專利名稱：一種微小型擴(kuò)散燃燒器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于兩相氣體擴(kuò)散燃燒的技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
隨著人類社會的進(jìn)步，人們對各種民用和軍用的微小型便攜式設(shè)備的需求日益增 多。微加工技術(shù)的快速發(fā)展，使這些微電子機(jī)械系統(tǒng)和設(shè)備的制造成為可能，相繼出現(xiàn)了微 型衛(wèi)星、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)備大都由傳統(tǒng)的化學(xué)電池驅(qū) 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(xué)電池。研究者們已經(jīng)成功制造出了微燃?xì)馔钙?、微轉(zhuǎn)子發(fā)動機(jī)、微推進(jìn)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(guān)鍵部件。根據(jù)燃料和空氣在進(jìn)入燃燒室之前的混合狀態(tài)，燃燒可分為預(yù)混燃燒和擴(kuò)散燃 燒。由于微小型燃燒器是應(yīng)用于為各種便攜式設(shè)備提供動力的微小型動力系統(tǒng)中，因此，安 全性是一個應(yīng)當(dāng)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(yù)混的擴(kuò)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(dǎo)致火焰不穩(wěn)定、反應(yīng)不充分、燃燒效率低下。例如，Ju等人以及 Miesse等人在擴(kuò)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(rèn)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(kuò)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(dǎo)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(qiáng)化混合方案。其中，主動式強(qiáng)化混合方案需要設(shè)置額外的致動器，使得系統(tǒng)變得 復(fù)雜而很少得到采用。被動式強(qiáng)化混合方案只需依靠結(jié)構(gòu)上的優(yōu)化設(shè)計來解決這一問題， 因而使用較廣。例如，美國馬里蘭大學(xué)的研究小組設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)其中空氣流道水平布 置，燃料流道與之垂直。當(dāng)空氣沿著水平方向以較快的速度進(jìn)入燃燒室時，會對燃料產(chǎn)生一 個較強(qiáng)烈的引射作用，以此來加強(qiáng)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(jié)構(gòu)。然 而，這種燃燒器結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，導(dǎo)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(kuò)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(kuò)散燃燒器。本發(fā)明提供的微小型擴(kuò)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(zhì)。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(cè)，三者呈Y 型結(jié)構(gòu)。此外，在燃燒室入口端安裝有高孔隙率、耐高溫的多孔介質(zhì)。這種結(jié)構(gòu)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(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，保證兩種流體通過適度的碰撞來初步混 合。(3)多孔介質(zhì)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(jìn)一步充分混合，同時又能起到對氣體預(yù)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(shù)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(zhì)的加熱作用來預(yù)熱氣體，以及催化型多孔介質(zhì)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(kuò)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(jié)構(gòu)示意圖其中1.燃料通道，2.空氣通道，3.燃燒室，4.多孔介質(zhì)圖2是本發(fā)明實施例的多孔介質(zhì)(燒結(jié)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(jié)合附圖和實施例更加詳細(xì)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(hù)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(jié)構(gòu)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(jìn)行初步混合。在燃燒室3的入 口處放置有多孔介質(zhì)4，多孔介質(zhì)本身可以是催化劑(如由微纖型的燒結(jié)鎳(Ni)包結(jié)在鉬 /氧化鋁(PVAl2O3)細(xì)粒子外面所形成的復(fù)合材料催化劑)，也可以不是催化劑。多孔介質(zhì) 能起到對氣體預(yù)熱的作用。燃料和空氣分別從各自的進(jìn)氣口進(jìn)入微燃燒室，在入口進(jìn)行初步混合，然后在多 孔介質(zhì)內(nèi)進(jìn)一步充分混合以及對流體脈動進(jìn)行抑制，隨即點火燃燒，高溫?zé)煔庥扇紵页?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(jìn)系統(tǒng)的高 溫燃?xì)?，通過后續(xù)的噴管來產(chǎn)生推力。為了更進(jìn)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(jìn)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?；w材料采用耐高溫的碳化硅陶瓷，其密度、導(dǎo)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(zhì)采用鎳粉在700°C下 燒結(jié)而成，其放大200倍和3000倍的掃描電鏡圖如圖2所示。應(yīng)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(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)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(yīng)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(hù)的范圍。
權(quán)利要求
1.一種微小型擴(kuò)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(zhì)(4)。
2.根據(jù)權(quán)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(quán)利要求1所述的微小型燃燒器，其特征在于，多孔介質(zhì)為催化劑。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微小型擴(kuò)散燃燒器，結(jié)構(gòu)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(zhì)。燃料和空氣從呈Y型的兩個進(jìn)氣流道進(jìn)入燃燒室，經(jīng)過初步混合后，在燃燒室內(nèi)填充多孔介質(zhì)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(jìn)氣流道的Y型設(shè)計對燃料和空氣的初步混合，也利用多孔介質(zhì)來進(jìn)一步充分混合燃料和空氣。多孔介質(zhì)也能起到預(yù)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(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者劉偉, 劉思遠(yuǎn), 張若昀, 楊金國, 范愛武 申請人:華中科技大學(xué)