) 以及燃燒室(7);第一、第二預(yù)熱通道(5、6)以及燃燒室(7)均為平板型；第一、第二預(yù)熱通道(5、6)分別設(shè)有氣體入口(1、2)，燃燒室(7)設(shè)有尾氣出口(3)；鈍體(4)安裝在燃燒室(7)的入口處，鈍體(4)的寬度Wb與燃燒室(7)的寬度W。之比為0. 3至0. 6之間；第一、第二預(yù)熱通道(5、6)均為L(zhǎng)型，并分別布置在燃燒室(7)的上、下兩側(cè)，且均與燃燒室(7)的入口連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微小型燃燒器，其特征在于，鈍體(4)的截面為三角形或圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的微小型燃燒器，其特征在于，鈍體(4)的表面噴涂有催化劑。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種微小型燃燒器，包括鈍體、預(yù)熱通道和燃燒室；預(yù)熱通道和燃燒室均為平板型；鈍體截面為三角形或圓形，安裝在燃燒室的入口處，鈍體寬度與燃燒室寬度之比為0.3～0.6；兩個(gè)預(yù)熱通道均為L(zhǎng)型，分別布置在燃燒室的上、下兩側(cè)，預(yù)熱通道的出口均與燃燒室的入口連通。本實(shí)用新型克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，既利用了對(duì)燃料和空氣(采用非預(yù)混燃燒方式時(shí))、或者它們的預(yù)混合物(采用預(yù)混燃燒方式時(shí))的預(yù)熱、催化，來(lái)降低點(diǎn)火所需能量、縮短著火延遲時(shí)間、減少排氣熱損失，也利用鈍體后形成的低速高溫的回流區(qū)來(lái)充分混合燃料和空氣、延長(zhǎng)燃?xì)馔Ａ魰r(shí)間、穩(wěn)定火焰。因此，該發(fā)明能夠有效擴(kuò)大穩(wěn)燃極限，提高燃燒效率，廣泛適用于各種微小型動(dòng)力系統(tǒng)。
文檔編號(hào)F23D14/26GK202056882SQ20112006129
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者劉偉, 劉思遠(yuǎn), 張若昀, 楊金國(guó), 范愛(ài)武 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)