本發(fā)明屬于燃燒裝置領(lǐng)域，更具體地，涉及一種預(yù)混燃燒漸擴(kuò)燃燒器。

背景技術(shù)：

燃燒器內(nèi)的火焰穩(wěn)定性一直是燃燒領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)，特別是當(dāng)燃燒器尺度較小時(shí)，急劇增大的散熱損失和反應(yīng)基團(tuán)失活效應(yīng)使得火焰穩(wěn)定性下降很多，可燃范圍也較小。目前研究者們主要是采用旋流、鈍體和凹腔穩(wěn)燃技術(shù)來提升火焰穩(wěn)定性，改善燃燒效果。其中，旋流燃燒技術(shù)只適用于大雷諾數(shù)下的強(qiáng)湍流火焰，而鈍體和凹腔穩(wěn)燃技術(shù)又易發(fā)生回火等危險(xiǎn)燃燒現(xiàn)象。故迫切需要開發(fā)出具有較強(qiáng)防回火性能和較好穩(wěn)燃性的燃燒器，且能適用于層流和湍流火焰，從而可寬范圍調(diào)節(jié)熱源功率。特別是近年來微機(jī)電裝置或系統(tǒng)快速發(fā)展，不斷涌現(xiàn)出小型機(jī)器人、小型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、小型推進(jìn)系統(tǒng)和便攜式電子設(shè)備等小型裝置，這就需要高能量密度的動(dòng)力源，而碳?xì)浠衔锶剂媳葌鹘y(tǒng)電池的能量密度高出幾十倍。例如，典型的液態(tài)碳?xì)浠衔锶剂系哪芰棵芏雀哌_(dá)45mj/kg，而目前最好的化學(xué)電池zinc/air電池的能量密度僅約為1.65mj/kg。因此，基于燃燒的小型動(dòng)力裝置有取代傳統(tǒng)電池的巨大潛力。而燃燒器是小型動(dòng)力裝置或系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，設(shè)計(jì)開發(fā)出安全穩(wěn)定高效的燃燒器對(duì)于小型動(dòng)力裝置的技術(shù)開發(fā)具有重要意義。

燃燒方式按燃料和氧化劑在進(jìn)入燃燒室之前是否預(yù)先混合可分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃燒。由于預(yù)混燃燒的火焰易于穩(wěn)定，燃燒較為充分，故此燃燒方式得到了廣泛采用，本燃燒器即采用預(yù)混燃燒方式。而預(yù)混火焰有發(fā)生回火的危險(xiǎn)，而安全性又是燃燒器應(yīng)用的首要原則，這就需要預(yù)混燃燒器具有較好的防回火性能。即需要在提高火焰穩(wěn)定性的同時(shí)又能有效防止火焰回火。

為提高火焰穩(wěn)定性，眾多學(xué)者采用了鈍體和凹腔穩(wěn)燃方法，此方法在一定工況下可以起到較好的穩(wěn)燃效果，但此方法在低流量時(shí)易發(fā)生回火。也有不少學(xué)者采用漸擴(kuò)結(jié)構(gòu)來提升火焰穩(wěn)定性，但穩(wěn)燃效果有限，且易出現(xiàn)傾斜等不對(duì)稱火焰形態(tài)，從而使得壁溫分布均勻性差。另外，很多研究學(xué)者也采用熱循環(huán)方法，如ronney和maruta等人采用所謂的“瑞士卷”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)是通過提高未燃混合氣溫度來拓寬火焰可燃范圍，然而這種結(jié)構(gòu)也易發(fā)生回火，且存在結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜和加工難度較大等缺點(diǎn)。此外，一些研究人員采用催化燃燒的方法來提高火焰的穩(wěn)定性，而此方法存在制作復(fù)雜和催化表面使用一段時(shí)間后失效等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種預(yù)混燃燒漸擴(kuò)燃燒器，柱狀穩(wěn)燃桿大大減小了圓管入口段的流道間距，并與多孔蜂窩筒一道可有效預(yù)防火焰回火現(xiàn)象，在穩(wěn)燃器的下游會(huì)形成流體回流，有利于火焰穩(wěn)定。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種防回火的預(yù)混燃燒漸擴(kuò)燃燒器，其特征在于，包括漸擴(kuò)外管、多孔蜂窩筒和柱狀穩(wěn)燃桿，其中，

所述漸擴(kuò)外管的兩端均敞口，其包括從左到右依次連接的圓管入口段、圓管漸擴(kuò)段和圓管出口段，所述圓管入口段的內(nèi)徑和外徑分別小于所述圓管出口段的內(nèi)徑和外徑，并且所述圓管漸擴(kuò)段的最小內(nèi)徑和最大內(nèi)徑分別與所述圓管入口段的內(nèi)徑和所述圓管出口段的內(nèi)徑相等；

所述圓管入口段的內(nèi)壁套裝所述多孔蜂窩筒，并且所述多孔蜂窩孔上的蜂窩通孔的軸向與所述圓管入口段的軸向一致；

所述柱狀穩(wěn)燃桿穿裝在所述多孔蜂窩筒上，并且其右端與所述圓管漸擴(kuò)段的右端齊平。

優(yōu)選地，所述圓管漸擴(kuò)段的錐角為10～90°。

優(yōu)選地，所述圓管入口段、圓管漸擴(kuò)段和圓管出口段一體成型。

優(yōu)選地，所述柱狀穩(wěn)燃桿為實(shí)心棒。

優(yōu)選地，所述柱狀穩(wěn)燃桿的左端與所述圓管入口段的左端齊平。

優(yōu)選地，所述柱狀穩(wěn)燃桿的右端設(shè)置為實(shí)心漸擴(kuò)部，以用于增大流體回流區(qū)域。

優(yōu)選地，所述柱狀穩(wěn)燃桿位于所述多孔蜂窩筒右側(cè)的部分涂有催化劑，所述催化劑為鉑、鎳或銠。

優(yōu)選地，所述漸擴(kuò)外管的內(nèi)壁面上涂有催化劑，所述催化劑為鉑、鎳或銠。

優(yōu)選地，所述蜂窩通孔的孔徑小于相應(yīng)燃料火焰的淬熄直徑。

優(yōu)選地，所述漸擴(kuò)外管、多孔蜂窩筒和柱狀穩(wěn)燃桿同軸設(shè)置。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)柱狀穩(wěn)燃桿能進(jìn)一步加強(qiáng)火焰-壁面耦合作用，且在穩(wěn)燃器的下游會(huì)形成流體回流，這些效應(yīng)有利于火焰穩(wěn)定，而且柱狀穩(wěn)燃桿大大減小了圓管入口段流體通道的特征長度，使得流道間距較小，從而使得圓管入口段內(nèi)的流速較大，這能有效預(yù)防火焰回火現(xiàn)象。

(2)多孔蜂窩筒的孔徑小于相應(yīng)火焰的淬熄直徑，這使得火焰即使回到了圓管入口段也將熄滅。

(3)由于流體進(jìn)入圓管漸擴(kuò)段后會(huì)明顯減速，這會(huì)減小外部設(shè)備的擾動(dòng)對(duì)燃燒室內(nèi)火焰的影響，從而能更好地控制燃燒室內(nèi)火焰位置和形態(tài)。

(4)本發(fā)明能夠有效提高火焰穩(wěn)定性，易于控制火焰位置，可為熱電和熱光伏發(fā)電等系統(tǒng)提供熱源，也可為推進(jìn)系統(tǒng)提供高溫燃?xì)狻?/p>

附圖說明

圖1是本發(fā)明的剖面示意圖；

圖2a和圖2b分別是本發(fā)明的燃燒器和常規(guī)漸擴(kuò)外管燃燒器的火焰形態(tài)圖譜對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照?qǐng)D1、圖2a和圖2b，一種防回火的預(yù)混燃燒漸擴(kuò)燃燒器，包括漸擴(kuò)外管3、多孔蜂窩筒1和柱狀穩(wěn)燃桿2，其中，

所述漸擴(kuò)外管3的兩端均敞口，其具有入口9和出口4，其包括從左到右依次連接的圓管入口段5、圓管漸擴(kuò)段6和圓管出口段7，所述圓管入口段5的內(nèi)徑和外徑分別小于所述圓管出口段7的內(nèi)徑和外徑，并且所述圓管漸擴(kuò)段6的最小內(nèi)徑和最大內(nèi)徑分別與所述圓管入口段5的內(nèi)徑和所述圓管出口段7的內(nèi)徑相等；優(yōu)選地，所述圓管漸擴(kuò)段6的錐角為10～90°，所述圓管入口段5、圓管漸擴(kuò)段6和圓管出口段7一體成型。通過改變圓管漸擴(kuò)段6的錐角，或者/和通過改變柱狀穩(wěn)燃桿22的結(jié)構(gòu)和尺寸，能夠進(jìn)一步提高火焰穩(wěn)燃效果；

所述圓管入口段5的內(nèi)壁套裝所述多孔蜂窩筒1，并且所述多孔蜂窩孔上的蜂窩通孔的軸向與所述圓管入口段5的軸向一致；

所述柱狀穩(wěn)燃桿2穿裝在所述多孔蜂窩筒1上，并且其右端與所述圓管漸擴(kuò)段6的右端齊平。

進(jìn)一步，所述漸擴(kuò)外管、多孔蜂窩筒和柱狀穩(wěn)燃桿同軸設(shè)置。

進(jìn)一步，所述柱狀穩(wěn)燃桿2為實(shí)心棒，所述柱狀穩(wěn)燃桿2的左端與所述圓管入口段5的左端齊平，所述柱狀穩(wěn)燃桿2的右端設(shè)置為實(shí)心漸擴(kuò)部，以用于增大流體回流區(qū)域。

進(jìn)一步，所述柱狀穩(wěn)燃桿2位于所述多孔蜂窩筒1右側(cè)的部分涂有催化劑，所述催化劑為鉑、鎳或銠。

進(jìn)一步，所述漸擴(kuò)外管3的內(nèi)壁面上涂有催化劑，所述催化劑為鉑、鎳或銠。

進(jìn)一步，所述蜂窩通孔的孔徑小于相應(yīng)燃料火焰的淬熄直徑。

本發(fā)明圓管入口段5內(nèi)的多孔蜂窩筒1用于固定中心柱狀穩(wěn)燃桿2的同時(shí)還能防止回火；為盡量強(qiáng)化柱狀穩(wěn)燃桿2的火焰-壁面耦合作用和端面后的流體回流區(qū)最大化，柱狀穩(wěn)燃桿2的下游(相對(duì)流動(dòng)方向)端面與圓管漸擴(kuò)段6末端面(圓管漸擴(kuò)段6與圓管出口段7的交界面)在同一平面。通過改變圓管漸擴(kuò)段6的傾斜角，或者/和通過改變柱狀穩(wěn)燃桿2的幾何結(jié)構(gòu)和尺寸，能夠在防止火焰回火的同時(shí)進(jìn)一步提高火焰可燃和穩(wěn)燃范圍。

本發(fā)明提供的燃燒器可用耐高溫的材料加工而成，由中心的柱狀穩(wěn)燃桿2和外圍的漸擴(kuò)外管3組成，這兩者通過支架和多孔蜂窩筒1連接在一起，保證柱狀穩(wěn)燃桿2處于正中央位置，且柱狀穩(wěn)燃桿2的下游端面與圓管漸擴(kuò)段6末端面處于同一平面。燃燒室8包括圓管漸擴(kuò)段6與圓管出口段7，火焰在低速時(shí)會(huì)停留在圓管漸擴(kuò)段6；速度較大時(shí)火焰會(huì)部分進(jìn)入圓管出口段7；當(dāng)速度很大時(shí)，火焰將全部進(jìn)入圓管出口段7。耐高溫材料可以選擇如石英(主要成分為sio2)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)等耐高溫的陶瓷材料。

圓管漸擴(kuò)段6和圓管出口段7組成了燃燒室8。燃料預(yù)混氣通過圓管入口段5進(jìn)入到燃燒室8，隨即點(diǎn)火燃燒，高溫?zé)煔庥扇紵?出口排出，可以用來為熱電裝置或者熱光伏系統(tǒng)提供熱源，也可作為推進(jìn)系統(tǒng)的高溫燃?xì)?，通過后續(xù)的噴管來產(chǎn)生推力。

下面結(jié)合具體的燃料和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來說明。

采用甲烷氣體為燃料，空氣為氧化劑，漸擴(kuò)外管3的壁厚為1mm；燃料通道的圓管入口段5的內(nèi)徑和長度分別為4mm和20mm；柱狀穩(wěn)燃桿2的直徑為2mm；圓管出口段7的內(nèi)徑和長度分別為12mm和100mm；圓管漸擴(kuò)段6長度為30mm。柱狀穩(wěn)燃桿2和漸擴(kuò)外管3采用耐高溫的石英材料，石英材料常溫下的密度、熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和法向發(fā)射率分別為2650kg/m³、750j/(kg·k)、1.05w/(m²·k)和0.92。

對(duì)不同工況下的燃燒進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果參照?qǐng)D2a和圖2b。圖2a和圖2b分別給出了由實(shí)驗(yàn)得到的本發(fā)明與常規(guī)的漸擴(kuò)外管3燃燒器在當(dāng)量比為1時(shí)不同進(jìn)氣速度下的火焰形態(tài)圖譜。從圖2a和圖2b可知，常規(guī)漸擴(kuò)外管3燃燒器內(nèi)火焰穩(wěn)定時(shí)均為傾斜狀，在進(jìn)氣速度較小(約2m/s)時(shí)就出現(xiàn)了傾斜震蕩火焰，且在進(jìn)氣速度較大時(shí)出現(xiàn)了x型震蕩火焰，而本發(fā)明內(nèi)的火焰形態(tài)一直為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在較大進(jìn)氣速度時(shí)(約4.25m/s)才出現(xiàn)震蕩火焰，且其震蕩火焰也表現(xiàn)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。