作為一種典型的微型動力裝置，微型熱光電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、沒有運動部件、制造裝配也容易，故優(yōu)勢相對其他裝置也較為明顯。微型燃燒器是該系統(tǒng)最為重要的部件，它的設(shè)計好壞不僅會對內(nèi)部燃燒過程的穩(wěn)定性造成影響，而且其外壁面的溫度分布狀況還會直接影響到系統(tǒng)的輸出性能。為此，本項目提出了一種平板式多孔介質(zhì)回?zé)嵝臀⑷紵鞯脑O(shè)計思路，并結(jié)合實驗測試和數(shù)值模擬的方法，對其燃燒特征和強化作用機理展開了研究。按照計劃任務(wù)書，首先，選用氫氣、甲烷和丙烷這三種常見的碳?xì)淙剂?，對比了它們在平板式直通道微型燃燒器?nèi)火焰位置、化學(xué)能的利用程度、燃燒極限等方面的差異。隨后，針對直通道燃燒器的不足，設(shè)計并加工了多種結(jié)構(gòu)的回?zé)嵝臀⑷紵?。通過測試結(jié)果的對比獲得了最佳結(jié)構(gòu)型式，并揭示了該燃燒器在提高火焰溫度、固定火焰位置等方面的作用機理，獲取了混合氣流量、當(dāng)量比等最佳運行條件，以及隔板長度等最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。最后，為了進一步提高回?zé)嵝腿紵鞯墓ぷ餍阅?，我們在進氣通道內(nèi)填充了多孔介質(zhì)，并分析了多孔介質(zhì)在延長駐留時間、提高化學(xué)能利用率等方面的促進作用。在本課題的開展過程中，除回?zé)嵝腿紵魍?，我們還設(shè)計了多種其它的優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式（如內(nèi)置十字隔板的微型燃燒器等），分析了各自的燃燒特性和工作表現(xiàn)。此外，針對針對甲烷（丙烷）/空氣預(yù)混氣體在微通道內(nèi)燃燒困難以及可燃流速范圍過窄的問題，還提出了在混合氣中摻雜少量氫氣的燃料設(shè)計方案，并分析了具體的實施效果。項目執(zhí)行期間，共發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇，其中SCI檢索論文6篇，EI檢索論文4篇；申請國家發(fā)明專利14項，其中1項已獲得授權(quán)；參加國內(nèi)外學(xué)術(shù)會議3次。

針對微型熱光電系統(tǒng)整體轉(zhuǎn)化效率和功率輸出尚不夠高的問題，本項目以一種新型的填充多孔介質(zhì)的微尺度平板式回?zé)崛紵髯鳛檠芯繉ο螅捎美碚摲治?、實驗測試和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對其燃燒特征和強化作用機理進行研究。具體包括：采用有無多孔介質(zhì)的兩種平板式回?zé)嵝腿紵?，利用PLIF、紅外熱像和高速攝影等技術(shù)進行燃燒極限、火焰特性的對比實驗，并結(jié)合考慮多孔介質(zhì)蓄熱輻射效應(yīng)的數(shù)值模擬計算結(jié)果，詳細(xì)揭示微尺度多孔介質(zhì)促進作用下回?zé)崛紵绞降鸟詈献饔脵C理；掌握重要結(jié)構(gòu)和運行參數(shù)對新型燃燒器燃燒狀況和壁面輻射效應(yīng)的影響規(guī)律，獲得適用于微型熱光電系統(tǒng)工作的燃燒器最佳反應(yīng)條件；通過對系統(tǒng)整體封裝、電池實際冷卻和背面反射的綜合考慮，建立更為精確的系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換計算模型，以更深入地闡述填充多孔介質(zhì)的回?zé)崛紵绞綄ο到y(tǒng)工作性能提升的作用。相關(guān)研究成果將豐富微尺度燃燒的強化機理，并為該系統(tǒng)盡早得到廣泛應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ)。

多孔介質(zhì)燃燒基于多孔介質(zhì)燃燒的發(fā)動機

多孔介質(zhì)有利于非定常燃燒過程的另一個重要特性是它能大幅度提高有效燃燒速率。實驗表明,在常壓條件下,多孔介質(zhì)的存在可使燃燒速率提高10倍 。如果燃燒在更高的壓力下進行,則燃燒速率還可進一步提高?？梢?多孔介質(zhì)燃燒技術(shù)非常適合于內(nèi)燃機那樣強烈瞬態(tài)的燃燒。多孔介質(zhì)燃燒器中蒸發(fā)、傳熱和燃燒過程都能在很短的時間尺度下完成。這意味著,以瞬態(tài)燃燒為特征的內(nèi)燃機,如采用多孔介質(zhì)技術(shù),則有望達到優(yōu)良的排放性能。首先,適當(dāng)?shù)脑O(shè)計多孔介質(zhì)燃燒室,就可對燃燒溫度加以控制以降低NOx的排放。再者,多孔介質(zhì)內(nèi)液體燃料的快速蒸發(fā)和完全燃燒也在很大程度上消除了未燃HC的排放。上述諸因素,包括較低的燃燒溫度、快速的蒸發(fā)、均勻的混合氣形成以及燃?xì)庠诜磻?yīng)區(qū)(多孔介質(zhì)內(nèi)部)較長的滯留時間都使得碳煙微粒的排放得以降低。

美國人Ferrenberg于1990年最早提出了多孔介質(zhì)發(fā)動機的概念,并將其稱為再生式或蓄熱式發(fā)動機。其提出的一種柴油機改造方案。多孔介質(zhì)蓄熱器置于氣缸頂部,通過一驅(qū)動桿與活塞同步運動。蓄熱器在大部分時間內(nèi),不是與缸蓋接觸,便是與活塞頂接觸。吸氣時,蓄熱器固定在缸蓋上。壓縮行程中,蓄熱器與活塞做反向運動,迫使氣體穿越多孔介質(zhì)的孔隙,從而吸取其中已積蓄的熱量。噴油和燃燒后,蓄熱器向上而活塞向下運動,高溫燃?xì)獯┰蕉嗫捉橘|(zhì)并將熱量傳給后者,從而完成一個循環(huán)。蓄熱器的性能取決于多孔介質(zhì)的材料,結(jié)構(gòu)和幾何形狀。Ferrenberg采用SiC(12ppi)泡沫陶瓷的實驗結(jié)果表明,與未加蓄熱器的原型柴油機相比,在相同的空燃比下,熱效率可提高50%,而比油耗可減少33%。另外,燃燒室頂部的氣體平均溫度有所增加,但其總體的溫度則有所降低.

日本歧阜大學(xué)的花村克悟和越后亮三等人在超絕熱燃燒方面做了不少開拓性工作。他們在1995年就提出了超絕熱發(fā)動機的概念,并試制出一臺樣機。其設(shè)計思想類似于斯特林發(fā)動機。它由兩個活塞(動力活塞與掃氣活塞)和一個多孔介質(zhì)蓄熱器組成(實際上兩個活塞分別置于兩個氣缸內(nèi),通過聯(lián)動機構(gòu)實現(xiàn)同步運動)。蓄熱器位于兩個活塞頂之間且固定不動。首先,新鮮混合氣被吸入氣缸,掃除缸內(nèi)廢氣,然后掃氣活塞對混合氣進行壓縮,而動力活塞則靠近蓄熱器而保持不動。在壓縮末期,兩個活塞以幾乎相同的速度同向運動,使得被壓縮的混合氣在多孔介質(zhì)蓄熱器中被預(yù)熱并著火,從而實現(xiàn)等容燃燒。在后續(xù)的膨脹過程中,燃燒熱通過動力活塞的運動轉(zhuǎn)變成機械運動,此時,掃氣活塞則靠近蓄熱器保持不動。最后在排氣沖程中,兩個活塞同步右行,廢氣在穿越蓄熱器時,其剩余熱焓被有效地吸收并儲存在多孔介質(zhì)中。計算表明,即使對壓縮比僅為2的情況,其熱效率仍然可達26%,高于常規(guī)的奧托循環(huán)和狄塞爾循環(huán)。花村等人認(rèn)為,在此基礎(chǔ)上,可以研制出低壓縮比的環(huán)保性好的高效率新型內(nèi)燃機。

多孔介質(zhì)燃燒基于多孔介質(zhì)燃燒的熱光伏系統(tǒng)

熱光伏系統(tǒng)的基本原理是把燃料燃燒所產(chǎn)生的熱能以熱輻射形式釋放，使用光電池將其轉(zhuǎn)換成電能。熱光伏系統(tǒng)主要包括3大部分：燃燒器、選擇性波長輻射器和光電池。熱光伏系統(tǒng)的優(yōu)點包括高功率密度，可使用多種燃料，便捷性，低噪音，可在無太陽光條件下運行，同時維修成本低。最近幾年，基于III-V族半導(dǎo)體的低能帶光電池的發(fā)展 ，熱光伏系統(tǒng)的研究引起了人們的關(guān)注。熱光伏系統(tǒng)在空間尺度上的縮小，使面積/容積比率增大，可更充分地利用燃燒輻射來激發(fā)熱光電轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生電流，提高能量轉(zhuǎn)換效率。一些軍事組織對熱光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換產(chǎn)生了濃厚的興趣，因為熱光伏系統(tǒng)可能實現(xiàn)戰(zhàn)略上的優(yōu)勢。加入多孔介質(zhì)的燃燒器由于對流，導(dǎo)熱和輻射三種換熱方式的存在，使燃燒區(qū)域溫度趨于均勻，保持較平穩(wěn)的溫度梯度。在燃燒穩(wěn)定的同時還具有較高的容積熱強度。河南科技大學(xué)薛宏 等人以甲烷為燃料，對多孔介質(zhì)燃燒器在不同孔隙率、不同燃空比和不同混合氣流量的情況下作了一些研究。

較之傳統(tǒng)的自由火焰特征的燃燒，多孔介質(zhì)的加入極大地改善了燃燒效果。在燃燒過程中，多孔介質(zhì)起到了關(guān)鍵性的作用。從組織燃燒的過程來看，多孔介質(zhì)處于的工作環(huán)境為高腐蝕性，高溫以及高溫度梯度。結(jié)合多孔介質(zhì)燃燒機理，我們認(rèn)為用于燃燒器的多孔介質(zhì)必須滿足以下條件：

（1）耐高溫，在燃燒溫度范圍內(nèi)不發(fā)生熔融；

（2）合適的空隙率，使混合氣體在其中流動時壓力損失??；

（3）耐熱震，在燃燒啟停過程中不會因熱應(yīng)力而損壞；

（4）換熱性能好，提高燃燒器的熱效率。

用于燃燒器的多孔陶瓷主要包括蜂窩陶瓷和泡沫陶瓷兩種。蜂窩陶瓷孔隙率為20%-60%；泡沫陶瓷孔隙率可達70%-90% 。在一些場合也有用陶瓷顆粒作為燃燒器內(nèi)芯，其受熱應(yīng)力小，使用壽命長，但孔隙率小，混合氣體在其中流動阻力大。

Picken?cker等 對泡沫陶瓷研究結(jié)果表明，這些材料具有以下優(yōu)點：第一，具有好的流通特性的開孔結(jié)構(gòu)使壓力損失很小，從而可以減小多孔介質(zhì)燃燒器的風(fēng)機投資；第二，傳熱特性優(yōu)越，氣體強制流進流出、分開匯合，對流加強，使其中溫度分布均勻，并能保持較低的溫度水平，可以減少污染物的排放；第三，體積密度很小，即熱惰性很小，可以在啟動時升溫迅速,能快速適應(yīng)負(fù)荷變化。工業(yè)上用于生產(chǎn)泡沫陶瓷的基質(zhì)材料一般有：碳化硅、氮化硅、莫來石、堇青石、氧化鎬以及氧化銑；粘結(jié)材料有鎂土和釔等。由于材料的類型對燃燒器的抗高溫及抗熱震能力具有較大的影響，因此，目前用于多孔介質(zhì)燃燒器的泡沫耐火材料種類也不多，主要以Al₂O3、ZrO₂、SiC為代表。Al₂O₃和ZrO₂可以在1650℃以上的高溫下工作，而SiC在導(dǎo)熱系數(shù)、抗熱沖擊能力和硬度方面都有非常好的性能。一般情況下，燃燒器的溫度不會超過1600℃，綜合各方面考慮，SiC具有較大的發(fā)展前景。

與傳統(tǒng)燃燒器相比，多孔介質(zhì)燃燒器的燃燒效率高，污染排放低，結(jié)構(gòu)簡單，成本低。多孔介質(zhì)預(yù)混燃燒技術(shù)在各領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊,如大型透平機的燃燒器、石油煉制、內(nèi)燃機、各類鍋爐、小型發(fā)電設(shè)備、供暖設(shè)備、家用灶具、熱水器、紅外線無焰燃燒設(shè)備、輻射式加熱器、陶瓷材料合成、多孔催化劑燃燒、空氣中有機揮發(fā)物去除等都可用到該技術(shù) 。國內(nèi)外研究人員在這方面做了大量的研究，包括理論分析、數(shù)值模擬和實驗研究。但由于多孔介質(zhì)與混合燃燒是一個包含對流、導(dǎo)熱和輻射三種換熱方式相互耦合的復(fù)雜過程，其某些機理和優(yōu)越性還未被揭示，還有待進一步研究。