一种具有二重预热结构的微型液体燃烧器及其燃烧方法

技术领域

本发明涉及燃烧装置，尤其涉及一种具有二重预热结构的微型液体燃烧 器及其燃烧方法。

背景技术

近十几年来，随着科学技术的发展，社会各领域对微小型电子机械和设 备的需求急剧增长，这极大推动了科学工作者对微能源系统的研究。就目前 而言，绝大部分的微型动力设备通常由传统的化学电池供能。然而，化学电 池存在能量密度低、体积和重量大、充电时间长，对环境不友好等明显缺点， 已渐渐不满足社会发展的主流需求。而液体碳氢燃料的能量密度能达到目前 普遍使用的锂电池的能量密度的几十倍之高，这使得以碳氢燃料为能源的动 力系统的微型化成为可能，有利于提高微机电系统的集成度；同时液体碳氢 燃料不会造成污染，大大减缓了现代社会的环境压力。因此，基于液体碳氢 燃料的微型能源系统在未来具有广阔的应用前景。而作为微能源系统的核心， 设计出性能优良的微型燃烧器一直是研究热点。

不同于传统燃烧过程，微小尺度燃烧过程所处的有效燃烧空间非常小， 由此带来的面体比相对于常规燃烧器有数十倍之大，因此其热损失显著增加； 其次，尺寸的减小，造成燃料和空气在燃烧器中停留时间缩短，燃料不能充 分燃烧，燃烧过程也可能组织不成功。因此，在微小尺度内实现稳定燃烧和 提高燃烧效率是当前研究重点。然而，目前已实现应用的微型燃烧器多采用 气体燃料。与液体燃料相比，其能量密度低，储存和运输不便。以液体碳氢 为燃料的微型燃烧器具有一定的优势。但液体燃料需要附加的时间和空间来 蒸发和混合，由此带来的燃烧器的结构设计也与气体燃料燃烧器有更大的挑 战。因此，需要一种针对液体燃烧的微型燃烧器，使其可以满足液体燃料的 良好蒸发和同空气的充分混合这两个主要要求。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种具有二重 预热结构的微型液体燃烧器及其燃烧方法，以解决现有燃烧器长期存在液体 燃料在微燃烧器中不易蒸发、燃烧不充分、不稳定、燃烧效率低且容易熄灭 等技术难题。

本发明通过下述技术方案实现：

一种具有二重预热结构的微型液体燃烧器，包括燃烧器外筒本体2、用于 密封燃烧器外筒本体2上下两端的上密封板1和下密封板2；所述燃烧器外筒 本体2下端侧壁开设有排气孔11；

在燃烧器外筒本体2的内部，由外至内依次包括第一套筒6、第二套筒5 和第三套筒3；所述第一套筒6、第二套筒5和第三套筒3的下端均由下密封 板2密封，所述第一套筒6和第三套筒3的上端通过密封顶盖15密封，密封 顶盖15的外表面与上密封板1的内表面之间具有间隙；所述第二套筒5的顶 端与密封顶盖15的内表面之间具有间隙；

在第二套筒5的筒壁上，还设有四块径向贯穿其筒壁的隔板17，该隔板 17的内侧边连接第三套筒3内壁，外侧边连接第一套筒6内壁，上侧边连接 密封顶盖15，下侧边连接下密封板2；该四块隔板17将第一套筒6、第二套 筒5和第三套筒3之间的空间分割成两个相对且独立的空气预热腔、两个相 对且独立的燃料预热腔；

所述空气预热腔以第二套筒5的筒壁为界，分为第一空气预热腔10-1和 第二空气预热腔10-2，该第一空气预热腔10-1和第二空气预热腔10-2的连通， 是通过第二套筒5的顶端与密封顶盖15的内表面之间的间隙实现连通；

所述燃料预热腔以第二套筒5的筒壁为界，分为第一燃料预热腔8-1和第 二燃料预热腔8-2，该第一燃料预热腔8-1和第二燃料预热腔8-2的连通，是 通过第二套筒5的顶端与密封顶盖15的内表面之间的间隙实现连通；

所述第三套筒3的内壁面空间为燃烧室31，第一套筒6的外壁面与燃烧 器外筒本体2内壁面之间的空间为排气通道33；所述燃烧室31与排气通道 33的连通，是通过密封顶盖15的外表面与上密封板1内表面之间的顶层迂回 通道32实现连通；

在第三套筒3底部周壁上，对应于两个空气预热腔的第二空气预热腔 10-2，分别开设有一个燃烧室空气进气口12；在第三套筒3底部周壁上，对 应于两个燃料预热腔的第二燃料预热腔8-2，分别开设有一个燃烧室燃料进气 口9；

在下密封板2上，对应于两个空气预热腔的第一空气预热腔10-1，分别 开设有一个空气入口孔10；在下密封板2上，对应于两个燃料预热腔的第一 燃料预热腔8-1，分别开设有一个燃料入口孔8；

空气由空气入口孔10依次经过第一空气预热腔10-1、第二空气预热腔 10-2、燃烧室空气进气口12后进入燃烧室31，与此同时，燃料由燃料入口孔 8依次经过第一燃料预热腔8-1、第二燃料预热腔8-2、燃烧室燃料进气口9 后进入燃烧室31并与空气进行混合燃烧，燃烧后的废气通过顶层迂回通道32、 排气通道33，最后由总排气孔11排出至燃烧器外筒本体2外部。

空气通过空气入口孔10自下而上进入第一空气预热腔10-1，自上而下进 入第二空气预热腔10-2，自下而上进入燃烧室31，自上而下进入排气通道33； 燃料由燃料入口孔8自下而上进入第一燃料预热腔8-1，自上而下进入第二燃 料预热腔8-2，自下而上进入燃烧室31，自上而下进入排气通道33。

所述燃烧室空气进气口12和燃烧室燃料进气口9，均以切向方向开设在 第三套筒3底部周壁的同一周线上，空气及燃料以切圆的方式进入燃烧室31， 在燃烧室31内混合，并自下而上螺旋上升。

所述燃烧室空气进气口12和空气入口孔10的开设位置，处于一条直径 线上；燃烧室燃料进气口9和燃料入口孔8的开设位置，处于另一条直径线 上；这两条直径线彼此相交。

所述空气入口孔10和燃料入口孔8的直径，小于第二套筒5与第一套筒 6之间的间隙。

所述燃料预热腔的第一燃料预热腔8-1和第二燃料预热腔8-2内，填充有 烧结的多孔材料。

所述燃烧室31的中部设有金属催化网格13，点火器14置于金属催化网 格13的侧上方，点火器14的引线16穿过上密封板1连接外部高压电源；所 述金属催化网格13的表面涂覆Cu-Ni、Pt-Ni或Pt-Cu催化剂。

本发明微型液体燃烧器的燃烧方法如下：

液体碳氢燃料及空气通入燃烧室31内，被点火器14点燃后在金属催化 网格13上方稳定燃烧，燃烧的火焰首先对第三套筒3进行加热，加热后的第 三套筒3逐渐将热能辐射至第一燃料预热腔8-1、第二燃料预热腔8-2、第一 空气预热腔10-1和第二空气预热腔10-2，直至整个微型液体燃烧器被加热； 进而持续对进入空气预热腔内的空气和燃料预热腔内的燃料，在进入燃烧室 31之前分别进行二次预热。所述二次预热过程具体如下：

液体碳氢燃料由燃料入口孔8自下而上进入第一燃料预热腔8-1进行第一 次加热，在第一燃料预热腔8-1内的多孔材料的破碎作用下，液体碳氢燃料完 成第一次破碎，形成被加热的液滴；接着自上而下进入第二燃料预热腔8-2 进行第二次加热，第二燃料预热腔8-2内的多孔材料对第一次加热破碎的液滴 进行第二次加热破碎，使加热后的液滴的粒径进一步减小，并形成燃料蒸汽， 随后通过燃烧室燃料进气口9以切向的方式自下而上进入燃烧室31；

与此同时，空气也通过空气入口孔10自下而上进入第一空气预热腔10-1 进行第一次加热，自上而下进入第二空气预热腔10-2进行第二次加热，随后 通过燃烧室空气进气口12以切向的方式进入燃烧室31，并在金属催化网格 13的下方与燃料蒸汽充分混合，形成气液混合物，进而完成液体碳氢燃料和 空气的二重预热与混合；接着以旋流的方式螺旋上升，经过金属催化网格13 并在其上方稳定燃烧，燃烧后的废气通过顶层迂回通道32、排气通道33，最 后由总排气孔11排出至燃烧器外筒本体2外部；完成整个燃烧过程。

本发明相对于现有技术，至少具有如下的优点及效果：

本发明所述的微型液体燃烧器，采用了在燃烧器外筒本体2内，以逐层 套设的方式设置了第一套筒6、第二套筒5和第三套筒3，并通过隔板17巧 妙的将第一套筒6、第二套筒5和第三套筒3之间的空间分割成两个相对且独 立的空气预热腔和两个相对且独立的燃料预热腔；使空气和燃料在进入燃烧 室31之前即得到了二次逆流预热，大大加强了换热强度，使得空气和燃料在 燃烧前即得到了极其充分的预热，这不仅有利于液体燃料的充分蒸发，使燃 烧过程更加充分、稳定，而且大大提高了燃烧效率。隔板17巧妙之处还在于 增加了本微型液体燃烧器结构的紧凑性和科学性。

本发明所述的微型液体燃烧器，在燃料预热内布置了多孔材料，在高温 以及多孔材料的共同作用下，进一步将液体燃料破碎成更加细小的液滴(或 者雾滴)，可在其温度逐渐升高后促进快速蒸发，使燃烧进一步加强了液体燃 料的充分、稳定和高效率燃烧。

本发明所述的微型液体燃烧器，燃烧室空气进气口12和燃烧室燃料进气 口9，均以切向方向开设在第三套筒3底部周壁的同一周线上，空气及燃料以 切圆的方式进入燃烧室31，在燃烧室31内混合，并自下而上螺旋上升；采用 切向进气，使得燃料蒸汽和空气在燃烧室31相互卷吸，充分的混合，形成强 烈而均匀的旋流混合气体，更进一步的加强了燃烧的稳定性。

本发明所述的微型液体燃烧器，完成燃烧后的废气通过顶层迂回通道32、 排气通道33，最后由总排气孔11排出至燃烧器外筒本体2外部；这一过程中， 经过排气通道33的高温废气，相当于将原本废弃的高温废气再次巧妙的利用， 这不仅相当于对整儿燃烧器增加了一个理想的保温层，而且极大地利用了燃 烧器本身有限的结构空间，使燃烧器的性能发挥至最佳状态；从另一方面来 说这种方式也有效地节约了能源。

本发明所述的微型液体燃烧器，采用金属催化网格表面喷涂了催化剂， 有利于保持燃烧火焰的稳定性以及提高化学反应速度，利于提高燃烧效率。

本发明所述的微型液体燃烧器，实现了结构的微型化，具有技术手段简 便易行，燃烧稳定充分、效率高，且不易熄灭，尤其适用较严酷的外部环境。

附图说明

图1为本发明具有二重预热结构的微型液体燃烧器，沿图2中D-D方向 的剖面示意图。

图2为图1中沿E-E方向的剖面示意图。

图3为图2中沿A-A方向的剖面示意图。

图4为图2中沿B-B方向的剖面示意图。

图5为图2中沿C-C方向的剖面示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步具体详细描述。

实施例

如图1至5所示。本发明公开了一种具有二重预热结构的微型液体燃烧 器，包括燃烧器外筒本体2、用于密封燃烧器外筒本体2上下两端的上密封板 1和下密封板2；所述燃烧器外筒本体2下端侧壁开设有排气孔11；

在燃烧器外筒本体2的内部，由外至内依次包括第一套筒6、第二套筒5 和第三套筒3；所述第一套筒6、第二套筒5和第三套筒3的下端均由下密封 板2密封，所述第一套筒6和第三套筒3的上端通过密封顶盖15密封，密封 顶盖15的外表面与上密封板1的内表面之间具有间隙；所述第二套筒5的顶 端与密封顶盖15的内表面之间具有间隙；所述第三套筒3和第一套筒6的高 度为31mm，厚度为1mm。密封顶盖15的厚度为1mm。

在第二套筒5的筒壁上，还设有四块径向贯穿其筒壁的隔板17，该隔板 17的内侧边连接第三套筒3内壁，外侧边连接第一套筒6内壁，上侧边连接 密封顶盖15，下侧边连接下密封板2；该四块隔板17将第一套筒6、第二套 筒5和第三套筒3之间的空间分割成两个相对且独立的空气预热腔和两个相 对且独立的燃料预热腔；采用这种结构，使空气和燃料在进入燃烧室31之前 即得到了二次逆流预热，大大加强了换热强度，使得空气和燃料在燃烧前即 得到极了充分的预热，这不仅有利于液体燃料的充分蒸发，使燃烧过程更加 充分、稳定，而且大大提高了微结构燃烧器普遍存在的燃烧不稳定、容易熄 灭和燃烧效率低等缺陷。隔板17巧妙之处还在于增加了本微型液体燃烧器结 构的紧凑性和科学性。

所述空气预热腔以第二套筒5的筒壁为界，分为第一空气预热腔10-1和 第二空气预热腔10-2，该第一空气预热腔10-1和第二空气预热腔10-2的连通， 是通过第二套筒5的顶端与密封顶盖15的内表面之间的间隙(2～3mm)实现 连通；

所述燃料预热腔以第二套筒5的筒壁为界，分为第一燃料预热腔8-1和第 二燃料预热腔8-2，该第一燃料预热腔8-1和第二燃料预热腔8-2的连通，是 通过第二套筒5的顶端与密封顶盖15的内表面之间的间隙(2～3mm)实现连 通；

所述第三套筒3的内壁面空间为燃烧室31，第一套筒6的外壁面与燃烧 器外筒本体2内壁面之间的空间为排气通道33；所述燃烧室31与排气通道 33的连通，是通过密封顶盖15的外表面与上密封板1内表面之间的顶层迂回 通道32实现连通；

在第三套筒3底部周壁上，对应于两个空气预热腔的第二空气预热腔 10-2，分别开设有一个燃烧室空气进气口12；在第三套筒3底部周壁上，对 应于两个燃料预热腔的第二燃料预热腔8-2，分别开设有一个燃烧室燃料进气 口9；

在下密封板2上，对应于两个空气预热腔的第一空气预热腔10-1，分别 开设有一个空气入口孔10(直径为1～2mm)；在下密封板2上，对应于两个 燃料预热腔的第一燃料预热腔8-1，分别开设有一个燃料入口孔8(直径为 1～2mm)；

空气由空气入口孔10依次经过第一空气预热腔10-1、第二空气预热腔 10-2、燃烧室空气进气口12后进入燃烧室31，与此同时，燃料由燃料入口孔 8依次经过第一燃料预热腔8-1、第二燃料预热腔8-2、燃烧室燃料进气口9 后进入燃烧室31并与空气进行混合燃烧，燃烧后的废气通过顶层迂回通道32、 排气通道33，最后由总排气孔11排出至燃烧器外筒本体2外部。

空气通过空气入口孔10自下而上进入第一空气预热腔10-1，自上而下进 入第二空气预热腔10-2，自下而上进入燃烧室31，自上而下进入排气通道33； 燃料由燃料入口孔8自下而上进入第一燃料预热腔8-1，自上而下进入第二燃 料预热腔8-2，自下而上进入燃烧室31，自上而下进入排气通道33。

所述燃烧室空气进气口12和燃烧室燃料进气口9，均以切向方向开设在 第三套筒3底部周壁的同一周线上，空气及燃料以切圆的方式进入燃烧室31， 在燃烧室31内混合，并自下而上螺旋上升。切向布置可以使燃料和空气在混 合过程中形成旋流，促进其在燃烧室31内混合均匀。所述燃烧室空气进气口 12和燃烧室燃料进气口9的直径为1～2mm。

所述燃烧室空气进气口12和空气入口孔10的开设位置，处于一条直径 线上；燃烧室燃料进气口9和燃料入口孔8的开设位置，处于另一条直径线 上；这两条直径线彼此相交(最好是彼此垂直)。所述空气入口孔10和燃料 入口孔8的直径，小于第二套筒5与第一套筒6之间的间隙。

所述燃料预热腔的第一燃料预热腔8-1和第二燃料预热腔8-2内，填充有 烧结的多孔材料。在高温以及多孔材料的共同作用下，进一步将液体燃料破 碎成更加细小的液滴(或者雾滴)，可在其温度逐渐升高后促进快速蒸发，使 燃烧进一步加强了液体燃料的充分、稳定和高效率燃烧。多孔材料为具有一 定透气率的性能优良的烧结材料，本发明使用SiC烧结材料，透气率为37％， 其作用为破碎液滴，促进液体燃料的蒸发。

所述燃烧室31的中部(偏下)设有金属催化网格13，点火器14置于金 属催化网格13的侧上方，点火器14的引线16穿过上密封板1连接外部高压 电源；所述金属催化网格13的表面涂覆Cu-Ni、Pt-Ni或Pt-Cu催化剂。

该金属催化网格13的厚度为0.5mm，直径10mm，网格密度为120孔/cm²， 催化网格可以使燃烧火焰保持稳定，并加快化学反应速度。

上密封板1和下密封板2均为圆形，采用低导热系数、耐高温的陶瓷材 料，直径为36mm，厚度为2mm。其上开有1mm小孔，用于点火器14的引 线16穿出。

该微型液体燃烧器的燃烧方法，可通过如下步骤实现：

液体碳氢燃料及空气通入燃烧室31内，被点火器14点燃后在金属催化 网格13上方稳定燃烧，燃烧的火焰首先对第三套筒3进行加热，加热后的第 三套筒3逐渐将热能辐射至第一燃料预热腔8-1、第二燃料预热腔8-2、第一 空气预热腔10-1和第二空气预热腔10-2，直至整个微型液体燃烧器被加热； 进而持续对进入空气预热腔内的空气和燃料预热腔内的燃料，在进入燃烧室 31之前分别进行二次预热。

二次预热过程具体如下：

液体碳氢燃料由燃料入口孔8自下而上进入第一燃料预热腔8-1进行第一 次加热，在第一燃料预热腔8-1内的多孔材料的破碎作用下，液体碳氢燃料完 成第一次破碎，形成被加热的液滴；接着自上而下进入第二燃料预热腔8-2 进行第二次加热，第二燃料预热腔8-2内的多孔材料对第一次加热破碎的液滴 进行第二次加热破碎，使加热后的液滴的粒径进一步减小，并形成燃料蒸汽， 随后通过燃烧室燃料进气口9以切向的方式自下而上进入燃烧室31；

与此同时，空气也通过空气入口孔10自下而上进入第一空气预热腔10-1 进行第一次加热，自上而下进入第二空气预热腔10-2进行第二次加热，随后 通过燃烧室空气进气口12以切向的方式进入燃烧室31，并在金属催化网格 13的下方与燃料蒸汽充分混合，形成气液混合物，进而完成液体碳氢燃料和 空气的二重预热与混合；接着以旋流的方式螺旋上升，经过金属催化网格13 并在其上方稳定燃烧，燃烧后的废气通过顶层迂回通道32、排气通道33，最 后由总排气孔11排出至燃烧器外筒本体2外部；完成整个燃烧过程。

如上所述，便可较好地实现本发明。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他任何未背离本发明精 神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换 方式，都包含在本发明的保护范围之内。