[发明专利]一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器

说明书

本发明属于微小尺度燃烧技术领域，并具体公开了一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器。包括内部为中空结构的圆柱形外壳以及依次布置于该中空结构中的燃料进气口、空气进气口、混合室、燃烧室和出气口，所述燃料进气口设于所述空气进气口的内部，且通过圆柱形套筒隔开，所述燃料进气口靠近混合室的一侧设有燃料挡板，所述燃料进气口与该燃料挡板之间设有可供燃气通过的间隙；所述混合室和燃烧室之间设有隔板，所述隔板的径向截面与所述中空结构的径向截面相同，且所述隔板上设置有第一通孔和多个第二通孔。本发明的微小型非预混燃烧器具有火焰稳定性高、稳燃范围宽、火焰位置固定、壁温分布一致性高等特点。

技术领域

本发明属于微小尺度燃烧技术领域，更具体地，涉及一种适用于热发电的微小型非预混燃烧器。

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低，体积和重量大。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，而目前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型发电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热光伏系统和微热电系统等，其中燃烧器是微小型发电系统的关键部件。

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燃烧、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。而对于非预混燃烧，不仅需要考虑散热损失问题，还要考虑燃料和氧化物的混合问题。

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。例如，火焰街就是一个在非预混燃烧时出现的具有代表性的不稳定现象(Xu B,Ju Y.Studieson non-premixed flame streets in a mesoscale channel.Proceedings of theCombustion Institute,2009,32(1):1375-1382)。对于当今的热光伏系统，为了充分利用燃烧释放的热量，往往将燃烧室设计为圆柱形，例如，Park等(Park J H,Lee S I,Wu H,etal.Thermophotovoltaic power conversion from a heat-recirculating micro-emitter[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(17-18):4878-4885)和Lee等(Lee K H,Kwon O C.Studies on a heat-recirculatingmicroemitter for a micro thermophotovoltaic system[J].Combustion and Flame,2008,153(1-2):161-172)均采用圆柱形的燃烧室作为热光伏发电装置的热源。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体表面的热辐射力和绝对温度呈四次方关系，提高进气流量以提高燃烧温度能有效改善热光伏系统的整体效率。

然而，由于非预混燃烧的不稳定性，火焰位置易随进气速度的大小而变化，造成燃烧室外壁面温度分布的变化，会影响热光伏和热电设备在不同发电功率(燃料进口流量)时的发电效率。因此，本领域亟待对现有的微小型非预混燃烧器做出改进，以解决火焰位置随进气速度的大小而变化的问题。

发明内容