一种基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器

本发明属于多孔介质燃烧相关，更具体地，涉及一种基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器。

背景技术：

1、日益严重的全球气候变暖与化石能源减少对节能减排提出了更高要求，因此，寻求环境友好型燃烧技术变得越来越重要。一方面，要提高碳氢燃料的利用效率，另一方面积极开发零碳燃料，如氨气，氢气。多孔介质燃烧技术是一种行之有效的解决方法。多孔介质凭借着其独特结构使其内部的流体微团不停地改变运动方向，产生弥散效应，破坏流动边界层，使得流体的运动更加复杂，有利于形成均匀的速度场与温度场从而有助于促进物质混合，降低燃烧温度，减少污染物排放。此外，相比光管来说，多孔介质与流体的换热面积提高数倍甚至数十倍以上，有利于强化流体与固体骨架的换热效率，提高燃烧速度，实现稀薄及难燃燃料的高效利用。

2、尽管多孔介质燃烧有着上述优点，但是申请人在前期研究中发现，在设有多孔介质的圆管内，化学恰当比的丁烷/空气预混气对应的火焰吹熄极限(定义为维持燃烧的最大进气速度)只有0.55m/s(略大于其层流燃烧速度)，火焰在多孔介质中难以驻定，从而在较高进气速度时未燃混合气通过多孔介质的回热效率并不高，没有充分发挥多孔介质应有的回热效果。

3、现有多孔介质燃烧依然存在火焰在多孔介质中难以驻定、驻定火焰的速度范围很窄以及火焰吹熄极限较小等问题，这为多孔介质燃烧器的应用带来困难。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，解决了现有多孔介质燃烧依然存在火焰在多孔介质中难以驻定、驻定火焰的速度范围很窄以及火焰吹熄极限较小的问题，有利于在多孔介质燃烧器中获得一定速度范围的驻定火焰，获得较宽的稳定燃烧速度范围。

2、为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，包括外壳和设置在所述外壳内部的多孔介质，所述多孔介质包括连接段和凸出段，所述连接段与所述外壳的内壁连接固定，所述凸出段与所述连接段的下游端面相连接，所述凸出段的截面尺寸小于所述连接段的截面尺寸使得所述凸出段和所述外壳的内壁之间形成环形自由空间；

3、所述凸出段用于在所述外壳中心处形成流动低速区，将火焰中心部分稳定在其内部形成部分浸没火焰；所述环形自由空间用于在所述外壳的壁面处形成稳定火焰外侧部分的流动边界层；同时浸没火焰有利于提高多孔介质的回热效率，从而实现流动和热循环协同稳定燃烧的作用。

4、根据本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，所述外壳的截面为圆形、多边形或平板型，所述凸出段沿火焰流动方向的长度占所述多孔介质总长度的10％-90％。

5、根据本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，所述凸出段的当量直径为所述连接段的当量直径的20％-80％。

6、根据本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，通过仿真实验方法，选取能够获取最大火焰吹熄极限的截面尺寸作为所述凸出段的最优截面尺寸。

7、根据本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，根据实际应用中对热源部位的需求确定所述多孔介质在所述外壳内的设置位置。

8、根据本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，所述外壳为不锈钢外壳或石英玻璃外壳。

9、根据本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，所述多孔介质为金属丝网、多孔陶瓷或者泡沫金属。

10、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，本发明提供的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器：

11、1.通过对多孔介质的结构进行适当裁剪，在下游段多孔介质与燃烧器壁面之间形成环形自由流动区，由于多孔介质对流动的阻碍作用，在下游段凸出段内部可降低流体流速，形成稳定火焰中心部分的流动低速区，形成部分浸没火焰；同时，环形自由空间壁面处形成较厚的速度边界层，有利于火焰外侧部分被稳定于边界层内，从而有利于获得一定速度范围的驻定火焰以及获得较宽的稳定燃烧速度范围；

12、2.部分浸没火焰的形成能够强化多孔介质的热循环效率，进一步提高其稳燃能力和燃烧效率，从而有利于提高火焰吹熄极限。

技术特征：

1.一种基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，包括外壳和设置在所述外壳内部的多孔介质，所述多孔介质包括连接段和凸出段，所述连接段与所述外壳的内壁连接固定，所述凸出段与所述连接段的下游端面相连接，所述凸出段的截面尺寸小于所述连接段的截面尺寸使得所述凸出段和所述外壳的内壁之间形成环形自由空间；

2.如权利要求1所述的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，所述外壳的截面为圆形、多边形或者平板型，所述凸出段沿火焰流动方向的长度占所述多孔介质总长度的10％-90％。

3.如权利要求1所述的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，所述凸出段的当量直径为所述连接段的当量直径的20％-80％。

4.如权利要求3所述的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，通过仿真实验方法，选取能够获取最大火焰吹熄极限的截面尺寸作为所述凸出段的最优截面尺寸。

5.如权利要求1-4中任一项所述的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，根据实际应用中对热源部位的需求确定所述多孔介质在所述外壳内的设置位置。

6.如权利要求1-4中任一项所述的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，所述外壳为不锈钢外壳或石英玻璃外壳。

7.如权利要求1-4中任一项所述的基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，其特征在于，所述多孔介质为金属丝网、多孔陶瓷或者泡沫金属。

技术总结本发明属于多孔介质燃烧相关技术领域，其公开了一种基于流场重构和热循环协同稳燃的多孔介质燃烧器，包括外壳和设置在外壳内部的多孔介质，多孔介质包括连接段和凸出段，连接段与外壳的内壁连接固定，凸出段与连接段的下游端面相连接，其直径小于连接段，从而在凸出段和外壳的内壁之间形成环形自由空间；凸出段用于在中心处形成流动低速区，将火焰的中心部分稳定在其内部形成部分浸没火焰，环形自由空间用于形成稳定火焰外侧部分的流动边界层，同时浸没火焰有利于进一步提高多孔介质的回热效率，从而实现流动和热循环协同稳定燃烧的作用，有利于提高火焰的吹熄极限。技术研发人员：范爱武,羊光耀受保护的技术使用者：华中科技大学技术研发日：技术公布日：2024/5/8