一种液体燃料微燃烧器及其设计方法

专利名称：一种液体燃料微燃烧器及其设计方法
技术领域：
本发明涉及一种液体燃料微燃烧器及其设计方法，属于微尺度燃烧技术领域。
背景技术：
随着现代技术的发展，人们越来越重视微型设备的开发和利用。另外微机电系统 模块化制造技术的日益成熟，可以加工出很微小的设备，更促进了微型设备的发展。便携式 电子产品和MEMS系统的迅速发展及广泛应用；这样就对于电源系统提出了更高的要求，如 重量要轻、工作时间要长、充电要迅速、对环境要无污染等等。可是目前大量使用的锂离子 电池能量密度仅为0. 4 0. 5MJ/kg，这已经是常规的便携式电源的潜能极限了，而液态碳 氢燃料的能量密度能达到40 50MJ/kg，可见液体燃料所储存的能量与电池相比，它的单 位质量功率密度是目前锂离子电池的100倍左右，即使能量转换装置的效率仅有10%，那 么它的能量密度仍是锂离子电池的10倍，因此基于液体燃料燃烧的微型电源可能成为很 有前途的替代电池；另外，基于燃烧的微型电源也可以作为动力源用于微型卫星或微型飞 行器。而作为微能源系统的核心，对微型燃烧器的研究受到了人们的广泛关注。液体燃料微尺度燃烧遇到的最大困难是燃烧停留时间短、散热损失大和燃烧不稳 定等等，目前对微燃烧器的研究方向主要集中在如何减少热量损失以提高效率保证火焰稳 定性，如采用多孔材料促进热传递，采用回热通道来预热未燃混合气体，以及多圈缠绕，逆 流换热结构等。但现有的微燃烧器所采用的燃料形式均为预混气体，预混气体体积大，能量 密度低，储存和运输不便，且有爆炸危险，所以不具实用性。相对而言，液态燃料或高压气态 燃料则是微燃烧器未来发展的必然选择。微尺度燃烧在功能需求上和常规尺度的燃烧室一 样，包括高的化学能转换效率，低压损失，点火可靠性，宽的可燃极限等。但液体燃料燃烧 有其自身的特点，它的难挥发性，易于形成焦炭，这使得液体燃料燃烧很困难；而且与气体 燃料相比，液体燃料的燃烧更具困难，还因为液体燃料燃烧是个扩散燃烧过程，液体碳氢燃 料，还要考虑液滴破碎、雾化和蒸发过程，液体燃料气化后可以与空气充分预混，从而通过 点火器点燃而持续燃烧，提高燃烧效率，若能将液体燃料预热到蒸汽状态则可以大大提高 燃烧性能。可见，良好的液体燃料蒸发和同空气的充分预混是液体燃料燃烧系统的主要要 求。

发明内容
本发明的目的是为解决液体燃料在微燃烧器中难于蒸发和燃烧不稳定的困难，而 提出一种液体燃料微燃烧器及其设计方法。本发明的目的主要是通过两个预热过程、一个打散液滴过程和一个燃烧过程实现 的，具体技术方案如下(1)为了使得进入的气体预热时间长，预热更充分，将预热通道设计成螺旋式结 构，目的是利用排出的废气热量来预热通入的气体，使得热的废气与冷的气体之间进行充 分热传递，以上过程为第一个预热过程；
(2)为促进微燃烧器内部的雾化和蒸发过程，并使输入微燃烧器的液体燃料和预 热后的气体混合均勻，利用多孔材料来破碎输入的液体燃料，使其变成更小的液滴，与通入 的气体的混合更充分，以上过程为气液混合过程；(3)为使气液混合物被点燃后持续稳定地在多孔材料上方燃烧，设计点火器在多 孔材料上方，充分混合后的气液混合物被点燃，火焰位置稳定在多孔材料的上方，以上为燃 烧过程；(4)为进一步起到预热作用，减少热损失以及达到稳定燃烧的效果，利用充分燃烧 后的回热通道，把废气热量通过燃烧室内套管传递给未燃的气体和液体燃料混合物，以上 为第二个预热过程；(5)以上两个预热过程、一个气液混合过程和一个燃烧过程按照⑴到⑷的顺序 循环下去，使得微燃烧器不断产生能量。本发明的液体燃料微燃烧器，包括螺旋通道预热器本体、螺旋通道预热器下盖板、 螺旋通道预热器上盖板、燃烧室内套管、燃烧室外套管、多孔材料、点火器、点火器引线、进 气入口管和排气出口管。微燃烧器各部分的连接关系为螺旋通道预热器本体位于螺旋通道预热器上盖板 和螺旋通道预热器下盖板之间，螺旋通道预热器下盖板位于燃烧室外套管之上并与之连接 在一起；燃烧室内套管位于燃烧室外套管内部、螺旋通道预热器下盖板之下；多孔材料位 于燃烧室内套管和燃烧室外套管形成的中间夹层以及燃烧室的底部；点火器悬空位于多孔 材料上方，接近多孔材料的上表面；点火器引线一端与点火器连接，另一端穿过螺旋通道预 热器上盖板与外界电源连接；进气入口管和排气出口管的一端分别与螺旋通道预热器本体 中的进气口和出气口连接，另一端与外界连接。所述的螺旋通道预热器本体采用高导热系数、耐高温并有一定强度的材料，其上 布设有进气通道和排气通道，其中排气通道至中心孔向外螺旋式布设，进气通道至外围向 中心螺旋式布设，从而使进气通道和排气通道相间布置，实现气体充分预热。进气口和排气 口分别位于螺旋通道预热器本体的两侧边缘。所述的螺旋通道预热器上盖板采用导热系数低的材料，其作用为减少燃烧器的热 量损失。其上有一小孔，使得点火器引线能穿出。所述的螺旋通道预热器下盖板采用导热系数高的材料；其中心为一个大孔，形状 及尺寸与螺旋通道预热器本体的中心孔一致，作用为使得燃烧后的废气通过螺旋通道预热 器本体的中心孔进入螺旋式排气通道；大孔与螺旋通道预热器下盖板外边缘之间均勻分布 一定数量的小孔洞，这些小孔洞连通螺旋式进气通道和燃烧室的夹层空间，使得螺旋式进 气通道中经过螺旋通道预热器本体预热的气体进入燃烧室的夹层空间。所述的燃烧室内套管为中空的管状结构，使用导热系数高的材料，中空部分形成 燃烧室，其作用为使燃烧的废气所带有的热量尽可能多的传给进入的液体燃料和气体，作 为回热通道。所述的燃烧室外套管为中空的杯状结构，其高度略大于燃烧室内套管；使用导热 系数低的材料或绝热材料，其作用为减少燃烧热量的损失，利于稳定火焰，而且不会对外部 环境带来过多影响。燃烧室外套管与燃烧室内套管之间相隔一定距离形成了夹层空间，该 夹层空间不易过大，相隔距离在lmm-2mm之间为宜。在燃烧室外套管上距离螺旋通道预热
5器下盖板一定位置的切向方向布设一定数量的液体燃料入口，此数量以2-4个为佳；切向 方向布设使得液体燃料以螺旋式进入夹层中间，增加停留时间，充分混合及预热。所述的多孔材料选具有一定透气率的性能优良的烧结材料，可以选铜粉烧结金 属、SiC、Zr02和Al2O3等材料，烧结材料粒径分布均勻，使压力损失小，与螺旋通道预热器本 体共同达到预热空气的目的。所述的点火器选择高压放电点火器，用于点燃液体燃料和空气的混合气体，在燃 烧室底部、多孔材料上方形成燃烧区。所述的点火器引线选择直径小、包裹防止放电和耐高温材料的引线，使得点火位 置远离微燃烧器。所述的进气入口管和排气出口管选择普通同一直径的不锈钢管。本发明的液体燃料微燃烧器的工作过程为外界具有氧化剂性质的气体通过进气 入口管进入螺旋通道预热器本体的进气通道，再进入燃烧室的夹层空间；液体燃料从燃烧 室外套管的液体燃料入口进入夹层空间，气体和液体燃料在夹层空间及多孔材料中混合均 勻形成混合物；通过点火器引线使得点火器放电，混合物在多孔材料上方中被点燃，形成稳 定燃烧火焰；燃烧后的废气通过螺旋通道预热器下盖板中心大孔进入螺旋通道预热器本体 的螺旋式排气通道，从而可以预热外界输入螺旋式进气通道的气体，然后通过排气出口管 排出。外界气体和液体燃料不断输入微燃烧器，以上过程便循环使得不断产生燃烧能量。有益效果本发明具有多重预热方式，减少能量损失，实现稳定燃烧过程；提高燃烧效率，减 少污染物排放等优点，具体如下1、充分预热进入螺旋通道的空气，这样也可以使液体燃料得到预热，进而促进液 体燃料的蒸发，能够使火焰稳定性更好，还可以提高混合气体的焓值，扩展可燃极限，提高 燃烧效率，减少污染物的排放。2、放置在燃烧器底部的多孔材料利于增加液体燃料与空气混合的表面积，促进液 体燃料蒸发。多孔材料可以减少热量损失、增加火焰稳定性和燃料停留时间，使得液体燃料 与空气充分混合。3、液体燃料在多孔材料上方燃烧，产生的废气通过排气通道对液体燃烧进一步的 预热，使其蒸发过程更加快速。本发明的液体燃料微燃烧器把燃料的化学能通过燃烧转化为电能或者动能，以微 燃烧器为核心的微能源系统，可作为很有前途的替代电池；同时也可以应用在微型卫星、微 型飞行器上作为动力源和电源。


图1为具体实施方式
中液体燃料微燃烧器的剖面示意图；图2为具体实施方式
中液体燃料微燃烧器在A-A位置的剖面示意图；图3为具体实施方式
中液体燃料微燃烧器在B-B位置的剖面示意图。标号说明1-螺旋通道预热器本体，2-螺旋通道预热器下盖板，3-燃烧室内套管， 4-燃烧室外套管，5-多孔材料，6-夹层空间，7-点火器，8-燃烧室，9-螺旋通道预热器上盖 板，10-点火器引线，11-螺旋通道预热器本体的进气通道，12-螺旋通道预热器本体的排气通道，13-进气入口管，14-排气出口管，15-液体燃料入口。
具体实施例方式为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实施例对本发明作进一步 说明。图1为本实施例的液体燃料微燃烧器的剖面示意图，其剖面为“T”型。本实施例所制作的微燃烧器各部分采用的材料和尺寸如下图2为本实施例的液体燃料微燃烧器的螺旋通道预热器本体1的截面图，其形状 为圆形，材料选用不锈钢，外径尺寸为40mm，螺旋通道预热器本体的进气通道11的宽度选 择为1mm，螺旋通道预热器本体的排气通道12的宽度选择为0. 7mm。本实施例的螺旋通道预热器上盖板9为圆形，选用陶瓷材料，厚度为1mm，直径为 40mm ο本实施例的螺旋通道预热器下盖板2为圆形，选用不锈钢，厚度为1mm，直径为 40mm，其中心大孔的直径为10mm，并在其上直径为13mm的同心圆位置上均勻分布四个直径 为Imm的小孔洞。图3为本实施例的液体燃料微燃烧器的燃烧室内套管3和燃烧室外套管4的截面 图。燃烧室内套管3选用导热系数高的材料，可以使燃烧的废气所带有的热量尽可能多的 传给进入的液体燃料和空气，本例选的是不锈钢管，壁厚为1mm，外径为12mm;燃烧室外套 管4使用导热系数低的材料或绝热材料，可以减少燃烧热量的损失，利于稳定火焰，而且不 会对外部环境带来过多影响，本例选用陶瓷管，壁厚1mm，杯形下部的外径17mm，上部杯沿 的外径为40mm ；燃烧室外套管4与燃烧室内套管3之间相隔1. 5mm形成了夹层空间6，沿燃 烧室外套管4切向均勻布设4个直径为Imm的孔，即液体燃料入口 15，分布在距离燃烧室外 套管4上表面3mm的位置上。本实施例的多孔材料5选用铜粉烧结金属，透气率为40%，烧结材料粒径分布均 勻，压力损失小。本实施例的点火器7选择普通的放电点火器，点火器引线10选择直径为1mm，长度 根据燃烧器的尺寸选择。所述的进气入口管和排气出口管选择普通同一直径的不锈钢管，直径选择3mm的 不锈钢管。本实施例的微燃烧器的整体高度为38mm。微燃烧器工作时置于绝热保温层中，燃 烧室外套管4保持恒温，减少热量损失，获得稳定的燃烧过程。本实施例中加入了一个提前加热的过程，该过程的目的是为在通入液体燃料之 前，使整个微燃烧器提前加热，实际操作中并非一定需要。提前加热的过程如下从进气入口管13输入螺旋通道预热器本体的进气通道11甲烷和空气的混合气 体，当量比为1。混合气体通过螺旋通道预热器本体的进气通道11进入到燃烧室8的夹层 空间6，从而进入多孔材料5内，接通点火器电源，在燃烧室8中点燃混合物，在多孔材料上 方形成稳定燃烧火焰，把整个微燃烧器预热，预热一段时间即可停止通入甲烷，而只通入空 气即可。本实施例中液体燃料燃烧过程如下
通过液体燃料入口 15把液体燃料以沿切向方向通入燃烧室8的夹层空间6，在夹 层空间6中形成旋转式射流，同时空气持续被螺旋通道预热器本体预热后进入夹层空间6， 并在此空间中与液体燃料混合。液体燃料与空气混合物进入多孔材料5中，使得混合更加 均勻；接通点火器电源，点燃混合物使其在燃烧室8中稳定燃烧，在多孔材料5上方形成稳 定燃烧火焰。由于液体燃料能够充分与空气混合并燃烧，减少污染物排放，利于环保。燃烧 后的废气通过螺旋通道预热器下盖板2的中心大孔进入螺旋通道预热器本体的排气通道 12，从而可以预热外界输入预热器本体的进气通道11的气体，然后通过排气出口管14排 出。外界气体和液体燃料不断输入微燃烧器，以上过程便循环使得不断产生燃烧能量。本发明通过螺旋通道充分预热进入的空气；多孔材料利于增加液体燃料与空气混 合的表面积，可以减少热量损失、增加火焰稳定性和燃料停留时间，使得液体燃料与空气充 分混合；燃烧后的废气通过排气通道对液体燃烧进一步的预热，促进液体燃料的蒸发，在多 孔材料上方燃烧，能够形成稳定火焰，还可以提高混合气体的焓值，扩展可燃极限，提高燃 烧效率，减少污染物的排放。以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，用于解释本发明，并不用于限定本 发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
一种液体燃料微燃烧器的设计方法，其特征在于(1)为了使得进入的气体预热时间长，预热更充分，将预热通道设计成螺旋式结构，利用排出的废气热量来预热通入的气体，使得热的废气与冷的气体之间进行充分热传递，以上过程为第一个预热过程；(2)为促进微燃烧器内部的雾化和蒸发过程，并使输入微燃烧器的液体燃料和预热后的气体混合均匀，利用多孔材料来破碎输入的液体燃料，使其变成更小的液滴，与通入的气体的混合更充分，以上过程为气液混合过程；(3)为使气液混合物被点燃后持续稳定地在多孔材料上方燃烧，设计点火器在多孔材料上方，充分混合后的气液混合物被点燃，火焰位置稳定在多孔材料的上方，以上为燃烧过程；(4)为进一步起到预热作用，减少热损失以及达到稳定燃烧的效果，利用充分燃烧后的回热通道，把废气热量通过燃烧室内套管传递给未燃的气体和液体燃料混合物，以上为第二个预热过程；(5)以上两个预热过程、一个气液混合过程和一个燃烧过程按照(1)到(4)的顺序循环下去，使得微燃烧器不断产生能量。
2.一种液体燃料微燃烧器，其特征在于包括螺旋通道预热器本体、螺旋通道预热器 下盖板、螺旋通道预热器上盖板、燃烧室内套管、燃烧室外套管、多孔材料、点火器、点火器 引线、进气入口管和排气出口管；微燃烧器各部分的连接关系为螺旋通道预热器本体位于螺旋通道预热器上盖板和螺 旋通道预热器下盖板之间，螺旋通道预热器下盖板位于燃烧室外套管之上并与之连接在一 起；燃烧室内套管位于燃烧室外套管内部、螺旋通道预热器下盖板之下；多孔材料位于燃 烧室内套管和燃烧室外套管形成的中间夹层以及燃烧室的底部；点火器悬空位于多孔材料 上方，接近多孔材料的上表面；点火器引线一端与点火器连接，另一端穿过螺旋通道预热器 上盖板与外界电源连接；进气入口管和排气出口管的一端分别与螺旋通道预热器本体中的 进气口和出气口连接，另一端与外界连接。
3.根据权利要求2所述的一种液体燃料微燃烧器，其特征在于所述的螺旋通道预热 器本体采用高导热系数、耐高温并有一定强度的材料，其上布设有进气通道和排气通道，其 中排气通道至中心孔向外螺旋式布设，进气通道至外围向中心螺旋式布设，从而使进气通 道和排气通道相间布置，进气口和排气口分别位于螺旋通道预热器本体的两侧边缘。
4.根据权利要求2所述的一种液体燃料微燃烧器，其特征在于所述的燃烧室外套管 与燃烧室内套管之间相隔一定距离形成的夹层空间不易过大，相隔距离在lmm-2mm之间为且。
5.根据权利要求2所述的一种液体燃料微燃烧器，其特征在于所述的燃烧室外套管 上距离螺旋通道预热器下盖板一定位置的切向方向布设一定数量的液体燃料入口，此数量 以2-4个为佳。
6.根据权利要求2所述的一种液体燃料微燃烧器，其特征在于所述的螺旋通道预热 器下盖板采用导热系数高的材料；其中心为一个大孔，形状及尺寸与螺旋通道预热器本体 的中心孔一致；大孔与螺旋通道预热器下盖板外边缘之间均勻分布一定数量的小孔洞以连 通螺旋式进气通道和燃烧室的夹层空间。2
7.根据权利要求2所述的一种液体燃料微燃烧器，其特征在于所述的多孔材料选具 有一定透气率的性能优良的烧结材料。
全文摘要
本发明涉及一种液体燃料微燃烧器及其设计方法，属于微尺度燃烧技术领域。本发明的目的主要是通过两个预热过程、一个打散液滴过程和一个燃烧过程实现的；具体包括螺旋通道预热器本体、螺旋通道预热器下盖板、螺旋通道预热器上盖板、燃烧室内套管、燃烧室外套管、多孔材料、点火器、点火器引线、进气入口管和排气出口管。本发明具有多重预热方式，减少能量损失，实现稳定燃烧过程；提高燃烧效率，减少污染物排放等优点；把燃料的化学能通过燃烧转化为电能或者动能，以微燃烧器为核心的微能源系统，可作为很有前途的替代电池；同时也可以应用在微型卫星、微型飞行器上作为动力源和电源。
文档编号F23D11/44GK101975397SQ20101029783
公开日2011年2月16日 申请日期2010年9月30日 优先权日2010年9月30日
发明者周昭求, 张鑫, 李军伟, 杨飞, 王宁飞 申请人:北京理工大学