一种内置挡板式微型燃烧器

技术领域

本发明属于能源利用领域，具体涉及到微型动力机电系统所用微尺度燃烧器的开发技术， 特指一种内置挡板式的微型燃烧器。

背景技术

近年来，微型动力系统凭借其能量密度高、工作寿命长、易维护以及污染小等一系列优 点，而越来越引起众多国内外研究人员的关注。该类装置能够将碳氢燃料的化学能通过燃烧 的方式转换为热能，并依靠各种能量转换方式为微型机电系统提供动力或电能。作为一种典 型的微型动力装置，微型热光电系统结构更为简单，且没有运动部件，在众多微型动力装置 中，其优势也比较明显。该系统利用碳氢燃料在微型燃烧器内燃烧所产生的热能对燃烧器外 壁面进行加热，然后高温壁面辐射出一定数目的光子，撞击光电池表面后，从而产生电能。

但是，受限于微尺度燃烧过程中燃料驻留时间短、大面容比造成热损失过大等因素的制 约，该装置的能量转换效率还不够高，目前仍无法运用到实际工程中。作为微型热光电系统 的核心部件，微型燃烧器结构的设计不仅影响到内部混合气是否能充分稳定燃烧，而且也会 因燃烧效果的好坏显著影响燃烧器外壁面的温度分布状况，进而影响系统的电能输出。考虑 到跟光伏电池的空间匹配性，通常该类微型燃烧器采用的均为圆柱型和平板型外观结构、内 部整体呈圆管或矩形通道的型式。

近年来，为提高燃烧器的工作表现，研究人员针对其工作原理设计出了多种优化的内部 结构型式。例如，中国专利CN200810123660.3公开了一种用于微型热光电系统的高效多孔介 质燃烧器、中国专利CN201110132029.1公开了一种基于碳氢燃料的双喷口平板式微燃烧室以 及中国专利CN201310540863.3公开了一种填充多孔介质的双向进气回热型微尺度燃烧器， 上述公开的各种燃烧器，通过在进气方式、内部流通截面上的合理设计，在一定程度上起到 了延长燃料驻留时间、提高微尺度状态下燃烧效果的作用，但却忽略了更多的燃料化学能能 够被燃烧器壁面所吸收以及更高壁面温度的获取。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种不仅能够实现高效稳定燃烧，而且壁面辐 射能输出量相对较高的内置错列挡板的平板式微型燃烧器。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种内置挡板式微型燃烧器，其特征在于，所述燃烧器包括燃烧器壁、中间挡板、壁面挡 板、进气端和出气端，所述燃烧器壁分为上下两壁和前后两壁；

所述燃烧器两端分别设有进气端和出气端，所述燃烧器内部设有中间挡板和壁面挡板， 所述中间挡板和所述壁面挡板均为实心长方体、且相互平行，所述燃烧器内壁设有多组壁面 挡板，每一组壁面挡板由位于上下两壁的壁面挡板构成，所述上下两壁的壁面挡板之间形成 通道，所述进气端与第一组所述壁面挡板之间、相邻两组所述壁面挡板之间均设有中间挡板， 所述中间挡板固定于所述燃烧器内部前后两壁，所述中间挡板与所述上下两壁壁面挡板之间 形成的通道的位置相对应。

进一步，位于所述燃烧器上下两壁的壁面挡板位置相对应，所述壁面挡板共有五组。

进一步，所述中间挡板与所述上下两壁壁面挡板之间形成的通道的形状相对应，所述中 间挡板共有五块。

进一步，任意所述中间挡板与相邻的一组壁面挡板距离相等。

在上述方案中，所述燃烧器的材质为316不锈钢。

该装置在工作过程中，燃料和氧化剂经充分预混后，将首先由燃烧器的进口端通入其内 部空间，在各挡板之间的间隙中实现稳定燃烧，同时完成与燃烧器内壁以及挡板间的热量传 递过程，生成的燃烧产物则经燃烧器另一端的出口排出装置外。

本发明的有益效果：

(1)设置挡板后，混合气与燃烧器内壁间对流换热的接触面积将有所增加；挡板的存在， 增强了混合气在通道内的扰动和冲刷程度，并使得驻留时间得到延长，从而可促使高温混合 气同固体壁面间的对流换热系数得以大幅提高。

(2)中间挡板和壁面挡板交错布置的方式，不仅增加了高温生成物与燃烧器内壁的接触 面积，而且可以通过内部扰动的增强达到提高对流换热系数的效果，甚至可以起到固定燃烧 火焰位置的作用；

(3)首块中间挡板还能承担起“钝体”的角色，对于甲烷丙烷等燃料能起到固定火焰位 置的作用。

因此，在这三方面的综合作用下，不仅提高了微尺度条件下燃烧过程的稳定性和燃料的 适用性，而且通过对流换热过程的强化保证了更多的热量被固体壁面所吸收，保证了更多的 燃烧化学能转化为燃烧器外壁面的辐射能，这必将带来燃烧器外壁面辐射能输出总量的增加， 从而对微型热光电系统的工作效率和功率密度的提高产生了积极的促进作用。

附图说明

图1为本发明所述内置挡板式微型燃烧器的结构示意图。

附图标记说明如下：

1、燃烧器壁，2、燃烧区，3、中间挡板，4、壁面挡板，5、进气端，6、出气端。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于 此。

如图1所示的内置挡板式微型燃烧器，所述内置错列挡板式微型燃烧器采用316不锈钢 制成，外观呈长方体结构。316不锈钢材料可适应机械、线切割、电火花等多种加工方式， 同时还能承受2000℃以上的高温；在高温状态下，表面发射率可达到0.7左右，能够满足微 型热光电系统工作过程中的辐射能输出要求。加工时，首先通过线切割的方法从316不锈钢 原料上产生一个矩形金属块，其外观尺寸分别为：长度24mm(x方向)、宽度12mm(y 方向)、高度为3mm(z方向)。接着，通过线切割的方法在矩形块内部中心形成一个左右 开口、截面为矩形的直通道，其三个方向的尺寸分别为24mm 11mm 1mm，此时燃烧器 的壁面厚度在高度方向(z方向)为1mm，在宽度方向(y方向)则为0.5mm。然后，采用 电火花的方法沿上下内壁面进行加工，形成五组共十块壁面挡板4、燃烧器的进气端5和出 气端6以及厚度为0.5mm的燃烧器外壁面1；进、出气端的矩形截面高度为2mm，宽度为 11mm；壁面挡板4三个方向的尺寸分别为0.5mm 11mm 0.5mm，每组挡板的间距为4 mm，其中第一组壁面挡板的前端距离进气口的位置则为6mm。随后，采用线切割的加工方 法，在燃烧器的两个侧壁上对称的形成五组共十个0.5mm长(x方向)、0.5mm宽(y方向)、 1mm高(z方向)的方通孔，从而为五个中间挡板3的插入提供准确的位置空间；第一组对 称通孔的前端距离燃烧器的开口端的尺寸为4mm，后一组通孔与前一组的间距也为4mm。 最后，加工出五个尺寸为0.5mm 12mm 1mm、材质同样为316不锈钢的中间挡板3，并 将其分别插入每一组通孔内，再用激光焊接的方法实现中间挡板3和燃烧器壁面1的无缝固 定连接。至此，一个内置错列挡板的平板式直通道微型燃烧器的最终形成，中间挡板3和壁 面挡板4交错的排列在直通道的中间和上下壁面处，彼此的距离均为2mm，通道内挡板以外 的区域则形成混合气流动与燃烧区2。

该燃烧器具有较好的燃料适用性，可以选择易于着火的氢气作为燃料，也可用于甲烷丙 烷等尺度极限较大的燃料的燃烧过程。工作时，从高压气瓶出来的燃料和氧化剂经减压阀减 压后，在混合器中充分混合后形成预混合气，并经铜质喷嘴以及特制连接器导入该微型燃烧 器中。混合气从进气端5进入燃烧器并达到着火条件后，在燃烧区2中实现稳定燃烧；高温 燃烧产物在流动过程中不断地将热量释放给燃烧器内壁和挡板，最终从出气端6排至燃烧器 以外的环境中。

相关CFD软件的数值模拟结果表明，预混合气在内置挡板式微型燃烧器中能够实现高效 稳定的燃烧，并且具有更为宽广的可燃流量范围；相比同样外观尺寸没有挡板的直通燃烧器， 燃烧器外壁面的温度能够提高100-200K，这也充分彰显了内置挡板式微型燃烧器较好的实施 效果。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但本发明并不限于上述实施方式，在不背离本 发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均 属于本发明的保护范围。