一种防回火的预混燃烧渐扩燃烧器的制作方法

本发明属于燃烧装置领域，更具体地，涉及一种预混燃烧渐扩燃烧器。

背景技术：

燃烧器内的火焰稳定性一直是燃烧领域关注的重点，特别是当燃烧器尺度较小时，急剧增大的散热损失和反应基团失活效应使得火焰稳定性下降很多，可燃范围也较小。目前研究者们主要是采用旋流、钝体和凹腔稳燃技术来提升火焰稳定性，改善燃烧效果。其中，旋流燃烧技术只适用于大雷诺数下的强湍流火焰，而钝体和凹腔稳燃技术又易发生回火等危险燃烧现象。故迫切需要开发出具有较强防回火性能和较好稳燃性的燃烧器，且能适用于层流和湍流火焰，从而可宽范围调节热源功率。特别是近年来微机电装置或系统快速发展，不断涌现出小型机器人、小型火箭发动机、小型推进系统和便携式电子设备等小型装置，这就需要高能量密度的动力源，而碳氢化合物燃料比传统电池的能量密度高出几十倍。例如，典型的液态碳氢化合物燃料的能量密度高达45mj/kg，而目前最好的化学电池zinc/air电池的能量密度仅约为1.65mj/kg。因此，基于燃烧的小型动力装置有取代传统电池的巨大潜力。而燃烧器是小型动力装置或系统的关键部件，设计开发出安全稳定高效的燃烧器对于小型动力装置的技术开发具有重要意义。

燃烧方式按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。由于预混燃烧的火焰易于稳定，燃烧较为充分，故此燃烧方式得到了广泛采用，本燃烧器即采用预混燃烧方式。而预混火焰有发生回火的危险，而安全性又是燃烧器应用的首要原则，这就需要预混燃烧器具有较好的防回火性能。即需要在提高火焰稳定性的同时又能有效防止火焰回火。

为提高火焰稳定性，众多学者采用了钝体和凹腔稳燃方法，此方法在一定工况下可以起到较好的稳燃效果，但此方法在低流量时易发生回火。也有不少学者采用渐扩结构来提升火焰稳定性，但稳燃效果有限，且易出现倾斜等不对称火焰形态，从而使得壁温分布均匀性差。另外，很多研究学者也采用热循环方法，如ronney和maruta等人采用所谓的“瑞士卷”结构，这种结构是通过提高未燃混合气温度来拓宽火焰可燃范围，然而这种结构也易发生回火，且存在结构比较复杂和加工难度较大等缺点。此外，一些研究人员采用催化燃烧的方法来提高火焰的稳定性，而此方法存在制作复杂和催化表面使用一段时间后失效等缺点。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种预混燃烧渐扩燃烧器，柱状稳燃杆大大减小了圆管入口段的流道间距，并与多孔蜂窝筒一道可有效预防火焰回火现象，在稳燃器的下游会形成流体回流，有利于火焰稳定。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种防回火的预混燃烧渐扩燃烧器，其特征在于，包括渐扩外管、多孔蜂窝筒和柱状稳燃杆，其中，

所述渐扩外管的两端均敞口，其包括从左到右依次连接的圆管入口段、圆管渐扩段和圆管出口段，所述圆管入口段的内径和外径分别小于所述圆管出口段的内径和外径，并且所述圆管渐扩段的最小内径和最大内径分别与所述圆管入口段的内径和所述圆管出口段的内径相等；

所述圆管入口段的内壁套装所述多孔蜂窝筒，并且所述多孔蜂窝孔上的蜂窝通孔的轴向与所述圆管入口段的轴向一致；

所述柱状稳燃杆穿装在所述多孔蜂窝筒上，并且其右端与所述圆管渐扩段的右端齐平。

优选地，所述圆管渐扩段的锥角为10～90°。

优选地，所述圆管入口段、圆管渐扩段和圆管出口段一体成型。

优选地，所述柱状稳燃杆为实心棒。

优选地，所述柱状稳燃杆的左端与所述圆管入口段的左端齐平。

优选地，所述柱状稳燃杆的右端设置为实心渐扩部，以用于增大流体回流区域。

优选地，所述柱状稳燃杆位于所述多孔蜂窝筒右侧的部分涂有催化剂，所述催化剂为铂、镍或铑。

优选地，所述渐扩外管的内壁面上涂有催化剂，所述催化剂为铂、镍或铑。

优选地，所述蜂窝通孔的孔径小于相应燃料火焰的淬熄直径。

优选地，所述渐扩外管、多孔蜂窝筒和柱状稳燃杆同轴设置。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)柱状稳燃杆能进一步加强火焰-壁面耦合作用，且在稳燃器的下游会形成流体回流，这些效应有利于火焰稳定，而且柱状稳燃杆大大减小了圆管入口段流体通道的特征长度，使得流道间距较小，从而使得圆管入口段内的流速较大，这能有效预防火焰回火现象。

(2)多孔蜂窝筒的孔径小于相应火焰的淬熄直径，这使得火焰即使回到了圆管入口段也将熄灭。

(3)由于流体进入圆管渐扩段后会明显减速，这会减小外部设备的扰动对燃烧室内火焰的影响，从而能更好地控制燃烧室内火焰位置和形态。

(4)本发明能够有效提高火焰稳定性，易于控制火焰位置，可为热电和热光伏发电等系统提供热源，也可为推进系统提供高温燃气。

附图说明

图1是本发明的剖面示意图；

图2a和图2b分别是本发明的燃烧器和常规渐扩外管燃烧器的火焰形态图谱对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1、图2a和图2b，一种防回火的预混燃烧渐扩燃烧器，包括渐扩外管3、多孔蜂窝筒1和柱状稳燃杆2，其中，

所述渐扩外管3的两端均敞口，其具有入口9和出口4，其包括从左到右依次连接的圆管入口段5、圆管渐扩段6和圆管出口段7，所述圆管入口段5的内径和外径分别小于所述圆管出口段7的内径和外径，并且所述圆管渐扩段6的最小内径和最大内径分别与所述圆管入口段5的内径和所述圆管出口段7的内径相等；优选地，所述圆管渐扩段6的锥角为10～90°，所述圆管入口段5、圆管渐扩段6和圆管出口段7一体成型。通过改变圆管渐扩段6的锥角，或者/和通过改变柱状稳燃杆22的结构和尺寸，能够进一步提高火焰稳燃效果；

所述圆管入口段5的内壁套装所述多孔蜂窝筒1，并且所述多孔蜂窝孔上的蜂窝通孔的轴向与所述圆管入口段5的轴向一致；

所述柱状稳燃杆2穿装在所述多孔蜂窝筒1上，并且其右端与所述圆管渐扩段6的右端齐平。

进一步，所述渐扩外管、多孔蜂窝筒和柱状稳燃杆同轴设置。

进一步，所述柱状稳燃杆2为实心棒，所述柱状稳燃杆2的左端与所述圆管入口段5的左端齐平，所述柱状稳燃杆2的右端设置为实心渐扩部，以用于增大流体回流区域。

进一步，所述柱状稳燃杆2位于所述多孔蜂窝筒1右侧的部分涂有催化剂，所述催化剂为铂、镍或铑。

进一步，所述渐扩外管3的内壁面上涂有催化剂，所述催化剂为铂、镍或铑。

进一步，所述蜂窝通孔的孔径小于相应燃料火焰的淬熄直径。

本发明圆管入口段5内的多孔蜂窝筒1用于固定中心柱状稳燃杆2的同时还能防止回火；为尽量强化柱状稳燃杆2的火焰-壁面耦合作用和端面后的流体回流区最大化，柱状稳燃杆2的下游(相对流动方向)端面与圆管渐扩段6末端面(圆管渐扩段6与圆管出口段7的交界面)在同一平面。通过改变圆管渐扩段6的倾斜角，或者/和通过改变柱状稳燃杆2的几何结构和尺寸，能够在防止火焰回火的同时进一步提高火焰可燃和稳燃范围。

本发明提供的燃烧器可用耐高温的材料加工而成，由中心的柱状稳燃杆2和外围的渐扩外管3组成，这两者通过支架和多孔蜂窝筒1连接在一起，保证柱状稳燃杆2处于正中央位置，且柱状稳燃杆2的下游端面与圆管渐扩段6末端面处于同一平面。燃烧室8包括圆管渐扩段6与圆管出口段7，火焰在低速时会停留在圆管渐扩段6；速度较大时火焰会部分进入圆管出口段7；当速度很大时，火焰将全部进入圆管出口段7。耐高温材料可以选择如石英(主要成分为sio2)、碳化硅(sic)、氮化硅(si3n4)等耐高温的陶瓷材料。

圆管渐扩段6和圆管出口段7组成了燃烧室8。燃料预混气通过圆管入口段5进入到燃烧室8，随即点火燃烧，高温烟气由燃烧室8出口排出，可以用来为热电装置或者热光伏系统提供热源，也可作为推进系统的高温燃气，通过后续的喷管来产生推力。

下面结合具体的燃料和实验数据来说明。

采用甲烷气体为燃料，空气为氧化剂，渐扩外管3的壁厚为1mm；燃料通道的圆管入口段5的内径和长度分别为4mm和20mm；柱状稳燃杆2的直径为2mm；圆管出口段7的内径和长度分别为12mm和100mm；圆管渐扩段6长度为30mm。柱状稳燃杆2和渐扩外管3采用耐高温的石英材料，石英材料常温下的密度、热容、导热系数和法向发射率分别为2650kg/m³、750j/(kg·k)、1.05w/(m²·k)和0.92。

对不同工况下的燃烧进行了实验研究，结果参照图2a和图2b。图2a和图2b分别给出了由实验得到的本发明与常规的渐扩外管3燃烧器在当量比为1时不同进气速度下的火焰形态图谱。从图2a和图2b可知，常规渐扩外管3燃烧器内火焰稳定时均为倾斜状，在进气速度较小(约2m/s)时就出现了倾斜震荡火焰，且在进气速度较大时出现了x型震荡火焰，而本发明内的火焰形态一直为对称结构，在较大进气速度时(约4.25m/s)才出现震荡火焰，且其震荡火焰也表现为对称结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。