專利名稱：一種微小型擴散燃燒器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于兩相氣體擴散燃燒的技術領域，特指為微小型動力裝置提供熱源或高 溫氣源的燃燒器。
背景技術：
隨著人類社會的進步，人們對各種民用和軍用的微小型便攜式設備的需求日益增 多。微加工技術的快速發(fā)展，使這些微電子機械系統(tǒng)和設備的制造成為可能，相繼出現(xiàn)了微 型衛(wèi)星、微型機器人以及手機等便攜式電子設備。目前，這些設備大都由傳統(tǒng)的化學電池驅 動，然而電池存在能量密度小、體積和重量大、充電時間長等缺點，而烴類燃料的能量密度 比電池高出50-100倍。因此，基于燃燒的微小型動力系統(tǒng)有望在未來取代目前廣泛使用的 化學電池。研究者們已經(jīng)成功制造出了微燃氣透平、微轉子發(fā)動機、微推進系統(tǒng)、微熱光伏 發(fā)電系統(tǒng)和微熱電系統(tǒng)，等等。其中，燃燒器是微小型動力系統(tǒng)的關鍵部件。根據(jù)燃料和空氣在進入燃燒室之前的混合狀態(tài)，燃燒可分為預混燃燒和擴散燃 燒。由于微小型燃燒器是應用于為各種便攜式設備提供動力的微小型動力系統(tǒng)中，因此，安 全性是一個應當首先考慮的重要問題。為了防止燃燒室發(fā)生回火的危險，可以采取燃料和 空氣非預混的擴散燃燒方式。但是由此會帶來一個問題，那就是燃料和空氣如何在非常短 的時間內(nèi)充分混合，否則會導致火焰不穩(wěn)定、反應不充分、燃燒效率低下。例如，Ju等人以及 Miesse等人在擴散燃燒的微小型燃燒室內(nèi)發(fā)現(xiàn)了所謂的“火焰街”，即多個小火焰沿著燃燒 室入口到出口分散分布的現(xiàn)象，他們認為這是由于燃料和空氣混合不充分而引起的。除了 混合問題外，對于采用擴散燃燒的微小型燃燒器，同樣還需要考慮所有微小型燃燒器所面 臨的共性問題，即由于壁面熱損失太大而導致火焰穩(wěn)定性變差的問題。針對微小型燃燒器中燃料和空氣之間的混合問題，研究者們分別提出了主動式和 被動式的強化混合方案。其中，主動式強化混合方案需要設置額外的致動器，使得系統(tǒng)變得 復雜而很少得到采用。被動式強化混合方案只需依靠結構上的優(yōu)化設計來解決這一問題， 因而使用較廣。例如，美國馬里蘭大學的研究小組設計了一種結構其中空氣流道水平布 置，燃料流道與之垂直。當空氣沿著水平方向以較快的速度進入燃燒室時，會對燃料產(chǎn)生一 個較強烈的引射作用，以此來加強兩種不同氣體之間的混合。然而，利用引射作用來混合 會帶來兩個問題一是要求兩股流體之間存在較大的速度差，否則難以獲得好的混合效果； 二是在引射方式下難以定量控制空燃比。另外一方面，為了提高微小型燃燒器中的火焰穩(wěn)定性，大多數(shù)研究者均采用熱循 環(huán)的方法。如Rormey、Maruta和鐘北京等人采用所謂的“瑞士卷(Swiss-Roll) ”結構。然 而，這種燃燒器結構過于復雜，導致加工困難和高的制作成本。此外，新加坡的研究小組則開 發(fā)了帶臺階的突擴型微小型燃燒器來穩(wěn)定火焰，但是臺階的存在降低了燃燒器的緊湊性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提供一種混合效果好、穩(wěn)燃范圍寬和燃燒效率高的微小型擴散燃燒器。本發(fā)明提供的微小型擴散燃燒器，其特征在于，在耐高溫的基體上加工有燃料通 道、空氣通道和燃燒室，燃料通道和空氣通道的出口端與燃燒室的入口連通，燃料通道、空 氣通道和燃燒室呈Y型布置，在燃燒室的入口處放置有多孔介質。本發(fā)明的優(yōu)點在于燃料通道和空氣通道對稱地分布在燃燒室的兩側，三者呈Y 型結構。此外，在燃燒室入口端安裝有高孔隙率、耐高溫的多孔介質。這種結構具有如下 優(yōu)點(1)燃料和空氣的速度可以分別加以控制，保證獲得想要的空燃比的混合物。(2)燃 料通道和空氣通道之間的夾角可以進行優(yōu)化設計，保證兩種流體通過適度的碰撞來初步混 合。(3)多孔介質能起到多重作用。它既能抑制兩股流體碰撞時產(chǎn)生的脈動，保證燃料和空 氣在此進一步充分混合，同時又能起到對氣體預熱的作用。此外，其本身還可以是多孔型催 化劑。由此可見，本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術的不足，既能實現(xiàn)燃料和空氣之間的充分混合，又 可以利用多孔介質的加熱作用來預熱氣體，以及催化型多孔介質來降低點火所需能量、縮 短著火延遲時間、提高燃燒效率。因此，本發(fā)明能夠有效提高微小型擴散燃燒器中的火焰穩(wěn) 定性和燃燒效率，廣泛適用于各種微型動力系統(tǒng)。


圖1是本發(fā)明結構示意圖其中1.燃料通道，2.空氣通道，3.燃燒室，4.多孔介質圖2是本發(fā)明實施例的多孔介質(燒結金屬鎳)的200倍和3000倍的掃描電鏡圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例更加詳細地說明本發(fā)明，但以下實施例僅是說明性的，本 發(fā)明的保護范圍并不受這些實施例的限制。如圖1所示本發(fā)明的基本結構是在耐高溫的基體上加工有燃料通道1，空氣通 道2和燃燒室3。燃料通道1和空氣通道2的出口端與燃燒室3的入口連通。燃料通道1， 空氣通道2和燃燒室3呈Y型布置，這樣有利于兩種氣體進行初步混合。在燃燒室3的入 口處放置有多孔介質4，多孔介質本身可以是催化劑(如由微纖型的燒結鎳(Ni)包結在鉬 /氧化鋁(PVAl2O3)細粒子外面所形成的復合材料催化劑)，也可以不是催化劑。多孔介質 能起到對氣體預熱的作用。燃料和空氣分別從各自的進氣口進入微燃燒室，在入口進行初步混合，然后在多 孔介質內(nèi)進一步充分混合以及對流體脈動進行抑制，隨即點火燃燒，高溫煙氣由燃燒室出 口排出，可以用來為微型熱電裝置或者熱光伏系統(tǒng)提供熱源，也可作為微型推進系統(tǒng)的高 溫燃氣，通過后續(xù)的噴管來產(chǎn)生推力。為了更進一步提高燃料與空氣之間的混合效果，燃料通道和空氣通道之間的夾角 最好為30 60°。實例采用甲烷氣體為燃料。兩個進氣通道的寬度為2mm，高度為2mm，夾角為45度，燃 燒室寬度為4mm，長度為30mm，高度為2mm。基體材料采用耐高溫的碳化硅陶瓷，其密度、導熱系數(shù)和法向發(fā)射率分別為3100kg/m3，92W/(m2K)和0. 77。多孔介質采用鎳粉在700°C下 燒結而成，其放大200倍和3000倍的掃描電鏡圖如圖2所示。應用通用的CFD計算軟件 Fluent，對不同空燃比工況下的混合和燃燒進行了數(shù)值模擬，結果表明本發(fā)明對于燃料和 空氣的混合效果好，火焰穩(wěn)定范圍寬，燃燒效率高。 以上所述為本發(fā)明的較佳實施例而已，但本發(fā)明不應該局限于該實施例和附圖所 公開的內(nèi)容。所以凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保 護的范圍。
權利要求
1.一種微小型擴散燃燒器，其特征在于，在基體上加工有燃料通道(1)，空氣通道(2) 和燃燒室(3)，燃料通道(1)和空氣通道(2)的出口端與燃燒室(3)的入口連通，燃料通道 (1)、空氣通道(2)和燃燒室(3)呈Y型布置，在燃燒室(3)的入口處放置有多孔介質(4)。
2.根據(jù)權利要求1所述的微小型燃燒器，其特征在于，燃料通道(1)和空氣通道(2)之 間的夾角為30 60°。
3.根據(jù)權利要求1所述的微小型燃燒器，其特征在于，多孔介質為催化劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小型擴散燃燒器，結構為在基體上加工有燃料通道、空氣通道和燃燒室，燃料通道和空氣通道的出口端與燃燒室的入口連通，燃料通道、空氣通道和燃燒室呈Y型布置，在燃燒室的入口處放置有多孔介質。燃料和空氣從呈Y型的兩個進氣流道進入燃燒室，經(jīng)過初步混合后，在燃燒室內(nèi)填充多孔介質的部分充分混合并被點燃，燃燒產(chǎn)物通過燃燒室出口排出。本發(fā)明既利用了進氣流道的Y型設計對燃料和空氣的初步混合，也利用多孔介質來進一步充分混合燃料和空氣。多孔介質也能起到預熱和催化作用。本發(fā)明能夠有效實現(xiàn)燃料和空氣的充分混合、并且易于點火、燃燒效率高，能廣泛適用于各種微型動力系統(tǒng)。
文檔編號F23D14/02GK102135272SQ20111005717
公開日2011年7月27日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權日2011年3月9日
發(fā)明者劉偉, 劉思遠, 張若昀, 楊金國, 范愛武 申請人:華中科技大學