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Die Erfindung betrifft eine Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung, insbesondere zur regenerativen Wärmespeicherung, mit zumindest einem prismenförmigen Körper aus Keramik, der mit einer Vielzahl von durchgehenden, in die beiden Prismenflächen mündenden geradlinigen Kanälen versehen ist.
Es sind verschiedene keramische Wabenkörper bekannt, beispielsweise aus der EP 0 472 605 B1, die als Wärmespeichermassen in Regeneratoren in Anlagen zur Abgasbehandlung eingesetzt werden. Diese Wabenkörper werden üblicherweise in Stapeln angeordnet, wobei mindestens zwei in Richtung des jeweiligen Gasstromes, gegebenenfalls im Abstand voneinander angeordnete Wabenkörper mit ihren Kanälen fluchten.
Bei den bekannten Wärmespeichermassen handelt es sich um keramische Wabenkörper, die im wesentlichen prismenförmig sind, Kanäle parallel zur Prismenhauptachse mit untereinander im wesentlichen gleichen Kanalquerschnitten aufweisen, eine spezifische Oberfläche zwischen 200 und 1000 m2/m3 haben sowie einen hydraulischen Durchmesser zwischen 2 und 12 mm. (Beispielsweise können die Wabenkörper der Regeneratoren prismatische Speicherkörper von etwa 0,2 - 1,0 m, insbesondere von etwa 0,4 - 0,6 m Prismenlänge und von etwa 0,1 - 0,5 m, vorzugsweise von 0,15 - 0,30 m Prismenendflächen-Seitenlänge sein. )
Infolge der fluchtenden Anordnung der prismenförmigen Wabenkörper, insbesondere von deren Kanälen, setzt sich jedoch das Durchströmungsprofil des Querschnittes der Wärmespeicherkammer über alle Lagen hinweg fort.
Zonen, die in einer der Einströmungsseite des Gases zugewandten Lage schlecht oder gar nicht durchströmt sind, werden aufgrund der fluchtenden Anordnung der Kanäle im weiteren Verlauf gleichartig zur vorhergehenden Lage durchströmt. Gleiches gilt für stark durchströmte Zonen bzw. Kanäle. Der Fortsetzung des Strömungsprofils durch die Wabenkörperlagen liegt also im wesentlichen die fluchtende Anordnung der Kanäle bzw. Prismen und eine nahezu durchgehend laminare Strömung zugrunde.
Die DE 199 21 780 A1 und JP 03038255 offenbaren eine Hexonalzellen-Wabenstruktur mit einer Vielzahl von parallelen und geradlinigen verlaufenden Zellenkanälen, wobei die Querschnittsform jeder Zelle hexagonal und die Querschnittsform der gesamten Hexonalzellen-Wabenstruktur oval ist. In der DE 198 60 460 A1 werden Wabenkörper in Brennern zur Abgaswärmerückgewinnung als Gegenstromwärmetauscher eingesetzt, wobei die Gaszufuhrkanäle und die Abgasabfuhrkanäle als parallele und geradlinige mit einem über der Länge gleichbleibenden Querschnitt versehenen Kanäle ausgebildet sind. Die bekannten Konstruktionen haben den Nachteil, dass das Durchströmungsprofil des Kanalquerschnittes laminar ist.
Bei der DE 100 19 269 C1 wird ein Wärmetauschermaterial von mindestens einem Stapel neben- und aufeinandergestellter Wabenkörper gebildet, die aus Keramik bestehen und von einer Vielzahl im wesentlichen paralleler Kanäle durchzogen sind. Die Wabenkörper weisen schräg gegen ihre Längsachse gestellte Stirnflächen auf, derart, dass sie in einer Seitenansicht die Gestalt eines Parallelogramms haben. Werden die Wabenkörper gegensinnig ausgerichtet übereinandergesetzt, ergibt sich ein Zick-Zack-Verlauf der Wabenkörper und der Kanäle, wodurch die Verwirbelung der Gasströmung eintritt. Die Nachteile dieser Konstruktion sind komplexer Aufbau und Herstellung.
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, die Nachteile der bekannten Lösungen zu vermeiden, und zeichnet sich dadurch aus, dass jeder Wabenkörper über seinen Querschnitt von Längskanälen mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten durchzogen ist. Dadurch wird bei Übereinanderstapelung mehrerer Wabenkörper eine nichtfluchtende Anordnung der Prismen, insbesondere der einzelnen Kanäle ermöglicht.
Es sei erwähnt, dass die Verwendung gleichartiger Querschnitte in Wabenkörpern nach dem bisherigen Stand der Technik vor allem auf der Erzielung eines gleichmässigen Strömungswiderstandes bzw. Druckverlustes der einzelnen Kanäle beruhte, um dadurch eine gleichmässige Durchströmung zu erzielen. Die Verwendung unterschiedlicher Kanalgeometrien in ein und demselben Wabenkörper kann zu bevorzugter Durchströmung von Kanälen mit grossem Querschnitt gegen- über einer verminderten Durchströmung von Kanälen kleinen Querschnittes führen. Im Rahmen der Erfindung werden vorzugsweise zumindest zwei Wabenkörper übereinandergestapelt, wobei einander Kanäle unterschiedlichen Querschnittes gegenüberliegen. Erfindungsgemäss werden vorzugsweise die Wabenkörper aufeinanderfolgender Lagen um 180 gegeneinander verdreht angeordnet.
Dadurch, dass sodann Kanäle grösseren Querschnittes der einen Wabenkörperlage
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Kanälen kleineren Querschnittes der anderen Wabenkörperlage gegenüberliegen, erfolgt ein Ausgleich des Strömungswiderstandes infolge der abwechselnden Durchströmung von Kanälen grossen Querschnittes mit Kanälen kleinen Querschnittes. Die Summe des Strömungswiderstandes über zwei Lagen (und einem Vielfachen von zwei) kann somit über alle Kanäle gleich gehalten werden, und damit ist wiederum eine gleich verteilte Durchströmung der Wabenkörper gegeben.
Die Wabenkörper aufeinanderfolgende Lagen können alternativ auch aufeinander ausgerichtet angeordnet sein.
Gemäss einer Weiterbildung der Erfindung wechseln über den Wabenkörperquerschnitt alternierend zwei Reihen quadratischer Kanäle mit einer Reihe rechteckiger Kanäle ab.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch einen Wabenkörper gemäss der Erfindung im Querschnitt ; Fig. 2 ebenfalls schematisch den Stapelungsvorgang; Fig. 3 die Stapelanordnung von um 180 gedrehten Wabenkörpern, und Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch die gestapelten Wabenkörper nach Fig. 3.
Fig. 1 zeigt einen Wabenkörper 1 aus einer keramischen Masse, wobei der Wabenkörper durch abwechselnde Anordnung einer Doppelreihe quadratischer Kanäle 2 mit einer Reihe rechteckiger Kanäle 3 gebildet ist. Die Durchströmfläche der Doppelreihe quadratischer Kanäle 2 soll im wesentlichen der Durchströmfläche der rechteckigen Kanäle 3 entsprechen. Daraus ergeben sich Zellverteilungen über den Querschnitt von z. B. 30 x 40 Zellen anstatt wie bei Wabenkörpergeometrien nach dem Stand der Technik von z. B. 40 x 40 Zellen. Produktionstechnisch kann die erfindungsgemässe Ausführung beim Strangpressen durch entsprechendes "Auslassen" jeder vierten Zellwand in einer Achsrichtung realisiert werden. Die jeweils 90 dazu ausgerichtete Achse weist die übliche Zellwanddichte auf.
Gemäss Fig. 1 haben die erfindungsgemässen Wabenkörper 1 im Querschnitt 2N x (N+N/2) Kanäle 2,3, wobei N die Anzahl der Kanäle ist.
Zwei Lagen von Wabenkörpern werden gemäss Fig. 2 durch eine Stapelung von um 180 in der Ebene normal zur Prismenhauptachse verdrehten Wabenkörpern erreicht. Fig. 2 zeigt schematisch das Übereinanderschieben zweier Wabenkörper 1, 1' in Richtung des Pfeiles P. Dadurch ist die beschriebene gleichmässige Durchströmung über je zwei Lagen 1, 1' gegeben. Vorteilhaft ist beim Übergang von einer auf die nächste Lage die Teilung eines Gasstromes (durch einen rechteckigen Kanal 3) in zwei Teilströme (in jeweils zwei quadratischen Kanälen 2). Einerseits wird dadurch eine Durchmischung innerhalb der Wabenkörperlagen 1, 1' und zugleich eine Verwirbelung am Übergang zweier Wabenlagen erzielt.
Bei genauer Stapelung der um 180 gedrehten Wabenkörper 1, d. h. bei aufeinander ausgerichteten Wabenkörpern, ergibt sich ein gleichmässiges Zellenmuster über zwei Lagen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt schematisch den Strömungsverlauf durch zwei Wabenkörperlagen 1, 1', die um 180 gegeneinander verdreht sind. Am Übergang von dem unteren Wabenkörper in den oberen Wabenkörper teilt sich ein Strom S in zwei Halbströme S', oder umgekehrt vereinigen sich zwei Ströme zu einem Strom S. Dabei ist der Strömungswiderstand über zwei Lagen gleich.
Es versteht sich, dass das erläuterte Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Geometrie der Wabenkörperkanäle im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens verschiedentlich abgewandelt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung, insbesondere zur regene- rativen Wärmespeicherung, mit zumindest einem prismenförmigen Körper aus Keramik, der mit einer Vielzahl von durchgehenden, in die beiden Prismenflächen mündenden ge- radlinigen Kanälen versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Wabenkörper (1) über seinen Querschnitt von Längskanälen (2,3) mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten durchzogen ist.