一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置及其燃烧方法

1.本发明涉及小型液体燃烧动力装置技术领域，具体涉及一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置及其燃烧方法。


背景技术：

2.传统的斯特林发动机热源一般采用有明显火焰的燃烧器，这种明火会在使其热端壁面温度不均匀会对材料寿命有不利影响，除此之外，这种燃烧器的火焰较为不稳定，容易熄灭。而使用燃烧产生的高温烟气作为热源又存在温度不够高、烟气停留时间短等缺点，无法充分利用烟气热量从而造成装置整体效率较低。由此可见，提高燃烧稳定性、提供均匀的持续高温和提高烟气余热利用成为新一代斯特林发动机研发的关键。
3.液体燃料的燃烧速率主要与其蒸发速率有关，传统液体燃烧器一般采用压力雾化等传统雾化方式，这种雾化方式无法提供可调控的雾化场以及更小尺度的燃料雾滴，燃烧速率低，且可控性弱。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种能够稳定燃烧且温度场均匀的基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置及其燃烧方法。
5.为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置，包括燃烧器、工作腔、直线式发电机和直流电源，燃烧器包括外套筒、内套筒、空气管道、燃料喷管、多孔介质和点火器；外套筒套接于内套筒的外侧，外套筒开有烟气出口，外套筒与内套筒之间设有烟气通道，多孔介质由导电金属材料制成，多孔介质安装于内套筒的内部，从而内套筒的内部形成由多孔介质隔开的换热空间和雾化空间，换热空间与烟气通道连通；燃料喷管和空气管道分别用于输送燃料和空气，燃料喷管的末端位于雾化空间中且朝向多孔介质，空气管道的末端位于雾化空间中，直流电源的正极连接燃料喷管，直流电源的负极连接多孔介质，点火器位于雾化空间中；工作腔为填充有工质的封闭腔体，工作腔包括冷端和热端，冷端的外侧设有冷却装置，热端位于换热空间中并贴合于多孔介质的表面，工作腔内设有活塞，活塞与工作腔的壁面之间留有间隙，直线式发电机包括动子和定子，动子与活塞连接并随活塞运动。
6.采用这种结构后，液体燃料燃烧在多孔介质内部发生无焰燃烧，这种燃烧方式会使整个燃烧过程更加稳定、温度更加均匀。另外，本装置通过荷电雾化的方式，不仅能够得到接近纳米级尺度的燃料雾滴更能通过调节外部电参数来调节液体运动过程，能够有效增加燃烧的可控性与燃烧速率。
7.作为一种优选，内套筒的内壁固定有环形电极，环形电极环绕雾化空间，直流电源的正极连接环形电极。
8.作为一种优选，燃烧器还包括分别安装于外套筒两端的第一密封盖和第二密封盖，内套筒位于第一密封盖和第二密封盖之间，雾化空间位于第一密封盖和多孔介质之间，
燃料喷管穿过第一密封盖，工作腔穿过第二密封盖，工作腔与第二密封盖之间设有密封圈。
9.作为一种优选，烟气通道由外套筒与内套筒之间的环形间隙形成，从空气管道的头端至末端，空气管道依次穿过第二密封盖、烟气通道和内套筒。
10.作为一种优选，工作腔的热端的外侧设有第一翅片，内套筒的内侧设有扇形挡板，且扇形挡板位于换热空间中，沿内套筒的轴线方向，扇形挡板与第一翅片交错布置。
11.作为一种优选，多孔介质由位于中间的球壳部分和位于外周的圆环部分组成，球壳部分呈球面状，工作腔的热端贴合于球壳部分的凹侧，圆环部分固定连接内套筒的内壁。
12.作为一种优选，多孔介质的外表面设有催化剂，催化剂用于催化燃烧。
13.作为一种优选，冷端的外侧设有第二翅片，冷却装置包括壳体和水箱，壳体安装于冷端的外侧，壳体上设有出水口和进水口，水箱与进水口连接。
14.作为一种优选，一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置还包括换热器，换热器设有高温水入口和低温水出口，壳体的出水口经冷端水通道连接高温入水口，低温水出口经供水管道连接水箱，供水管道上设有供水泵，燃料喷管的头端连接有供给燃料的燃料供给管道，燃料供给管道穿过换热器，燃料供给管道上设有燃料供给泵。
15.一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置的燃烧方法，包括如下过程：
16.开启燃料供给泵和直流电源，燃料喷管、环形电极和多孔介质之间形成静电场，在燃料供给泵的作用下，液体燃料以20～40ml/h的流量由燃料喷管喷出，在静电场中雾化破碎成细小的燃料液滴，燃料液滴在高速运动下与多孔介质发生碰撞产生二次雾化然后进入多孔介质的内部；
17.空气通过空气管道从外界供入雾化空间内与燃料液滴混合，在多孔介质表面由点火器点火燃烧，当多孔介质被加热，燃料液滴在多孔介质的内部蒸发与空气发生无焰燃烧，使工作腔的热端被持续加热；
18.开启供水泵，水箱内的冷却水流经第二翅片与冷端持续换热，以维持冷端温度，冷却水被冷端加热并通过换热器预热燃料供给管道中的液体燃料，使液体燃料的初始温度提高；
19.工作腔内由于热端和冷端形成的温度差使工质发生热胀冷缩带动活塞运动，在活塞的带动下直线式发电机的动子随之运动切割定子形成的磁感线发电；
20.燃烧器内燃烧产生的烟气经过换热空间和烟气通道后从烟气出口排入外界，烟气在烟气通道中预热空气管道中的空气。
21.总的说来，本发明具有如下优点：
22.2、创造性地将多孔介质无焰燃烧用于斯特林发动机发电，液体燃料燃烧的过程是在多孔介质内部进行的，不会产生局部高温的明焰，而是在多孔介质内部发生无焰燃烧，这种燃烧方式会使整个燃烧过程更加稳定、温度更加均匀，使该动力装置能够用于较为恶劣的环境。多孔介质本身高的导热系数以及其内部较大的孔隙率能够通过烟气导热、对流以及辐射作用使液体燃料快速蒸发，提高了燃烧速率。
23.2、燃烧器液体燃料的雾化方式采用荷电喷雾燃烧，并设置有环形电极以及接地金属多孔介质。荷电喷雾具有喷雾液滴粒径小、可通过外部电场调控的优点。通过设置环形电极能够增大喷雾锥角，使液滴分布更加均匀。将多孔介质作为接地电极能够有效捕捉雾化场中的液滴，提高了燃烧利用率。同时，高速运动的雾滴在到达多孔介质表面时会与其发生
碰撞产生二次雾化，进一步减小雾滴尺寸，提高燃烧速率以及燃烧效率。
24.3、工作腔热端外表面布置有翅片，该翅片与内套筒内壁上的扇形挡板共同构成迷宫式结构，能够有效延长烟气的停留时间，使烟气热量得到更充分的利用。除此之外，空气管道位于烟气通道内，高温烟气能够有效预热从外界供入的空气，降低了排烟温度，提高了装置整体热效率。
25.4、工作腔冷端外表面布置有翅片，该翅片的表面有冷却水流过，可以使冷端保持一个较低的温度，增大了热端与冷端之间的温度差，提高了斯特林发动机的热效率。
26.5、从冷端吸热后的热水会通过一个高效换热器加热燃料通道中的液体燃料，使液体燃料的初始温度提高，降低其粘度，改善其雾化效果。
27.6、采用直线式发电机，避免了传统斯特林发动机需要使用的曲柄连杆机构，降低了装置的复杂性。
附图说明
28.图1为一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置的内部结构示意图。
29.图2为图1中a-a剖面图。
30.图3为图1中b-b剖面图。
31.图4为多孔介质的三维结构图。
32.图中，1为外套筒，2为烟气出口，3为空气管道，4为内套筒，5为环形电极，6为点火器，7为多孔介质，8为空气进口，9为密封圈，10为活塞，11为水箱，12为工作腔，13为工作腔壁面，14为第二翅片，15为直线式发电机，16为冷端水通道，17为换热器，18为供水管道，19为供水泵，20为燃料进口，21为燃料供给管道，22为第一翅片，23为直流电源，24为燃料供给泵，25为引线，26为燃料喷管，27为空气出口，28为第一密封盖。
具体实施方式
33.下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
34.实施例一
35.一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置，包括燃烧器、工作腔、直线式发电机15和直流电源23，燃烧器包括外套筒1、内套筒4、空气管道3、燃料喷管23、多孔介质7和点火器6；外套筒套接于内套筒的外侧，外套筒开有烟气出口2，外套筒与内套筒之间设有烟气通道，多孔介质由导电金属材料制成，多孔介质安装于内套筒的内部，从而内套筒的内部形成由多孔介质隔开的换热空间和雾化空间，换热空间与烟气通道连通；燃料喷管和空气管道分别用于输送燃料和空气，燃料喷管的末端位于雾化空间中且朝向多孔介质，空气管道的末端位于雾化空间中，直流电源的正极连接燃料喷管，直流电源的负极连接多孔介质，点火器位于雾化空间中；工作腔12为填充有工质的封闭腔体，工作腔包括冷端和热端，冷端的外侧设有冷却装置，热端位于换热空间中并贴合于多孔介质的表面，工作腔内设有活塞10，活塞与工作腔的壁面之间留有间隙，直线式发电机包括动子和定子，动子与活塞连接并随活塞运动。
36.直流电源为高压直流电源，用于产生静电场，开启高压直流电源，能够使喷管出口的燃料液滴在电场中被破碎雾化，雾化后的液滴被多孔介质捕捉燃烧。
37.电火器与外部电源连接，点火器安装于靠近多孔介质的位置，与多孔介质之间具有微小的间隙。通过设置点火器，有助于点火，方便本动力装置的使用。
38.工质为惰性气体如空气、氮气等。
39.内套筒的内壁固定有环形电极5，环形电极环绕雾化空间，直流电源的正极连接环形电极。
40.环形电极内嵌于内套筒的内壁，其存在可加强雾化效果。
41.燃烧器还包括分别安装于外套筒两端的第一密封盖28和第二密封盖，内套筒位于第一密封盖和第二密封盖之间，雾化空间位于第一密封盖和多孔介质之间，燃料喷管穿过第一密封盖，工作腔穿过第二密封盖，工作腔与第二密封盖之间设有密封圈9。
42.烟气通道由外套筒与内套筒之间的环形间隙形成，从空气管道的头端至末端，空气管道依次穿过第二密封盖、烟气通道和内套筒。
43.空气管道的头端为空气进口8，空气管道的末端为空气出口27。
44.第二密封盖与外套筒为一体式结构。外套筒、内套筒、第一密封盖和第二密封盖均由低导热系统、耐高温的陶瓷材料制成。
45.工作腔的热端的外侧设有第一翅片22，内套筒的内侧设有扇形挡板，且扇形挡板位于换热空间中，沿内套筒的轴线方向，扇形挡板与第一翅片交错布置。
46.第一翅片与扇形挡板形成蛇形通道，能够有效延长烟气的滞留时间，使第一翅片充分传到热量到工作腔的热端。
47.多孔介质由位于中间的球壳部分和位于外周的圆环部分组成，球壳部分呈球面状，工作腔的热端贴合于球壳部分的凹侧，圆环部分固定连接内套筒的内壁。
48.多孔介质的外表面设有催化剂，催化剂用于催化燃烧。
49.催化剂能够较低反应活化能，使燃烧反应更容易进行。
50.冷端的外侧设有第二翅片14，冷却装置包括壳体和水箱11，壳体安装于冷端的外侧，壳体上设有出水口和进水口，水箱与进水口连接。
51.壳体与工作腔之间通过密封圈进行密封。
52.工作时冷却水从水箱中流出从进水口流入冲刷第二翅片使工作腔的冷端保持一个较低的温度，从而增大工作腔冷端热端温差，提高斯特林发动机热效率。
53.一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置还包括换热器17，换热器设有高温水入口和低温水出口，壳体的出水口经冷端水通道16连接高温入水口，低温水出口经供水管道连接水箱，供水管道18上设有供水泵19，燃料喷管的头端连接有供给燃料的燃料供给管道21，燃料供给管道穿过换热器，燃料供给管道上设有燃料供给泵24。燃料供给管道连接燃料进口20。
54.冷却水被工作腔的冷端加热后，进入换热器与燃料供给管内的液体燃料换热，与液体燃料换热后的水通过供水管道由供水泵泵入水箱，重新进入冷却循环。
55.换热器采用市售的高效换热器，其可进行两种流体之间的换热。
56.具体地，第一密封板、外套筒1和内套筒4均采用低导热系数、耐高温的陶瓷材料制成，第一密封板的直径为50mm，厚度为5mm，其中心处开有1个直径为2mm的小孔用于燃料喷管穿过。外套筒外径为50mm，内径为47mm，在距离其最左端7.5mm处顶端开有2个对称的直径为5mm的小孔作为烟气出口2，烟气出口高度为5mm，外套筒左端还开有直径为0.5mm的小孔
用于引线及导线穿过，右端开有1个直径为2mm的小孔用于空气管道穿过；内套筒的外径为38mm，内径为34mm，在距离其最左端6.5mm处顶端开有2个对称的直径为2mm的小孔用于空气管道穿过，距内套筒右端2.5mm处存在间隔排列的3个扇形挡板，扇形挡板为360
°
的扇形板，其外径为34mm，内径为24mm，间隔距离为4mm。
57.外套筒的左端和内套筒的左端均为靠近第一密封板的一端。
58.环形电极外径为35mm，内径为33mm，厚度为2mm，镶嵌在内套筒内距离内套筒最左端距离为52mm处，通过导线与高压直流电源的正极连接。燃料喷管的外径为2mm，内径为1.6mm，长度为80-100mm，穿过第一密封板与燃料供给管道21连接。空气管道的外径为2mm，内径为1.2mm，水平部分长度为90mm，竖直部分长度为7.5mm，圆角过渡，通过导线与高压直流电源的正极连接，穿过内套筒供给空气进入燃烧器。
59.多孔介质采用导电性能良好并且耐高温的材料制成，孔隙密度为110ppi，孔隙率为95％，为中间球壳，两侧环形结构，球壳内径为24mm，厚度为2mm，两侧环形结构外径为34mm，内径为16mm，厚度为2mm，多孔介质通过导线与高压直流电源的负极连接。
60.工作腔由导热性能良好、耐高温的材料制成，形状为圆筒状，其热端的侧表面形状与多孔介质球壳部分一致，能够与其紧密贴合，工作腔的长度为70mm，内径为14mm，工作腔壁面13的厚度为1mm。第一翅片和第二翅片均由导热性能良好、耐高温的材料制成。第一翅片通过底部结构固定于工作腔热端的表面，底部结构的内径为15mm，外径为18mm，其上面间隙布置4个第一翅片，第一翅片的高度为4.5mm，厚度为1.5mm，相互间隔4mm布置，与内套筒上的扇形挡板组成迷宫式的换热通道。第二翅片通过底部结构固定于工作腔的冷端，该底部结构的内径为15mm，外径为18mm，上面间隔布置有5个第二翅片，第二翅片的高度为4.5mm，厚度为1.5mm，相互间隔1.5mm布置。
61.工作腔内的活塞直径为10mm，与工作腔内壁之间留有2mm的间隙，长度为25mm，活塞朝向多孔介质方向的一侧为半球状结构，其半径为5mm，为实心结构。
62.壳体的入水口经冷端水通道连接水箱，冷端水通道为矩形截面通道，其截面宽度为2mm，长度为2mm，四周壁面厚度为1mm，整体高度为15mm；壳体为圆筒状，其包裹住第二翅片，内径为15mm，外径为35mm，长度为15.5mm。
63.直线式发电机的直径为30mm，长度为40mm，左端与工作腔右端贴合。
64.冷却装置、换热器以及通道的尺寸可由实际情况而定。
65.一种基于荷电喷雾的小型斯特林动力装置的燃烧方法，包括如下过程：
66.开启燃料供给泵和直流电源，燃料喷管、环形电极和多孔介质之间形成静电场，在燃料供给泵的作用下，液体燃料以20～40ml/h的流量由燃料喷管喷出，在静电场中雾化破碎成细小的燃料液滴，燃料液滴在高速运动下与多孔介质发生碰撞产生二次雾化然后进入多孔介质的内部；
67.空气通过空气管道从外界供入雾化空间内与燃料液滴混合，在多孔介质表面由点火器点火燃烧，当多孔介质被加热，燃料液滴在多孔介质的内部蒸发与空气发生无焰燃烧，使工作腔的热端被持续加热；
68.开启供水泵，水箱内的冷却水流经第二翅片与冷端持续换热，以维持冷端温度，冷却水被冷端加热并通过换热器预热燃料供给管道中的液体燃料，使液体燃料的初始温度提高；
69.工作腔内由于热端和冷端形成的温度差使工质发生热胀冷缩带动活塞运动，在活塞的带动下直线式发电机的动子随之运动切割定子形成的磁感线发电；
70.燃烧器内燃烧产生的烟气经过换热空间和烟气通道后从烟气出口排入外界，烟气在烟气通道中预热空气管道中的空气。
71.上述实施例为发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的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。