[发明专利]一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器

说明书

本发明属于气体扩散燃烧技术领域，并具体公开了一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，包括设置在基板上的燃烧器本体及上盖板，燃烧器本体包括第一燃烧室、第二燃烧室、第一排气通道、第二排气通道、燃料通道和氧化剂通道，第一燃烧室和第二燃烧室入口对称分布在燃烧器中心上下两侧，出口分别与第一排气通道和第二排气通道相连，燃料通道和氧化剂通道出口对称分布在燃烧器中心左右两侧，并在燃烧器中心处连通，燃料通道、第一排气通道、氧化剂通道和第二排气通道均为螺旋形，且间隔布置。本发明具有混合效果好、稳燃范围宽、燃烧效率高、能量利用率高等优点，可适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。

技术领域

本发明属于气体扩散燃烧技术领域，具体为一种适用于非预混燃烧的微小型瑞士卷燃烧器，尤其适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。

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、微型推进系统等微小型电子设备。目前，这些设备的能量来源主要是化学电池，然而化学电池的能量密度比较低，体积和重量也较大。碳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非常巨大的应用前景。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、微热光伏系统和微热电系统等，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非预混燃烧。预混燃烧由于燃料和氧化剂在进入燃烧器之前已经进行了充分混合，完全燃烧需要的时间一般来说是足够的，影响其火焰稳定性的主要因素是散热损失。为此，研究者们提出了热循环结构(例如，瑞士卷燃烧器)、催化燃烧、钝体和凹腔稳燃器等各种不同的稳燃技术，取得了较好的效果。

由于微小型燃烧器主要应用于各种便携式设备中，因此保证安全是首要问题。为了防止发生回火危险，应该优先采取燃料和氧化剂非预混的燃烧方式。但是由此会带来一个新的问题，即燃料和氧化剂混合不均导致反应不充分、燃烧效率低、以及火焰不稳定。现有的非预混燃烧器结构设计一般采用简单的平行进气通道或者Y形进气通道，例如，Ju等(Xu B,Ju Y.Studies on non-premixed flame streets in a mesoscalechannel.Proceedings of the Combustion Institute,2009,32(1):1375-1382)以及Miesse等(Miesse C,Masel R I,Short M,et al.Diffusion flame instabilities in a0.75mm non-premixed microburner.Proceedings of the Combustion Institute,2005,30(2):2499-2507)分别采用了这两种方法，他们在实验中均发现了所谓的“火焰街”，即多个小火焰沿着燃烧室入口到出口离散分布的现象，显然，这是由于燃料和氧化剂混合不充分而引起的；除此之外，微小型扩散燃烧器跟预混燃烧一样，面临散热损失比例大的问题。以上几个方面的原因使得微尺度下的非预混燃烧实现起来具有很大的难度，一直没有太多的应用实例。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种微小型瑞士卷燃烧器，其将瑞士卷结构应用于非预混燃烧器设计中，通过对各通道及燃烧室的具体布置方式及结构的研究与设计，以提供一种混合效果好、稳燃范围宽、燃烧效率高、能量利用率高的非预混瑞士卷燃烧器，具有结构简单、适用性强等优点，可适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。