微热光电系统中柱型燃烧室的试验

　　引言

　　随着微制造技术的进步,微动力机电系统 (MEMS)的发展正在不断加速[1～3]。微热光电 (MTPV)系统也是其中的一种[4],它没有运动部件, 且不需要高加工精度与装配精度,具有较高的能量转换效率。在MTPV系统中,微燃烧室是最为重要的组成部分之一,在微燃烧室内实现稳定燃烧,获得高且分布均匀的壁面温度是MTPV系统的一个关键问题。文献[5]中虽然研究了MTPV系统燃烧的若干影响因素,但对燃烧室壁厚、喷嘴孔径Φ等重要结构因素未作研究。本文则在更宽的混合比ε范围内重点研究壁厚、喷嘴孔径Φ等重要因素对微尺度燃烧的影响。

　　1　MTPV系统的工作原理

　　MTPV系统的基本原理是使用光电池把燃料燃烧所产生的热能转换成电能。该MTPV系统主要由微燃烧室、光电池等部件组成。它的基本原理如图1所示。

　　氢气和氧气在一个微型混合器中混合后,进入微燃烧室中燃烧。微燃烧室的壁面由辐射性材料组成,壁面加热到一定高温时放出光子。光子撞击光电池激发出来的自由电子在二极管的作用下输出电能。光电池则由低频带隙材料制成,它的表面有一过滤层,该过滤层使辐射性材料发出的有效辐射被光电池吸收,而无效辐射则被反射回辐射性材料,从而减少能量损失。

　　2　微燃烧室的试验

　　在本试验中,选用具有耐高温性能的SiC陶瓷作为微燃烧室的材料,微燃烧室的结构为薄壁柱型,其尺寸如图2所示。

　　在微燃烧室入口处采用不同孔径Φ的喷嘴,改变氢氧混合气的体积混合比ε进行氢氧燃烧试验,观测微燃烧室内燃烧状况的变化,采用K型铠装热电偶测量壁面和出口端面温度分布,由此为薄壁柱型微燃烧室的结构设计提供依据。氢气、氧气入口压力设定为0.02 MPa,环境温度为293 K。试验中通过MKS质量流量控制器来实现氢气、氧气的流量控制和氢氧混合比ε的调节。

　　3　结果与讨论

　　通过试验发现,氢氧混合气在薄壁柱型微燃烧室内易实现稳定燃烧。氢氧体积混合比ε以及喷嘴孔径Φ对微燃烧室内的燃烧有重要影响。

　　3.1　氢氧混合比ε对微燃烧的影响

　　当氢氧混合气体的入口流量q为500 mL/min,采用的喷嘴孔径Φ为0.7 mm时,在不同混合比ε下壁面和出口端面温度分布如图3和图4所示。

　　在微燃烧室内,随着尺寸缩小,面容比增大,使得壁面散热损失急剧增大,会导致点火困难和反应淬熄,影响燃烧的稳定性。

　　可以看到,ε为1.8时壁面的温度最高,这说明微燃烧室内需要在富氧条件下才能达到最好的燃烧反应效果。在不同ε下,壁面温度的分布趋势相同:燃烧室入口处壁面温度值最低,这是由于在入口处,壁面和喷嘴接触,喷嘴的热传导带走了一部分热量所造成的。在距入口约5 mm处,壁面温度增至最高值,此后温度值沿壁面逐渐降低。出口端面的温度分布则随着ε的变化而不同,在ε为1.8时,出口端面温度呈中间高、两边低的分布。