一种微小型尾气再循环式燃烧器的制作方法

本发明属于微尺度燃烧技术领域，更具体的，涉及一种微小型尾气再循环式燃烧器。

背景技术：

随着微机电系统(mems)技术的快速发展，不断涌现出了许多微小型装置和系统，如微型卫星、微型机器人、微型推进系统等微小型电子设备。目前，这些设备的能量来源主要是化学电池，然而化学电池的能量密度比较低，体积和重量也较大。烃类燃料相对于化学电池来说有高出几十倍的能量密度优势，如典型液体碳氢化合物燃料的能量密度约为45mj/kg，而最好的锂电池的能量密度约为1.2mj/kg。因此，开发基于燃烧的微小动力装置具有非常巨大的应用前景。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、微热光伏系统和微热电系统等，其中燃烧器是微小型动力系统的关键部件。

基于燃烧的微型能源与动力系统中，热光伏(tpv)技术是两种最常见的将燃烧过程产生的热能转换能电能的方法之一。对于当今的热光伏(tpv)系统，为了充分利用燃烧释放的热量，往往将燃烧室设计为圆柱形。根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律，物体表面的热辐射强度和其绝对温度的四次方成正比，因此，提高外壁面温度水平能有效改善热光伏系统的整体效率。

燃烧过程产生的污染物排放也是值得关注的一个重要方面。nox是碳氢化合物与空气发生燃烧反应时最常见的污染物之一。研究表明，当燃烧温度高于1800k时，生成速度就变得明显，随着温度升高，热力型nox生成量急剧增加，较高的壁温需求使得燃烧的火焰温度随之升高，使得产生的nox量急剧增加。

然而，进一步的研究表明，上述现有方案仍存在以下的缺陷或不足：首先现有的技术对提高微燃烧器的壁面温度作用有限，其次，目前国内外学者对于微小尺度燃烧过程中nox排放的控制还未引起关注，也未针对微小尺度燃烧过程中降低nox排放采取相关手段，同时，这类设备在实际运用中未能充分考虑热循环与散热损失之间的协调问题，并导致燃烧效率和稳燃范围提升受到一定限制。相应地，本领域亟需对此做出进一步的研究和改进，以便更好地满足现代化生产中的更高要求。

技术实现要素：

针对现有技术的以上改进需求，本发明提供了一种微小型尾气再循环式燃烧器，利用高速射流产生的负压将燃烧尾气的一部分吸入未燃气体侧，可以降低火焰温度，减少nox生成，同时，高温燃烧产物流经回流通道，能大大提高外壁面温度，提高能量利用效率。

为实现上述目的，本发明提出了一种微小型尾气再循环式燃烧器，其特征在于，包括均为圆柱形的且同轴布置的第一侧壁和第二侧壁，所述第二侧壁设于所述第一侧壁的空腔内，并与所述第一侧壁的一端相连；

所述第一侧壁和第二侧壁连接的一端设有尾气出口，所述第一侧壁未所述第二侧壁连接的一端设有高速射流喷嘴；

所述第二侧壁内的空腔构成所述燃烧器的燃烧通道，所述第一侧壁与所述第二侧壁之间的空腔构成尾气回流通道，且所述高速射流喷嘴、燃烧通道和尾气回流通道依次相连通，所述尾气出口、燃烧通道和尾气回流通道依次相连通；以此方式，燃烧混合气通过高速射流喷嘴进入燃烧通道并在燃烧通道内燃烧产生高温气体，在压力差的作用下，高温气体一部分通过尾气回流通道返回至燃烧通道，并在燃烧通道内实现下一循环的燃烧。

进一步的，所述燃烧通道的直径不大于尾气出口直径。

进一步的，所述第一侧壁与所述第二侧壁连接的地方设有多个用于连通尾气回流通道和尾气出口的通孔。

进一步的，所述燃烧通道和尾气出口的中心轴共线。

进一步的，所述高速射流喷嘴的直径为0.1mm～0.5mm，优选的，所述高速射流喷嘴的直径为0.25mm。

进一步的，所述燃烧通道的直径为1mm～6mm，优选的，所述燃烧通道的直径为3mm。

进一步的，所述尾气回流通道的直径为2mm～8mm，优选的，所述尾气回流通道的直径为5mm。

进一步的，所述燃烧通道与所述燃烧器的整体长度的比值优选的为1:2；所述尾气回流通道与所述燃烧器的整体长度的比值优选的为1:2。

进一步的，所述燃烧器采用不锈钢、铜、碳化硅、石英玻璃等耐高温材料制成。

进一步的，所述高速射流喷嘴处的气流速度不小于10m/s。

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，主要具备以下的技术优点：

(1)本发明通过结合微小型动力装置自身的应用特点，首先将整体燃烧器的壁面设计为双层结构，并通过双层壁面结构构建本发明的燃烧通道和尾气回流通道，且结合高速射流喷嘴与相应的燃烧通道直径配合设计，以实现高速射流产生的负压将燃烧尾气的一部分吸入未燃气体侧，一方面能够降低燃烧通道内的火焰温度，减少nox生成，另一方面，高温燃烧产物流经尾气回流通道，能大大提高外壁面温度，提高能量利用效率，因此本发明能够更好地解决微小型燃烧器在提高壁面温度与减少nox生成之间的协调问题。

(2)本发明高速射流喷嘴与燃烧通道的直径配合设计，相应的，高速射流喷嘴的直径为0.1mm～0.5mm，远小于燃烧通道的直径(为1mm～6mm)，以此方式，尾气直接由入口射流产生的负压吸入，进而在燃烧通道内产生的高温燃烧气体的一部分通过尾气回流通道返回至高速射流喷嘴附近，并在燃烧室内与未燃来流气体混合、并发生燃烧，以达成尾气再循环的功能，不需要额外的引风机来强制实现废气再循环，使得整个系统更简单，成本更低。

(3)本发明创造性的将一部分通过尾气回流通道返回至高速射流喷嘴附近，尾气回流通道中的气流逆向流动，由此可以达到良好的热循环作用，并提高第一侧壁的温度。

(4)本发明利用高速射流喷嘴出气形成的负压自动将部分燃烧尾气引至未燃气体附近，在入口附近与未燃气相混合，可以有效降低火焰温度和nox排放，燃烧废气内污染物浓度低。

(5)本发明高速射流喷嘴处燃烧气体的流速不小于10m/s，可以有效防止回火。

(6)本发明的主要热输出表面为圆柱形，能充分利用外壁面的热辐射，更加适用于热光伏系统。

(7)本发明的各通道呈套管式结构，便于加工成型。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种微小型尾气再循环式燃烧器的半剖二维结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种微小型尾气再循环式燃烧器的三维结构示意图；

图3是作为本发明对照的传统无尾气再循环的燃烧器的半剖二维结构示意图；

图4是本发明实施例中不同进口质量流量条件下有尾气再循环和无尾气再循环燃烧器的外壁面平均温度；

图5是本发明实施例中不同进口质量流量条件下有尾气再循环和无尾气再循环的燃烧通道内的热效率；

图6是本发明实施例中不同进口质量流量条件下有尾气再循环和无尾气再循环的燃烧器出口的火焰温度；

图7是本发明实施例中不同进口质量流量条件下有尾气再循环和无尾气再循环燃烧器内的no平均质量分数。

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-高速射流喷嘴、2-燃烧通道、3-尾气回流通道、4-尾气出口、5-第一侧壁、6-第二侧壁。

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。

如图1和图2所示，本发明一种微小型尾气再循环式燃烧器，包括均为圆柱形的第一侧壁5和第二侧壁6，所述第一侧壁5和第二侧壁6同轴布置且固定连接，所述第二侧壁6设于所述第一侧壁5的空腔内；所述第一侧壁5不与所述第二侧壁6连接的一端设有高速射流喷嘴1，所述第一侧壁5与所述第二侧壁6连接的一端设有尾气出口4，所述第二侧壁6内的空腔构成所述燃烧器的燃烧通道2，所述第一侧壁5与所述第二侧壁6之间的空腔构成尾气回流通道3，且所述高速射流喷嘴1、燃烧通道2和尾气回流通道3依次相连通，所述尾气出口4、燃烧通道2和尾气回流通道3依次相连通；以此方式，燃烧混合气通过高速射流喷嘴1进入燃烧通道2并在燃烧通道2内燃烧产生高温气体，在负压作用下，高温气体一部分通过尾气回流通道3返回至燃烧通道2，并在燃烧通道2内实现下一循环的燃烧。

本发明中，高速射流喷嘴1处燃烧气体的流速不小于10m/s，进而此处的压强就相对较小，当此处压强小于尾部燃烧后的尾气出口4处的压强时，就会在回流通道发生回流，回流的尾气在尾气回流通道3中与第一侧壁5进行热交换，将燃烧释放的热量部分传递给第一侧壁5，接着回流至燃烧通道2，进行下一循环的燃烧。回流的尾气一方面能提高未燃气体的温度，另一方面，回流尾气中的燃烧产物可以有效降低火焰温度，从而减少nox的排放。(燃烧产物降低火焰温度：①燃烧产物不参与反应，但可以吸收部分燃烧释放的热量，相当于增大气体的热容，降低火焰温度。②从化学反应来讲，燃烧产物可以减缓各种自由基的生成，减慢燃烧反应，降低火焰温度。)

具体而言，本发明实施例提供的微小型尾气再循环式燃烧器，整个燃烧器本体呈圆柱形。燃料和氧化剂提前在一定当量比下预先混合，并通过高速射流喷嘴以较高的速度进入燃烧通道。由于高速气流产生的负压，在燃烧通道内产生的高温燃烧气体的一部分通过尾气回流通道返回至高速射流喷嘴附近，并在燃烧室内与未燃来流气体混合、并发生燃烧。其中，燃烧器材料可以选择如石英、碳化硅、氮化硅、不锈钢等耐高温材料。

本发明提供的微小型燃烧器本体呈圆柱形，整个燃烧器可使用3d打印技术打印而成，或分为内外两部分进行车削并焊接而成。该燃烧器本体包括高速射流喷嘴1、燃烧通道2、尾气回流通道3和尾气出口4、第一侧壁5和第二侧壁6。其中，所述高速射流喷嘴1与燃烧通道2和尾气回流通道3相连通且尾气回流通道3位于燃烧通道2外侧。所述尾气出口4与燃烧通道2和尾气回流通道3相连通。所述高速射流喷嘴1利用高速气流产生的负压将燃烧通道2后的部分尾气通过尾气回流通道3再次引流至未燃气体侧，以达成尾气再循环的功能。尾气回流通道3中的气流逆向流动，由此可以达到良好的热循环作用，并提高第一侧壁5的温度。回流的尾气与未燃气一同燃烧，可有效降低火焰温度，降低nox产生速率。

由于本发明提高了第一侧壁5的平均温度，且产生的nox量极大地低于无尾气再循环的燃烧器，非常适合为微型热电装置或者热光伏系统提供热源，也适合作为微小型加热器。

具体的，高速射流喷嘴1直径远小于燃烧通道2直径，高速射流喷嘴1的直径为0.1mm～0.5mm，优选的，高速射流喷嘴1的直径为0.25mm。燃烧通道2直径优选为1mm～6mm，优选的，燃烧通道2的直径为3mm，尾气出口4的直径优选为1mm～8mm。尾气回流通道3位于燃烧通道2外侧，其最外侧直径优选为2mm～8mm，即第一侧壁5的直径为2mm～8mm，优选的，所述第一侧壁5的直径为5mm。整个燃烧器长度为燃烧通道2和尾气回流通道3的两倍，一般的，整个燃烧器长度优选为10mm～100mm。燃烧通道2和尾气回流通道3长度优选为5mm～50mm。燃烧器整体直径优选为3mm～10mm。通过改变各通道长度、通道直径、高速射流喷嘴直径、燃烧器整体直径，可进一步提高燃烧热效率以及外壁面平均温度。

以下为具体实施例：

本实施例采用氢气为燃料，空气为氧化剂，高速射流喷嘴1直径为0.2mm，长度为0.5mm；燃烧通道2和尾气出口4直径相同，均为1mm；尾气回流通道3外侧直径为2mm，内侧直径为1.4mm，燃烧通道外壁厚0.2mm；整个燃烧器直径2.4mm，长度10mm；尾气回流3长度6mm。整个燃烧器如图1所示，采用sus316材料制成，其常温下的密度、比热容、导热系数和法向发射率分别为7980kg/m³、502j/(kg·k)、16.2w/(m²·k)和0.65。另外设置一无尾气再循环的对照组，如图3所示，仅仅将高速射流喷嘴直径改为1mm，其余参数不变。对照组由于喷嘴直径的增大5倍，在进气流量相同的情况下，入口速度将下降到原来的1/25，因此，产生不了尾气再循环效果。应用通用的cfd计算软件fluent15.0，对燃烧器在不同工况下的燃烧特性进行了数值模拟，结果如图4、图5、图6和图7所示，其中横坐标为当量比1时，燃料/空气混合物的入口质量流量。

图4给出了有尾气再循环(本发明)和无尾气再循环(对照组)的燃烧器内，在氢气当量比为1，进口质量流量为8.04kg/s、1.07kg/s、1.34kg/s、1.61kg/s和1.87kg/s时(对应有尾气再循环的燃烧器平均进气速度30m/s、40m/s、50m/s、60m/s和70m/s)，有尾气再循环和无尾气再循环燃烧器的外壁面平均温度。从图4可以明显看出，在各燃料进口质量流量下，有尾气再循环的燃烧器外壁面温度均高于无尾气再循环的燃烧器50k左右。且本发明中外壁面温度可以上升到较高的温度，在qiu和hayden等人(qiuk,haydenacs.integratedthermoelectricgeneratorandapplicationtoself-poweredheatingsystems[c]//thermoelectrics,2006.ict'06.25thinternationalconferenceon.ieee,2006:198-203.)设计的热电装置中，燃烧器壁面的温度也在800k～1000k范围内，由此可见本发明可以很好的适用于各种热电装置。

图5给出了这两种燃烧器在上述进口质量流量下的燃烧热效率，此处假设火焰传递到外壁面的热量均为有效热。从图5可以明显看出，由于外壁面温度的升高，有尾气再循环燃烧器的热效率要明显大于无尾气再循环燃烧器的热效率，特别是在进口质量流量低的场合，效率提高了15％以上。

图6给出了这两种燃烧器在上述进口质量流量下的火焰温度。可以看到，尾气再循环可以有效降低燃烧的火焰温度，相比于无尾气再循环的燃烧器，火焰温度降低了300k左右。

图7给出了这两种燃烧器在上述进口质量流量下的出口no质量分数。由于燃烧产生的氮氧化物主要是no，占nox生成总量的95％以上，因此此处主要对比燃烧过程中no的排放。从图7中可以明显看出，由于尾气再循环大大降低了火焰温度，使得尾气的no浓度降低了2个数量级以上，极大地减少了污染物排放。同时本发明为圆柱体结构，能充分利用壁面的辐射热，也易于贴合各种热光伏装置。

本发明利用高速射流喷嘴出气形成的负压自动将部分燃烧尾气引至未燃气体附近，在入口附近与未燃气相混合，可以有效降低火焰温度和nox排放，并提高第一侧壁的温度。本发明具有火焰温度低、外壁面温度高、能量利用率高、nox产生少等优点，可适合于各种基于燃烧的微小型热光伏系统和热电系统，也可以直接作为热源使用。

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。