专利名称：一种微小型扩散燃烧器的制作方法
技术领域：
本发明属于两相气体扩散燃烧的技术领域，特指为微小型动力装置提供热源或高 温气源的燃烧器。
背景技术：
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 发电系统和微热电系统，等等。其中，燃烧器是微小型动力系统的关键部件。根据燃料和空气在进入燃烧室之前的混合状态，燃烧可分为预混燃烧和扩散燃 烧。由于微小型燃烧器是应用于为各种便携式设备提供动力的微小型动力系统中，因此，安 全性是一个应当首先考虑的重要问题。为了防止燃烧室发生回火的危险，可以采取燃料和 空气非预混的扩散燃烧方式。但是由此会带来一个问题，那就是燃料和空气如何在非常短 的时间内充分混合，否则会导致火焰不稳定、反应不充分、燃烧效率低下。例如，Ju等人以及 Miesse等人在扩散燃烧的微小型燃烧室内发现了所谓的“火焰街”，即多个小火焰沿着燃烧 室入口到出口分散分布的现象，他们认为这是由于燃料和空气混合不充分而引起的。除了 混合问题外，对于采用扩散燃烧的微小型燃烧器，同样还需要考虑所有微小型燃烧器所面 临的共性问题，即由于壁面热损失太大而导致火焰稳定性变差的问题。针对微小型燃烧器中燃料和空气之间的混合问题，研究者们分别提出了主动式和 被动式的强化混合方案。其中，主动式强化混合方案需要设置额外的致动器，使得系统变得 复杂而很少得到采用。被动式强化混合方案只需依靠结构上的优化设计来解决这一问题， 因而使用较广。例如，美国马里兰大学的研究小组设计了一种结构其中空气流道水平布 置，燃料流道与之垂直。当空气沿着水平方向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，以此来加强两种不同气体之间的混合。然而，利用引射作用来混合 会带来两个问题一是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； 二是在引射方式下难以定量控制空燃比。另外一方面，为了提高微小型燃烧器中的火焰稳定性，大多数研究者均采用热循 环的方法。如Rormey、Maruta和钟北京等人采用所谓的“瑞士卷(Swiss-Roll) ”结构。然 而，这种燃烧器结构过于复杂，导致加工困难和高的制作成本。此外，新加坡的研究小组则开 发了带台阶的突扩型微小型燃烧器来稳定火焰，但是台阶的存在降低了燃烧器的紧凑性。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种混合效果好、稳燃范围宽和燃烧效率高的微小型扩散燃烧器。本发明提供的微小型扩散燃烧器，其特征在于，在耐高温的基体上加工有燃料通 道、空气通道和燃烧室，燃料通道和空气通道的出口端与燃烧室的入口连通，燃料通道、空 气通道和燃烧室呈Y型布置，在燃烧室的入口处放置有多孔介质。本发明的优点在于燃料通道和空气通道对称地分布在燃烧室的两侧，三者呈Y 型结构。此外，在燃烧室入口端安装有高孔隙率、耐高温的多孔介质。这种结构具有如下 优点(1)燃料和空气的速度可以分别加以控制，保证获得想要的空燃比的混合物。(2)燃 料通道和空气通道之间的夹角可以进行优化设计，保证两种流体通过适度的碰撞来初步混 合。(3)多孔介质能起到多重作用。它既能抑制两股流体碰撞时产生的脉动，保证燃料和空 气在此进一步充分混合，同时又能起到对气体预热的作用。此外，其本身还可以是多孔型催 化剂。由此可见，本发明克服了现有技术的不足，既能实现燃料和空气之间的充分混合，又 可以利用多孔介质的加热作用来预热气体，以及催化型多孔介质来降低点火所需能量、缩 短着火延迟时间、提高燃烧效率。因此，本发明能够有效提高微小型扩散燃烧器中的火焰稳 定性和燃烧效率，广泛适用于各种微型动力系统。
图1是本发明结构示意图其中1.燃料通道，2.空气通道，3.燃烧室，4.多孔介质图2是本发明实施例的多孔介质(烧结金属镍)的200倍和3000倍的扫描电镜图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例更加详细地说明本发明，但以下实施例仅是说明性的，本 发明的保护范围并不受这些实施例的限制。如图1所示本发明的基本结构是在耐高温的基体上加工有燃料通道1，空气通 道2和燃烧室3。燃料通道1和空气通道2的出口端与燃烧室3的入口连通。燃料通道1， 空气通道2和燃烧室3呈Y型布置，这样有利于两种气体进行初步混合。在燃烧室3的入 口处放置有多孔介质4，多孔介质本身可以是催化剂(如由微纤型的烧结镍(Ni)包结在钼 /氧化铝(PVAl2O3)细粒子外面所形成的复合材料催化剂)，也可以不是催化剂。多孔介质 能起到对气体预热的作用。燃料和空气分别从各自的进气口进入微燃烧室，在入口进行初步混合，然后在多 孔介质内进一步充分混合以及对流体脉动进行抑制，随即点火燃烧，高温烟气由燃烧室出 口排出，可以用来为微型热电装置或者热光伏系统提供热源，也可作为微型推进系统的高 温燃气，通过后续的喷管来产生推力。为了更进一步提高燃料与空气之间的混合效果，燃料通道和空气通道之间的夹角 最好为30 60°。实例采用甲烷气体为燃料。两个进气通道的宽度为2mm，高度为2mm，夹角为45度，燃 烧室宽度为4mm，长度为30mm，高度为2mm。基体材料采用耐高温的碳化硅陶瓷，其密度、导热系数和法向发射率分别为3100kg/m3，92W/(m2K)和0. 77。多孔介质采用镍粉在700°C下 烧结而成，其放大200倍和3000倍的扫描电镜图如图2所示。应用通用的CFD计算软件 Fluent，对不同空燃比工况下的混合和燃烧进行了数值模拟，结果表明本发明对于燃料和 空气的混合效果好，火焰稳定范围宽，燃烧效率高。 以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所 公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保 护的范围。
权利要求
1.一种微小型扩散燃烧器，其特征在于，在基体上加工有燃料通道(1)，空气通道(2) 和燃烧室(3)，燃料通道(1)和空气通道(2)的出口端与燃烧室(3)的入口连通，燃料通道 (1)、空气通道(2)和燃烧室(3)呈Y型布置，在燃烧室(3)的入口处放置有多孔介质(4)。
2.根据权利要求1所述的微小型燃烧器，其特征在于，燃料通道(1)和空气通道(2)之 间的夹角为30 60°。
3.根据权利要求1所述的微小型燃烧器，其特征在于，多孔介质为催化剂。
全文摘要
本发明公开了一种微小型扩散燃烧器，结构为在基体上加工有燃料通道、空气通道和燃烧室，燃料通道和空气通道的出口端与燃烧室的入口连通，燃料通道、空气通道和燃烧室呈Y型布置，在燃烧室的入口处放置有多孔介质。燃料和空气从呈Y型的两个进气流道进入燃烧室，经过初步混合后，在燃烧室内填充多孔介质的部分充分混合并被点燃，燃烧产物通过燃烧室出口排出。本发明既利用了进气流道的Y型设计对燃料和空气的初步混合，也利用多孔介质来进一步充分混合燃料和空气。多孔介质也能起到预热和催化作用。本发明能够有效实现燃料和空气的充分混合、并且易于点火、燃烧效率高，能广泛适用于各种微型动力系统。
文档编号F23D14/02GK102135272SQ20111005717
公开日2011年7月27日 申请日期2011年3月9日 优先权日2011年3月9日
发明者刘伟, 刘思远, 张若昀, 杨金国, 范爱武 申请人:华中科技大学