一种多通道燃烧器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种多通道燃烧器，包括多个并列的燃烧通道，多个燃烧通道的中心线相互平行且均位于同一平面上；对于任意一个燃烧通道，该燃烧通道包括第一段通道和第二段通道；该第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面面积小于第二段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面面积；燃烧通道用于燃烧可燃气体；多个燃烧通道中相邻两个燃烧通道中心线之间的间距均相等。本发明中的燃烧器表面温度高、温度均匀性好，可用于向光伏发电装置辐射光子，产生热光伏发电效应，提高能量的综合转换效率。
【专利说明】
一种多通道燃烧器
技术领域
[0001 ]本发明属于微尺度燃烧技术领域，更具体地，涉及一种多通道燃烧器，该燃烧器是 一种适用于微动力/发电系统中的微燃烧器，可应用于微热光伏发电系统等。
【背景技术】
[0002] 随着人类社会的进步，人们对各种民用和军用的微小型便携式设备的需求日益增 多。微加工技术的快速发展，使这些微电子机械系统和设备的制造成为可能，相继出现了微 型卫星、微型机器人以及手机等便携式电子设备。目前，这些设备大都由传统的化学电池驱 动，然而电池存在能量密度小、体积和重量大、充电时间长等缺点，而烃类燃料的能量密度 比电池高出50-100倍。因此，基于燃烧的微小型动力系统有望在未来取代目前广泛使用的 化学电池。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 发电系统和微热电装置系统等等，其中，微燃烧器是微小型动力系统的关键部件，由于微燃 烧器本身有效燃烧空间非常小，常在毫米级别范围，燃料停留时间短，同时微尺度情况下表 面积/体积比成1〇〇倍的增大使得热损失显著增加。从而，微燃烧器燃烧不稳定、可燃范围较 小、燃烧效率和热效率低，严重制约微燃烧器技术及基于燃烧的微动力/发电系统发展。由 于高的面体比有助于光热发电系统，所以微热光伏发电系统引起了众多国内外研究者的关 注。
[0003] 然而，热光伏发电是利用燃烧器外壁面发出的高能光子激发光伏电池，只有光子 能量大于电池材料带隙才能有效激发。根据普朗克定律，燃烧器壁面温度提高，辐射光谱左 移，即向短波方向移动，有效福射光子增多，有助于提升系统效率。同时，为延长光伏电池的 寿命及发电效率，需要温度均匀性较好。目前应用于热光伏发电领域的燃烧器，受器件尺寸 小、表面积/体积比大的影响，热损失大、能量转换效率低，无法得到具有较高温度的燃烧器 壁面;另外，常见的用于光伏发电的微尺度燃烧器只有一个燃烧通道，受器件微观尺寸的影 响，燃烧器边缘处散热快、热损失大，温度不均匀性现象也更加严重，影响光伏电池的发电 效率。
【发明内容】
[0004] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种多通道燃烧 器，其中通过对其关键的燃烧通道的结构及其设置方式、各通道内的可燃气体-氧化剂混合 物的当量比等进行改进，与现有技术相比能够有效解决微型燃烧器散热快、温度无法进一 步提高的问题，并且该燃烧器用于向光伏发电装置辐射光子的外表面温度均匀性好，辐射 的光子能量更加集中（光子能量也随燃烧器温度的升高而增大），辐射的光子被光伏发电装 置利用产生光伏发电效应的比例也大大提高，使得与该燃烧器配合使用的光伏发电装置具 有良好的热光伏发电效应，提高了能量的综合转换效率。
[0005] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多通道燃烧器，其特征在于，包括多个 并列的燃烧通道，每个所述燃烧通道均具有相同的形状和结构;所述多个燃烧通道的中心 线相互平行且均位于同一平面上；
[0006] 对于任意一个所述燃烧通道，该燃烧通道包括第一段通道和第二段通道，所述第 一段通道与所述第二段通道相连通;该第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的 通道截面面积小于所述第二段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面面积； 所述燃烧通道用于燃烧可燃气体，所述第一段通道通过第一端口与外界相连，该第一端口 用于向该燃烧通道内通入所述可燃气体和氧化剂;所述第二段通道通过第二端口排出所述 可燃气体与所述氧化剂进行燃烧反应后的物质；
[0007] 此外，所述多个燃烧通道中相邻两个燃烧通道中心线之间的间距均相等。
[0008] 作为本发明的进一步优选，该多通道燃烧器具有用于向光伏发电装置辐射光子的 外表面，该外表面所在平面平行于所述多个燃烧通道的中心线所处的平面。
[0009 ]作为本发明的进一步优选，所述燃烧通道的长度均为10mm~2 5mm;任意一个所述 燃烧通道的第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面在所述多个燃烧 通道的中心线所处的平面上投影线段的长度为〇. 8_~1.5_。
[0010] 作为本发明的进一步优选，任意一个所述燃烧通道的第二段通道与第一段通道在 垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面两者的面积之比为6.25~1.78;所有的所述 第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的截面与该燃烧器在垂直于该燃烧通道 的中心线方向上的截面两者之比为0.09~0.33。
[0011] 作为本发明的进一步优选，对于任意一个所述燃烧通道，所述第一段通道在垂直 于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面与所述第二段通道在垂直于该燃烧通道的中心 线方向上的通道截面两者形状相似，均为圆形或者均为多边形;优选的，所述第一段通道和 所述第二段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面均为矩形。
[0012] 作为本发明的进一步优选，所述可燃气体为氢气、甲烷和乙烯中的至少一种。
[0013] 作为本发明的进一步优选，所述多个并列的燃烧通道中，位于边缘位置处的燃烧 通道内的所述可燃气体和所述氧化剂的当量比大于位于中间位置处的燃烧通道内的所述 可燃气体和所述氧化剂的当量比。
[0014] 作为本发明的进一步优选，相邻两个所述燃烧通道的通道壁之间通过固体介质相 连，所述固体介质为不锈钢、石英玻璃或碳化硅。
[0015] 作为本发明的进一步优选，所述燃烧器是在一块板状材料的内部形成所述多个燃 烧通道。
[0016] 作为本发明的进一步优选，所述板状材料为不锈钢材料、石英玻璃材料或碳化硅 材料。
[0017] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，通过对燃烧器内作为燃烧 室的燃烧通道进行改进，能够有效提高燃烧器的表面辐射温度，以及该温度的均匀性。
[0018] 本发明中的燃烧器采用多通道结构，每个燃烧通道均具有相同的形状和结构（如 第一段通道、第二段通道的长度、截面形状和大小等均对应保持一致），每一个燃烧通道均 包括第一段通道和第二段通道，第一段通道和第二段通道两者的截面大小不同（截面均与 该燃烧通道的中心线方向相垂直）。第一段通道和第二段通道相连通，第一段通道向第二段 通道过渡形成的台阶（由于第一段通道的截面面积小于第二段通道的截面面积，而可燃气 体和氧化剂是由第一段通道通向第二段通道，相当于通道向外扩宽，因此这个过渡台阶也 称为突扩台阶），由于燃烧器内采用具有突扩的多个并列燃烧通道，突扩台阶使得在通道内 形成了一个低速回流区，起到了固定火焰的作用，可以保证燃烧集中在突扩台阶附近。第一 段通道向第二段通道过渡形成的台阶在通道长度方向上的投影较短(投影越短，即台阶越 是突变，固定火焰的作用就越显著），尤其当第一段通道直接过渡到第二段通道时形成突变 的过渡台阶(此时该燃烧通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面有且仅有两 种情况)时，燃烧集中的效果最好。
[0019] 本发明中的燃烧器，任意一个燃烧通道的第二段通道与第一段通道在垂直于该燃 烧通道的中心线方向上的通道截面两者的面积之比为6.25~1.78，以第一段通道和第二段 通道的截面均为圆形为例，对于任意一个燃烧通道，第一段通道的直径为0.8mm~1.5mm，第 二段通道的截面为2mm;所有第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的截面与该 燃烧器在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的截面两者之比为0.09~0.33,采用上述设 置，既可以保证每个燃烧通道内的燃烧集中效果，又能综合确保燃烧器整体的热量分布效 果，提高燃烧器壁面的温度值及温度分布均匀性。
[0020] 本发明中的多个燃烧通道相当于在一个大的通道内形成了肋板，即在整个燃烧器 内形成了多个燃烧室;另外，由于在各个燃烧通道内均设置了突扩结构，使各个燃烧室内的 主要燃烧区域均相对集中，能够使该燃烧器获得更加均匀、温度更高的温场，促使燃烧器外 壁面(尤其是向配合使用的光伏发电装置辐射光子的外表面)的平均温度升高，并同时改善 燃烧器外壁面温度分布均匀性。
[0021] 本发明中优选在多个燃烧通道内分配不同当量比的气体混合物（即可燃气体与氧 化剂的混合物，氧化剂可以是气体氧化剂，如空气、氧气等），进一步提高了燃烧器外壁面温 度分布的均匀性。两侧通道的当量比相对中间通道的当量比较大，在整个燃烧器单位时间 内消耗相同氢气时会进一步改善温度均匀性。
[0022] 预混燃气/氧化剂由第一端口进入燃烧通道，在通道内突扩台阶形成的低速回流 区处开始燃烧，形成高温燃烧区域。多个燃烧通道在燃烧器内部形成的类似肋板的结构，将 燃烧区域热量逆传导至燃烧器入口处，预热混合气体，有助于提高燃烧稳定性(尤其是多个 燃烧通道中，相邻两个燃烧通道的通道壁之间通过导热性好的固体介质相连，更利于提高 热均匀效果）；同时，类似肋板的结构减少了燃烧器内部有效流动区域面积，促使气体流速 增大，对流换热效果增强;通过设置多燃烧通道，增大了热气流和燃烧器内壁面的接触面 积，能够提高对流换热效果，进而使燃烧器外壁面温度更高。燃烧器整体采用具有良好导热 的材料制成(如不锈钢等），一体成型，能促使热量传导至整个燃烧器，从而燃烧器外壁面温 度分布比较均匀。
[0023] 本发明中的微燃烧器可以与现有的任意一种光伏发电装置（即光伏电池)相配合， 应用于微热光伏发电，不仅可以较高程度地提升微热光伏发电系统的效率，同时均匀的温 度分布会延长电池使用寿命，而且不会增加加工工艺难度、成本等。
[0024] 综上，本发明通过将单个燃烧通道改为多个小微燃烧通道，实现每个通道分开燃 烧，能提高壁面总体温度，同时改善温度分布均匀性。此外，可以为每个微通道设置不同气 体流量和当量比，进一步改善燃烧器外壁面温度均匀性，并提高壁面的温度，有助于微热光 伏发电系统效率提升。
【附图说明】
[0025] 图1是本发明的结构示意图；
[0026] 图2是本发明中各微通道的结构示意图；
[0027]图3A是当量比0 · 8，体积流量为100cm3/s时，燃烧器外壁面沿X方向（Y = 0mm)的温 度分布图；图3B是当量比0.8，体积流量为100cm3/s时，燃烧器外壁面沿Y方向（X= 11mm)的 温度分布图；
[0028] 图4是当量比0.8,体积流量为100cm3/s时，多通道燃烧器各通道分配不同当量比 时燃烧器外壁面温度分布图：（a)X = 5mm, (b)X=llmm, (c)X=17mm。
[0029] 图中各附图标记的含义如下：1为第一微通道（即，微通道I)，2为第二微通道（即， 微通道Π )，3为第三微通道(即，微通道ΙΠ )，4为第四微通道(即，微通道IV)，5为第五微通道 (即，微通道V)，6为外壳。
【具体实施方式】
[0030] 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。
[0031] 实施例1
[0032] 如图1所示，本实施例微型多通道燃烧器由微通道II、微通道Π 2、微通道ΙΠ 3、微通 道IV4、微通道V5及外壳6(即，用于向光伏发电装置福射光子的外表面)而构成，整体结构 呈长方体状。
[0033] 微通道II、微通道Π 2、微通道ΙΠ 3、微通道IV4、微通道V5尺寸参数相同，中轴线并 行且间距相同。
[0034]微型多通道燃烧器由五个平行、并列且等间距布置的微圆柱式结构通道构成；每 个燃烧通道均具有相同的结构(包括尺寸参数、形状参数等，均保持相同），燃烧通道均为长 直通道，通道的中心线平行于通道的长度方向，每个微通道上游均设有突扩台阶。突扩台阶 的实现方式为:微通道第一段入口直径为D(即第一段通道，入口即对应第一端口），第二段 直径为Di(即第二段通道），满足D〈Di，以此使得微通道第二段内部形成低速、回流区，起稳定 燃烧作用。
[0035] 本实施例中，每个微通道尺寸参数如图2所示，细直径D为0.8mm，突扩离入口间距 Li为5mm，大直径Di为2mm，突扩离出口处间距L2为20mm。燃烧器外壳6由不锈钢构成，外壳6的 总体尺寸为，长25_，宽11.2_，高2.4_。
[0036] 在外壳6所在平面上建立Χ0Υ坐标系，其中，X轴的方向沿处于最中间的燃烧通道的 中心线方向，X轴的原点为该燃烧通道的突扩在该中心线上的投影位置，并且以原点指向通 道截面面积较大的燃烧通道的一端作为X轴正方向；Y轴经过原点，且与X轴相互垂直；另外， Y轴所在直线经过所有的燃烧通道的突扩在该外壳6所在平面上的投影。
[0037] 该燃烧器所用的燃料可以为常规气体燃料如:氢气、甲烷等。如附图1所示，预混气 体(如空气和氢气的混合物)在微通道I1-V5内均匀布，低温的混合气体通过外壳内壁面预 热而提高焓值，增强燃烧的稳定性。受热后的高温混合气体，在各微通道内突扩台阶所形成 的低速回流区处开始燃烧。燃料燃烧释放热量，气体混合物温度增高，高温气体混合物与燃 烧器外壳内壁面对流换热。鉴于燃烧器内部流动截面积相对单通道燃烧器减小，高温气体 流动速度增大，对流换热系数增大，根据式（1)对流换热效果增强。同时，多通道燃烧器内部 换热面积相当于单通道燃烧的1.23倍，换热面积的增大，同样，基于式（1)对流换热能进一 步增强。高温气体混合物与燃烧器外壳内壁面对流换热后，外壳通过导热作用，将热量传至 外壳外壁面，使外壳外壁面有较高温度分布。同时，燃烧器外壳会在气体流动方向，进行导 热作用，促使燃烧器外壳外壁面温度分布比较均匀。
[0038] Q = hAAt (1)
[0039] 式(1)中，Q是对流换热量，h是对流换热系数，A是对流换热面积，Δ t是换热温差。
[0040] 以该实施例燃烧器为模型，通过通用的CHH十算软件Fluent 6.3.26进行模拟，采 用氢气/空气混合气体为燃料，初始温度为300K，当量比为0.8,分别计算了混合气体体积流 量为85,100,115和130cm 3/s时燃烧情况。表1统计了外壁面平均温度，由表1可见，在相同速 度下，多通道燃烧器的外壁温要远高于单通道燃烧器的，计算工况下最低提高了35.8K。
[0041] 表1
[0042]
[0043] 图3是lOOcmVs时燃烧器外壁面轴线上温度分布图，（a)是轴向X方向，（b)是横截 面Y方向。由图（a)可见，在单一速度下，腔燃烧器的壁面温度沿着轴线方向先增加后减小， 但单通道燃烧器温度降低趋势相对多通道的更为明显。多通道燃烧器的壁面温度相对更 高，尤其是下游区域，且相对分布更均匀。由图（b)可见，多通道燃烧器在中心区域温度较 高，两侧区域温度相对较低。同一速度下，多通道燃烧器的横截面方向温度要高于单通道 的，且温度曲线分布更顺滑，即温差较小。在lOOcmVs时，多通道燃烧器的壁面温差为 86.6K，而单通道燃烧器的高达107.6K。可见，多通道燃烧器的壁温不仅较高，且温度分布比 较均匀。
[0044] 根据公式(2)和(3)分别计算了三种速度下辐射能和辐射效率，计算结果统计在表 1中。由表1可知，多通道燃烧器的辐射能都比单通道的高。辐射效率也呈现相似规律，即双 凹腔的都要比单凹腔的略高l〇〇cm 3/s时，辐射效率从单通道的16.67 %增至多通道的 18.84%，相应增加2.2%。
[0047] 式(2)、（3)中，P是附身，ε是燃烧器外壁面发射率，σ是斯忒藩-玻尔兹曼常数，AQUt 是燃烧器外壁面面积，Tw是外壁面温度是氢气质量流量，Η。是氢气高位发热量。
[0048] 同时以该实施例燃烧器为模型，计算了总体积流量为100cm3/s时，每个通道分配 不同当量比时，燃烧器燃烧性能，具体当量比分配如表2所示。
[0049] 表 2
[0050]
[0051] 图4显示了多通道燃烧器Y方向不同当量比分配时各X(分别为5_，11mm和17mm)方 向上外壁面温度分布。由图4可知，easel的中心区域壁温要高于case2和case3,然而easel 的两侧壁温是最低的。同时，基于不同当量比分配，case2和case3在不同X位置的壁温曲线 都相对更为顺滑，尤其是中心区域。由于较高的当量比设置，case2和case3的两侧壁温要略 高于easel的。因此，多通道燃烧器case2和case3时在Y方向的温差比easel的小。如表3所 示，X= 11mm时，easel，case2和case3的温差分别为86 · 6K，72 · 8K和68 · 8K。然而，case 2和 case 3的辐射能和辐射效率比easel的都要略低，但case 3的辐射效率降幅小于1 %。综上 所述，为每个通道分配不同当量比能进一步提高燃烧器外壁面温度分布均匀性，且能获得 不错的辐射性能。
[0052] 衷 3
[0053]
[0054]上述实施例中的通道其截面为圆形，除了圆形外，通道的截面还可采用其它形状， 如矩形、正多边形（如正四边形、正六边形、正八边形）等多边形形状。本发明的燃烧通道均 分为第一段通道和第二段通道，第一段通道和第二段通道之间通过突扩过渡，第一段通道 的截面和第二段通道截面两者形状相似、截面面积大小不同（以截面为矩形形状为例，第一 段通道的矩形截面与第二段通道的矩形截面两者相似但不完全相同，矩形的长宽比比值相 同；第一段通道的矩形截面的对角线交点和第二段通道的矩形截面的对角线交点均位于该 燃烧通道的中心线上），也就是说，可以根据燃烧通道内的气流流向将燃烧通道分为前后两 段，这两段垂直于轴线的截面形状属于同一类形状，如均为圆形，或均为矩形；前段的截面 面积小于后段的截面面积，形成突扩。本发明的通道为中空结构，优选的，垂直于通道中心 线的燃烧通道的任意一个截面均为中心对称形。
[0055]该燃烧器可以是在一块实心材料上（如不锈钢板材、石英玻璃或碳化硅等），钻出 一排具有突扩的通道，从而制备得到整体结构形式的燃烧器，该实心材料的外表面即对应 外壳的外表面。当然，本发明中的燃烧器还可以是先形成多个具有突扩的通道，然后再在多 个通道外部制作外壳;这种情况下制备得到的燃烧器其多个通道与外壳之间的热传递效果 不如整体结构形式的燃烧器，热均匀性效果有所下降。另外，当各个燃烧通道内的当量比均 相同时，各个燃烧通道的第一段通道的前端可统一设置个第一端口，作为该燃烧器内可燃 气体与氧化剂的入口。
[0056]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。
【主权项】
1. 一种多通道燃烧器，其特征在于，包括多个并列的燃烧通道，每个所述燃烧通道均具 有相同的形状和结构;所述多个燃烧通道的中心线相互平行且均位于同一平面上； 对于任意一个所述燃烧通道，该燃烧通道包括第一段通道和第二段通道，所述第一段 通道与所述第二段通道相连通;该第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道 截面面积小于所述第二段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面面积;所述 燃烧通道用于燃烧可燃气体，所述第一段通道通过第一端口与外界相连，该第一端口用于 向该燃烧通道内通入所述可燃气体和氧化剂;所述第二段通道通过第二端口排出所述可燃 气体与所述氧化剂进行燃烧反应后的物质； 此外，所述多个燃烧通道中相邻两个燃烧通道中心线之间的间距均相等。2. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，该多通道燃烧器具有用于向光伏发电 装置辐射光子的外表面，该外表面所在平面平行于所述多个燃烧通道的中心线所处的平 面。3. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，所述燃烧通道的长度均为10mm~ 25mm;任意一个所述燃烧通道的第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截 面在所述多个燃烧通道的中心线所处的平面上投影线段的长度为〇. 8_~1.5_。4. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，任意一个所述燃烧通道的第二段通道 与第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面两者的面积之比为6.25~ 1.78;所有的所述第一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的截面与该燃烧器在垂 直于该燃烧通道的中心线方向上的截面两者之比为〇. 09~0.33。5. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，对于任意一个所述燃烧通道，所述第 一段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面与所述第二段通道在垂直于该 燃烧通道的中心线方向上的通道截面两者形状相似，均为圆形或者均为多边形;优选的，所 述第一段通道和所述第二段通道在垂直于该燃烧通道的中心线方向上的通道截面均为矩 形。6. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，所述可燃气体为氢气、甲烷和乙烯中 的至少一种。7. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，所述多个并列的燃烧通道中，位于边 缘位置处的燃烧通道内的所述可燃气体和所述氧化剂的当量比大于位于中间位置处的燃 烧通道内的所述可燃气体和所述氧化剂的当量比。8. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，相邻两个所述燃烧通道的通道壁之间 通过固体介质相连，所述固体介质为不锈钢、石英玻璃或碳化硅。9. 如权利要求1所述多通道燃烧器，其特征在于，所述燃烧器是在一块板状材料的内部 形成所述多个燃烧通道。10. 如权利要求9所述多通道燃烧器，其特征在于，所述板状材料为不锈钢材料、石英玻 璃材料或碳化硅材料。
【文档编号】F23D14/46GK105864766SQ201610262234
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月26日
【发明人】程强, 苏阳, 刘洋, 宋金霖
【申请人】华中科技大学, 深圳华中科技大学研究院