多孔介质回热型微燃烧器内耦合燃烧机理的研究结题摘要

作为一种典型的微型动力装置，微型热光电系统结构相对简单、没有运动部件、制造装配也容易，故优势相对其他装置也较为明显。微型燃烧器是该系统最为重要的部件，它的设计好坏不仅会对内部燃烧过程的稳定性造成影响，而且其外壁面的温度分布状况还会直接影响到系统的输出性能。为此，本项目提出了一种平板式多孔介质回热型微燃烧器的设计思路，并结合实验测试和数值模拟的方法，对其燃烧特征和强化作用机理展开了研究。按照计划任务书，首先，选用氢气、甲烷和丙烷这三种常见的碳氢燃料，对比了它们在平板式直通道微型燃烧器内火焰位置、化学能的利用程度、燃烧极限等方面的差异。随后，针对直通道燃烧器的不足，设计并加工了多种结构的回热型微燃烧器。通过测试结果的对比获得了最佳结构型式，并揭示了该燃烧器在提高火焰温度、固定火焰位置等方面的作用机理，获取了混合气流量、当量比等最佳运行条件，以及隔板长度等最佳结构参数。最后，为了进一步提高回热型燃烧器的工作性能，我们在进气通道内填充了多孔介质，并分析了多孔介质在延长驻留时间、提高化学能利用率等方面的促进作用。在本课题的开展过程中，除回热型燃烧器外，我们还设计了多种其它的优化结构型式（如内置十字隔板的微型燃烧器等），分析了各自的燃烧特性和工作表现。此外，针对针对甲烷（丙烷）/空气预混气体在微通道内燃烧困难以及可燃流速范围过窄的问题，还提出了在混合气中掺杂少量氢气的燃料设计方案，并分析了具体的实施效果。项目执行期间，共发表学术论文14篇，其中SCI检索论文6篇，EI检索论文4篇；申请国家发明专利14项，其中1项已获得授权；参加国内外学术会议3次。

针对微型热光电系统整体转化效率和功率输出尚不够高的问题，本项目以一种新型的填充多孔介质的微尺度平板式回热燃烧器作为研究对象，采用理论分析、实验测试和数值模拟相结合的方法，对其燃烧特征和强化作用机理进行研究。具体包括：采用有无多孔介质的两种平板式回热型燃烧器，利用PLIF、红外热像和高速摄影等技术进行燃烧极限、火焰特性的对比实验，并结合考虑多孔介质蓄热辐射效应的数值模拟计算结果，详细揭示微尺度多孔介质促进作用下回热燃烧方式的耦合作用机理；掌握重要结构和运行参数对新型燃烧器燃烧状况和壁面辐射效应的影响规律，获得适用于微型热光电系统工作的燃烧器最佳反应条件；通过对系统整体封装、电池实际冷却和背面反射的综合考虑，建立更为精确的系统能量转换计算模型，以更深入地阐述填充多孔介质的回热燃烧方式对系统工作性能提升的作用。相关研究成果将丰富微尺度燃烧的强化机理，并为该系统尽早得到广泛应用打下坚实的基础。

多孔介质燃烧基于多孔介质燃烧的发动机

多孔介质有利于非定常燃烧过程的另一个重要特性是它能大幅度提高有效燃烧速率。实验表明,在常压条件下,多孔介质的存在可使燃烧速率提高10倍 。如果燃烧在更高的压力下进行,则燃烧速率还可进一步提高。可见,多孔介质燃烧技术非常适合于内燃机那样强烈瞬态的燃烧。多孔介质燃烧器中蒸发、传热和燃烧过程都能在很短的时间尺度下完成。这意味着,以瞬态燃烧为特征的内燃机,如采用多孔介质技术,则有望达到优良的排放性能。首先,适当的设计多孔介质燃烧室,就可对燃烧温度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介质内液体燃料的快速蒸发和完全燃烧也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述诸因素,包括较低的燃烧温度、快速的蒸发、均匀的混合气形成以及燃气在反应区(多孔介质内部)较长的滞留时间都使得碳烟微粒的排放得以降低。

美国人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介质发动机的概念,并将其称为再生式或蓄热式发动机。其提出的一种柴油机改造方案。多孔介质蓄热器置于气缸顶部,通过一驱动杆与活塞同步运动。蓄热器在大部分时间内,不是与缸盖接触,便是与活塞顶接触。吸气时,蓄热器固定在缸盖上。压缩行程中,蓄热器与活塞做反向运动,迫使气体穿越多孔介质的孔隙,从而吸取其中已积蓄的热量。喷油和燃烧后,蓄热器向上而活塞向下运动,高温燃气穿越多孔介质并将热量传给后者,从而完成一个循环。蓄热器的性能取决于多孔介质的材料,结构和几何形状。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的实验结果表明,与未加蓄热器的原型柴油机相比,在相同的空燃比下,热效率可提高50%,而比油耗可减少33%。另外,燃烧室顶部的气体平均温度有所增加,但其总体的温度则有所降低.

日本歧阜大学的花村克悟和越后亮三等人在超绝热燃烧方面做了不少开拓性工作。他们在1995年就提出了超绝热发动机的概念,并试制出一台样机。其设计思想类似于斯特林发动机。它由两个活塞(动力活塞与扫气活塞)和一个多孔介质蓄热器组成(实际上两个活塞分别置于两个气缸内,通过联动机构实现同步运动)。蓄热器位于两个活塞顶之间且固定不动。首先,新鲜混合气被吸入气缸,扫除缸内废气,然后扫气活塞对混合气进行压缩,而动力活塞则靠近蓄热器而保持不动。在压缩末期,两个活塞以几乎相同的速度同向运动,使得被压缩的混合气在多孔介质蓄热器中被预热并着火,从而实现等容燃烧。在后续的膨胀过程中,燃烧热通过动力活塞的运动转变成机械运动,此时,扫气活塞则靠近蓄热器保持不动。最后在排气冲程中,两个活塞同步右行,废气在穿越蓄热器时,其剩余热焓被有效地吸收并储存在多孔介质中。计算表明,即使对压缩比仅为2的情况,其热效率仍然可达26%,高于常规的奥托循环和狄塞尔循环。花村等人认为,在此基础上,可以研制出低压缩比的环保性好的高效率新型内燃机。

多孔介质燃烧基于多孔介质燃烧的热光伏系统

热光伏系统的基本原理是把燃料燃烧所产生的热能以热辐射形式释放，使用光电池将其转换成电能。热光伏系统主要包括3大部分：燃烧器、选择性波长辐射器和光电池。热光伏系统的优点包括高功率密度，可使用多种燃料，便捷性，低噪音，可在无太阳光条件下运行，同时维修成本低。最近几年，基于III-V族半导体的低能带光电池的发展 ，热光伏系统的研究引起了人们的关注。热光伏系统在空间尺度上的缩小，使面积/容积比率增大，可更充分地利用燃烧辐射来激发热光电转换器产生电流，提高能量转换效率。一些军事组织对热光伏系统的转换产生了浓厚的兴趣，因为热光伏系统可能实现战略上的优势。加入多孔介质的燃烧器由于对流，导热和辐射三种换热方式的存在，使燃烧区域温度趋于均匀，保持较平稳的温度梯度。在燃烧稳定的同时还具有较高的容积热强度。河南科技大学薛宏 等人以甲烷为燃料，对多孔介质燃烧器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合气流量的情况下作了一些研究。

较之传统的自由火焰特征的燃烧，多孔介质的加入极大地改善了燃烧效果。在燃烧过程中，多孔介质起到了关键性的作用。从组织燃烧的过程来看，多孔介质处于的工作环境为高腐蚀性，高温以及高温度梯度。结合多孔介质燃烧机理，我们认为用于燃烧器的多孔介质必须满足以下条件：

（1）耐高温，在燃烧温度范围内不发生熔融；

（2）合适的空隙率，使混合气体在其中流动时压力损失小；

（3）耐热震，在燃烧启停过程中不会因热应力而损坏；

（4）换热性能好，提高燃烧器的热效率。

用于燃烧器的多孔陶瓷主要包括蜂窝陶瓷和泡沫陶瓷两种。蜂窝陶瓷孔隙率为20%-60%；泡沫陶瓷孔隙率可达70%-90% 。在一些场合也有用陶瓷颗粒作为燃烧器内芯，其受热应力小，使用寿命长，但孔隙率小，混合气体在其中流动阻力大。

Pickenäcker等 对泡沫陶瓷研究结果表明，这些材料具有以下优点：第一，具有好的流通特性的开孔结构使压力损失很小，从而可以减小多孔介质燃烧器的风机投资；第二，传热特性优越，气体强制流进流出、分开汇合，对流加强，使其中温度分布均匀，并能保持较低的温度水平，可以减少污染物的排放；第三，体积密度很小，即热惰性很小，可以在启动时升温迅速,能快速适应负荷变化。工业上用于生产泡沫陶瓷的基质材料一般有：碳化硅、氮化硅、莫来石、堇青石、氧化镐以及氧化铣；粘结材料有镁土和钇等。由于材料的类型对燃烧器的抗高温及抗热震能力具有较大的影响，因此，目前用于多孔介质燃烧器的泡沫耐火材料种类也不多，主要以Al₂O3、ZrO₂、SiC为代表。Al₂O₃和ZrO₂可以在1650℃以上的高温下工作，而SiC在导热系数、抗热冲击能力和硬度方面都有非常好的性能。一般情况下，燃烧器的温度不会超过1600℃，综合各方面考虑，SiC具有较大的发展前景。

与传统燃烧器相比，多孔介质燃烧器的燃烧效率高，污染排放低，结构简单，成本低。多孔介质预混燃烧技术在各领域的应用前景非常广阔,如大型透平机的燃烧器、石油炼制、内燃机、各类锅炉、小型发电设备、供暖设备、家用灶具、热水器、红外线无焰燃烧设备、辐射式加热器、陶瓷材料合成、多孔催化剂燃烧、空气中有机挥发物去除等都可用到该技术 。国内外研究人员在这方面做了大量的研究，包括理论分析、数值模拟和实验研究。但由于多孔介质与混合燃烧是一个包含对流、导热和辐射三种换热方式相互耦合的复杂过程，其某些机理和优越性还未被揭示，还有待进一步研究。