一种分离式预热的小型扩散燃烧器制造技术

本发明专利技术属于微尺度燃烧技术领域，并具体公开了一种分离式预热的小型扩散燃烧器。包括燃烧器本体，所述燃烧器本体包括依次相连通的且中心线共线的燃料通道、燃烧室和烟气出口，燃烧室的外侧壁对称布置有第一J型预热通道和第二J型预热通道，所述燃烧室的进气口处设有分流板，所述分流板远离所述燃料通道的一侧设有挡流板，用于将燃料通道中通入的燃气进行第二次分流以实现燃气与氧化剂的第二级混合。本发明专利技术可实现氧化剂的充分预热，并实现两次分流和三级混合，可有效解决火焰稳定性差、燃烧效率低易发生回火、结构比较复杂等问题，同时还具备结构简单、混合效果好、可燃范围宽、燃烧效率高和安全可靠的特点。

A Small Diffusion Burner with Separate Preheating

【技术实现步骤摘要】
一种分离式预热的小型扩散燃烧器
本专利技术属于微尺度燃烧
，更具体地，涉及一种分离式预热的小型扩散燃烧器。
技术介绍
微机电装置技术的快速发展使得众多小型动力装置或系统不断涌现，如小型探测器、小型机器人、小型卫星和小型推进系统等装置。目前这些设备大都由电池驱动，然而电池存在能量密度小、重量和体积较大、充电时间较长等缺点，而氢气和碳氢化合物燃料比传统电池的能量密度高出几十倍。因此，基于燃烧的小型动力装置具有取代传统电池的巨大潜力。国内外研究人员已经成功制造出了小型燃气轮机、小型转子发动机、小型火箭和小型阵列推进系统，等等。其中，燃烧器是小型动力装置或系统的关键部件，设计开发出稳定高效安全的小型燃烧器对于MEMS装置的应用具有重要意义。根据燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是否预先混合可分为预混燃烧和扩散燃烧。由于小型燃烧器主要用于为各种MEMS装置提供直接动力或热源，安全性是一个首先需要考虑的重要因素。预混燃烧易出现回火等危险燃烧现象，故燃料和氧化剂的扩散燃烧方式得到大家越来越多的关注，但实现高效稳定的扩散燃烧需要解决两个关键难题。第一个难题是如何使燃料和氧化剂在非常短的时间内充分混合，混合不好会导致火焰稳定性差和燃烧效率低等问题。例如，现有技术在常规的小型扩散燃烧器内发现了“火焰街”现象，这种不稳定火焰正是由燃料和氧化剂混合不充分导致的。为此，研究者们提出了多种方式来解决混合问题。例如，美国马里兰大学的研究人员设计了一种J型氧化剂预热通道与燃料通道垂直布置结构，这使得当氧化剂沿着水平通道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，以此来强化两种不同气体的混合。然而，该方法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，而且在垂直引射方式下难以获得稳定对称的流场。现有技术还提出了一种带多孔介质的Y型扩散燃烧器，虽然燃料和氧化剂的混合情况有所改善，但改善的程度有限，而且此方法增大了流动阻力。第二个难题是如何保证火焰在较宽运行范围内保持稳定。由于小型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个数量级，这使得通过固体壁面的散热损失大大增加，从而导致火焰稳定性变差和易发生熄火。为此，众多研究学者采用了一些办法来提高小型燃烧器中的火焰稳定性。例如，现有技术提出的所谓的“瑞士卷”结构。虽然这种特殊结构燃烧器内的火焰可燃范围较宽，但这种燃烧器目前只能用于预混燃烧，且存在易发生回火、结构比较复杂和加工难度较大等缺点。基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的小型扩散燃烧器做出进一步的改进设计，构建一种结构简单、混合效果好、可燃范围宽、燃烧效率高和安全可靠的分离式预热的小型扩散燃烧器，解决现有小型扩散燃烧器存在的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种分离式预热的小型扩散燃烧器，其中结合小型扩散燃烧器自身的特征及其燃烧预混及安全工艺特点，并对其关键组件如预热通道、燃烧室和预混结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现两次分流和三级混合，进而可有效解决火焰稳定性差、燃烧效率低、易发生回火、结构复杂等问题，同时还具备结构简单、混合效果好、可燃范围宽、燃烧效率高和安全可靠的特点，因而尤其适用于为小型动力或加热设备提供动力或热源。为实现上述目的，本专利技术提供了一种分离式预热的小型扩散燃烧器，其特征在于，包括燃烧器本体，所述燃烧器本体包括依次相连通的且中心线共线的燃料通道、燃烧室和烟气出口，其中，所述燃烧室的外侧壁对称布置有第一J型预热通道和第二J型预热通道，所述第一J型预热通道和第二J型预热通道的进气口设于所述烟气出口的一端,所述第一J型预热通道和第二J型预热通道的出气口与所述燃料通道的出气口在所述燃烧室的进气口处汇合；所述燃烧室的进气口处设有分流板，所述分流板包括对称布置的上分流板和下分流板,用于将燃料通道中通入的燃气进行第一次分流以实现燃气与氧化剂的第一级混合；所述分流板远离所述燃料通道的一侧设有挡流板，用于将燃料通道中通入的燃气进行第二次分流以实现燃气与氧化剂的第二级混合,所述第二级混合的气体在燃烧室内进行第三级混合并燃烧。进一步的，所述第一J型预热通道和第二J型预热通道与所述燃烧室平行布置。进一步的，所述第一J型预热通道的进气口宽度大于其出气口宽度，所述第二J型预热通道的进气口宽度大于其出气口宽度。进一步的，所述分流板的中心线与所述挡流板的中心线均与所述燃料通道的中心线共线。进一步的，所述分流板的阻塞比为0.4～0.8，且所述上分流板和下分流板之间的距离小于所述燃料通道的宽度；优选的，所述分流板的阻塞比为0.6，优选的，所述上分流板和下分流板之间的距离为1～5mm。进一步的，所述挡流板的阻塞比为0.2～0.7，优选的，所述挡流板的阻塞比为0.5。进一步的，所述上分流板和下分流板的形状为三角形或梯形；所述挡流板的形状为三角形、半圆形或梯形中的任一种。进一步的，所述挡流板的表面涂覆有催化剂。进一步的，所述催化剂为铂、镍、铑中的任意一种或多种。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术结合小型扩散燃烧器自身的特征及其燃烧预混及安全工艺特点，并对其关键组件如预热通道、燃烧室和预混结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可实现氧化剂的充分预热，并实现两次分流和三级混合，可有效解决火焰稳定性差、燃烧效率低、易发生回火、结构比较复杂等问题，同时还具备结构简单、混合效果好、可燃范围宽、燃烧效率高和安全可靠的特点，因而尤其适用于为小型动力或加热设备提供动力或热源。2.本专利技术第一J型预热通道和第二J型预热通道与所述燃烧室平行布置，有利于增加预热通道与燃烧室的换热面积，一方面可显著提高氧化剂的预热温度，另一方面显著的热膨胀效应可增大氧化剂流速，从而增强对燃料的引射混合作用。3.本专利技术预热通道进气口宽度大于其出气口宽度，可增强氧化剂的引射作用，提高燃气与氧化剂的混合效果。4.本专利技术分流板、挡流板、燃料通道及燃烧室的中心线均共线，两个J型氧化剂预热通道对称地分布在燃烧室和燃料通道的两侧，呈平行结构，能够保证流场与火焰的对称性和稳定性。5.本专利技术上分流板和下分流板之间的距离小于所述燃料通道的宽度，用于实现燃气的第一次分流，使得分流后的燃气在两侧氧化剂的引射作用下进行碰撞混合，同时，从上分流板和下分流板之间穿过的少量燃气会在挡流板进行二次分流并与两侧气体进行二级混合，同时，利用挡流板后的回流区和低速区实现三级混合，提高火焰锚定性能。6.分流板和挡流板的形状及大小可进行优化设计，从而获得更好的混合效果和稳燃效果。总之，本专利技术克服了现有技术的不足，在三级混合过程中利用几种不同的物理机制，达到燃料和氧化剂之间的充分混合；J型氧化剂预热通道可显著提高氧化剂和燃料的预热温度，从而实现宽火焰可燃(运行)范围；利用挡流板后的回流区和低速区来提高火焰锚定性能。因此，本专利技术能够有效提高小型扩散燃烧器中的火焰稳定性和燃烧效率，广泛适用于各种小型动力或加热装置。附图说明图1是本专利技术涉及的一种分离式预热的小型扩散燃烧器的结构示意图。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-燃料通道，2-第一出口，3-分流板，4-第二出口，5-挡流本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种分离式预热的小型扩散燃烧器，其特征在于，包括燃烧器本体，所述燃烧器本体包括依次相连通的且中心线共线的燃料通道(1)、燃烧室(6)和烟气出口(9)，其中，所述燃烧室(6)的外侧壁对称布置有第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)，所述第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)的进气口设于所述烟气出口(9)的一端,所述第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)的出气口与所述燃料通道(1)的出气口在所述燃烧室(6)的进气口处汇合；所述燃烧室(6)的进气口处设有分流板(3)，所述分流板(3)包括对称布置的上分流板和下分流板,用于将燃料通道(1)中通入的燃气进行第一次分流以实现燃气与氧化剂的第一级混合；所述分流板(3)远离所述燃料通道(1)的一侧设有挡流板(5)，用于将燃料通道(1)中通入的燃气进行第二次分流以实现燃气与氧化剂的第二级混合，所述第二级混合的气体在燃烧室(6)内进行第三级混合并燃烧。

【技术特征摘要】
1.一种分离式预热的小型扩散燃烧器，其特征在于，包括燃烧器本体，所述燃烧器本体包括依次相连通的且中心线共线的燃料通道(1)、燃烧室(6)和烟气出口(9)，其中，所述燃烧室(6)的外侧壁对称布置有第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)，所述第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)的进气口设于所述烟气出口(9)的一端,所述第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)的出气口与所述燃料通道(1)的出气口在所述燃烧室(6)的进气口处汇合；所述燃烧室(6)的进气口处设有分流板(3)，所述分流板(3)包括对称布置的上分流板和下分流板,用于将燃料通道(1)中通入的燃气进行第一次分流以实现燃气与氧化剂的第一级混合；所述分流板(3)远离所述燃料通道(1)的一侧设有挡流板(5)，用于将燃料通道(1)中通入的燃气进行第二次分流以实现燃气与氧化剂的第二级混合，所述第二级混合的气体在燃烧室(6)内进行第三级混合并燃烧。2.根据权利要求1所述的小型扩散燃烧器，其特征在于，所述第一J型预热通道(7)和第二J型预热通道(8)与所述燃烧室(6)平行布置。3.根据权利要求1或2所述的小型扩散燃烧器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：万建龙，何祚雯，尚诚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42