[发明专利]一种分级混合的微小型扩散燃烧器

说明书

技术领域

本发明属于气体扩散燃烧的技术领域，具体为一种分级混合的微小型扩散燃烧器，尤其适合于为微小型动力装置提供热源或高温气源。

背景技术

随着MEMS技术的快速发展，不断涌现出了许多微小型装置和系统，如微型卫星、微型机器人、微型推进系统以及手机等便携式电子设备。目前，为这些设备提供动力的主要是化学电池，然而电池的能量密度低，体积和重量也较大；而烃类燃料相对于化学电池来说有高出几十倍的能量密度优势。如典型液体碳氢化合物燃料的能量密度约为45MJ/kg，而最好的锂电池的能量密度约为1.2MJ/kg。因此，开发基于燃烧的微小动力装置具有巨大的潜力。研究者们已经成功制造出了微燃气透平、微转子发动机、微推进系统、微热光伏发电系统和微热电系统，等等。其中，燃烧器是微小型动力系统的关键部件。

根据燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是否混合，燃烧可分为预混燃烧和扩散燃烧。由于微小型燃烧器主要是应用于为各种便携式设备提供动力的微小型动力系统中，因此，安全性是一个应当首先考虑的重要问题。为了防止发生回火危险，可以采取燃料和氧化剂非预混的扩散燃烧方式。但是由此会带来一个问题，即燃料和氧化剂如何在非常短的时间内充分混合，否则会导致火焰不稳定、反应不充分、燃烧效率低等问题。例如，Ju等人以及Miesse等人在扩散燃烧的微小型燃烧室内发现了所谓的“火焰街”，即多个小火焰沿着燃烧室入口到出口分散分布的现象，他们认为这是由于燃料和氧化剂混合不充分而引起的。除了混合问题外，对于采用扩散燃烧的微小型燃烧器，同样还需要考虑所有微小型燃烧器所面临的共性问题，即由于燃烧室表面积与体积的比值相对于常规尺度来说增大了2至3个数量级，使得通过壁面的散热损失比例大大增加，同时壁面对化学反应自由基的捕获几率大大增加，因此，也会导致火焰稳定性变差，容易发生熄火。

针对微小型燃烧器中燃料和氧化剂之间的混合问题，研究者们分别提出了主动式和被动式的强化混合方案。其中，主动式强化混合方案需要设置额外的致动器，使得系统变得复杂而较少得到采用。被动式强化混合方案只需依靠结构上的优化设计来解决这一问题，因而使用较广。例如，美国马里兰大学的研究小组设计了一种结构：其中氧化剂流道水平布置，燃料流道与之垂直。当氧化剂沿着水平方向以较快的速度进入燃烧室时，会对燃料产生一个较强烈的引射作用，以此来加强两种不同气体之间的混合。然而，利用该方法会带来两个问题：一是要求两股流体之间存在较大的速度差，否则难以获得好的混合效果；二是在垂直引射方式下难以获得对称的流场。范爱武等人开发了一种微小型扩散燃烧器(带多孔介质的Y型扩散燃烧器)，其火焰稳定性有所提高，但是燃料和氧化剂的混合效果并不理想(参见图3)，而且增大了流动阻力。

另外一方面，为了提高微小型燃烧器中的火焰稳定性，大多数研究者均采用热循环的方法。如Ronney、Maruta和钟北京等人采用所谓的“瑞士卷(Swiss-Roll)”结构。然而，这种燃烧器主要用于预混燃烧，而且其结构比较复杂。此外，新加坡的研究小组则开发了带台阶的突扩型微小型燃烧器来稳定火焰，但是台阶的存在降低了燃烧器的紧凑性。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种混合效果好、稳燃范围宽、燃烧效率高的分级混合微小型扩散燃烧器。

本发明提供的一种微小型扩散燃烧器，其特征在于，它包括设置在基体上的第一氧化剂通道、第二氧化剂通道、燃料通道、分流块和燃烧室；第一氧化剂通道和第二氧化剂通道对称地分布在燃料通道的两侧，燃料通道的两个出口处于第一氧化剂通道和第二氧化剂通道内，三者呈三叉型结构分布；第一氧化剂通道和第二氧化剂通道在燃烧室的入口连通，分流块位于燃烧室的入口处。通过改变燃料通道和氧化剂通道之间的夹角，或者/和通过改变分流块的顶角，能够进一步提高燃料与氧化剂之间的混合效果以及稳燃效果。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

(1)两个氧化剂通道对称地分布在燃料通道的两侧，呈三叉型结构，能够保证流场与火焰的对称性和稳定性。

(2)燃料和氧化剂的速度可以分别通过各自的流量计加以控制，保证获得想要的空燃比混合物。

(3)充分利用了氧化剂气流对燃料气流的引射、两股初步混合气流之间的碰撞、以及分子扩散等多种混合机理。

(4)与单氧化剂流道相比，在相同的总氧化剂流量下，本发明可以降低单个氧化剂通道内的速度，从而有更充分的混合时间。

(5)各通道之间的夹角以及分流块的顶角可以进行优化设计，从而获得更好的混合效果。

(6)分流块后的低速区能够起到较好的稳燃作用。