CN1204972A

CN1204972A - 用于催化转换器风道中的紊流发生器

Info

Publication number: CN1204972A
Application number: CN 95198014
Authority: CN
Inventors: 斯万·梅尔克·尼尔松
Original assignee: Individual
Current assignee: KAEMIRAMETALAT
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2015-12-13
Also published as: CN1126586C

Abstract

本发明涉及对催化转换器的一些改进,从而可以使气体的压降与质量传递之间的比例最优化。为此目的,催化转换器包含由紊流发生器(3,4)形成的风道(1),紊流发生器沿气流通道横向延伸。为此,催化转换器应满足一定的结构条件。这些条件是:从催化转换器(1)到更靠近所述入口的紊流发生器(3)的中心的距离,限定紊流发生器(3,4)的侧面(5)相对于穿过催化转换器风道(2)上的基座(8)的垂直面的倾斜度的夹角,上表面(6)相对于基座(8)的高度与风道(2)的液力直径D_h之比,第一与第二紊流发生器(3,4)在长度方向上的中心距离部与所述高度之比,每个紊流发生器(3、4)的上表面(6)的长度与催化转换器的基座(8)之上的所述表面的高度之比。

Description

用于催化转换器风道中的紊流发生器

本发明的技术背景

本发明涉及对催化转换器的一些改进，从而可以使气体的压降与质量传递之间的比例最优化。

通常，一个催化转换器包含一个由大量相邻的小风道构成的衬板，在这些风道中流过的一种气体或混和气体将通过衬板上的一个催化剂涂层而被转换。有许多材料可以用于构成催化转换器，例如陶瓷材料或不锈钢，铝等金属。

通常，陶瓷催化转换器的风道的横截面为三角形或多边形，即六边形。这种类型的催化转换器由挤压法制成，该方法制成的风道在整个长度方向上的横截面均保持相同，而且风道壁光滑平坦。

用金属制造催化转换器衬板时，可将波形金属带或金属板与平金属条或金属板交替排列，并将这个组件绕一个轴线缠绕。这样制成的风道的横截面形状为三角形或梯形。市场供应的金属催化转换器，其风道在整个长度范围内具有相同的横截面尺寸，这与陶瓷催化转换器一样，而且其风道壁也是光滑平坦的。

最重要的基本特征是，在气体(或流过风道的混和气体)与催化转换器风道壁之间会发生物质传递。物质传递系数是一个表示物质传递率的一个量度，如果要达到高效催化转换效果，则物质传递系数必须较高。

对于内燃机或工业中使用的上述各种催化转换器，风道具有相对较小的横截面形状，因此，气体速度也较小，这样气体会沿风道方向以相对规则的层流动。这样，气体主要为层流。只在邻近风道入口处的一小段长度内，才会出现一些指向风道壁的横流。为了给气体归类，需采用所谓的雷诺数，在这些应用中，雷诺数在100到600之间。只要雷诺数低于2000，则气体保持为层流。

在这一技术领域中有一个熟知的事实是，层流气体会在靠近风道壁处形成一个边界层，边界层的气体速度大致为零。这个边界层会严重减少物质传递系数，尤其是对于所谓的完全形成的气体来说更是如此。为了增加物质传递系数，必须使气体流向风道表面，从而减少边界层并增加各层间的气体传导。这可以通过紊流实现。当雷诺数达到大约2000以上时，光滑平坦的风道中的层流会变成紊流。为了使此处涉及的催化转换器风道中的雷诺数达到这一量级，需要使气体速度大大超过现有风道中的常规速度。为了使上述各种具有低雷诺数的催化转换器中产生紊流，需要采用人为方法，例如在风道中安装特殊的紊流发生器。

现在已有大量紊流发生器问世。在SE-B-461 01B中的一个催化转换器的风道中带有横向波纹形的紊流发生器。在GB-A-2001547中的一个催化转换器的风道中带有的紊流发生器的结构为，从结构材料中横向穿出的金属片。此外，还有这二种紊流发生器的组合品产生。

这些紊流发生器的一个共同特点是，它们能显著增加物质传递能力。然而，压降值也显著增加。事实上已证明，压降的增幅已超过了物质传递的增幅。这种压降取决于紊流发生器的结构、尺寸以及几何形状。然而，已经知道上述各种紊流发生器产生的压降太大，因而不能被广泛采用。

本发明概述

本发明的目的是找出一种紊流发生器，它们在催化转换器风道中的位置和结构能达到这样的效果，即获得压降与物质传递能力的最佳比值。在此，需采用液力直径这一概念。液力直径即流过气体的风道的横截面积与风道周长之比。在催化转换器风道的入口处，物质传递系数较高，这是因为边界层很薄。沿着主气流方向，边界层的厚度逐渐增加，而物质传递系数，即向风道表面传递的物质的比率逐渐减少。

为了提高物质传递能力，并因此提高催化转换效率，风道壁上的紊流发生器不能距入口太近，这是由于此处物质传递能力已经很高。而且，在此处加上紊流发生器后还会使压降增大，这是不希望出现的。

本发明涉及一种催化转换器，它包含一个风道用于沿其长度方向传导一束气流。风道上覆盖着一层催化剂并至少包含第一和第二紊流发生器。二紊流发生器在长度方向上间隔一定的距离，用于使气流成为紊流。每个紊流发生器包含一个后表面，后表面从风道的一个基座处向前倾倾斜35至60°并面向后方；还包含一个连接面从后表面的一个自由边缘向前伸出，连接面距风道基座的高度为e，而在长度方向上的长度为B；以及一个前表面，该前表面从连接面的一个前边缘处伸向基座并面向前方。第一紊流发生器距风道入口的距离要比第二紊流发生器近。第一紊流发生器在长度方向的中心距风道入口在长度方向的距离为X₁，其中：

0.01 < \frac{X_{1}}{Dh \cdot Re \cdot Sc} < 0.015

其中：Dh是风道的液力直径，

Re为雷诺数，

Sc是气体的第一施密特数；此外，其中：

高度e与液力直径Dn之比在0．35至1．0之间；

第一和第二紊流发生器在长度方向的中心间的距离P与上述高度e之比在20至50之间；

连接面的长度B与高度e之比在1．5至4．0之间。

附图简述

以下参考附图更详细地解释本发明，附图包括：

图1是一个部分剖开的三维简图，显示了一个催化转换器中的风道，该风道部分剖开从而展示出根据本发明的紊流发生器；

图2是图1中所示风道在长度方向的截面简图；

图3是构成一个催化转换器的各板件分解后的三维视图，用于说明实现图1中结构的基本原理；

图4为图3中所示板件在长度方向的截面简图；

图5为沿图4中的5-5线剖切的截面图；

图6为与图3类似的横面图，其各板件组装在一起；

图7为与图6类似的简图，显示了根据本发明的另一个最佳实施例。

本发明的最佳实施例详细解释

在图1中简要显示了一个风道2上的入口1以及该风道2的其他部分。这个风道位于一个催化转换器中，该催化转换器包含着一组这样的风道，风道将在后文中解释。风道可以在其内部沿长度度方向传输一股气流(即在图1中向右方传输)。图中显示了一个位于邻近入口1处的第一紊流发生器3和一个与之在长度方向相隔一段距离的第二紊流发生器4。风道2的高度为h。各紊流发生器均从该风道的一个基座8上伸出。而入口至第一紊流发生器3在长度的中心处的距离X₁由下列公式确定：

0.01 < \frac{X_{1}}{Dh \cdot Re \cdot Sc} < 0.015

其中Dh为风道的液力直径，它等于4倍的风道横截面积除以横截面周长；

Re为雷诺数(ulp／u)，其中u是气体速度；l为风道的特征尺寸(即液力直径Dh)；ρ是气体的密度；μ为气体的粘度；

Sc为气体的施密特数，更具体地说，是第一施密特数(也称普朗特数)，它等于气体的运动粘度除以分子扩散率(也称扩散系数)。运动粘度等于动力粘度除以密度。

从上述公式中可以明显看出X₁取决于雷诺数，并因而取决于气体速度。因而第一紊流发生器3的最佳位置取决于主要结构条件。

如图2所示，每个紊流发生器3、4均有一个特定的几何形状。即每个紊流发生器均含有一个与气流方向相对的面向后方倾斜的第一侧面5、一个平连接面6以及一个面向前方即面向气流方向的第二侧面7。连接面6则连接着侧面7、5上的自由边缘9、10。

根据本发明，风道要满足以下结构条件：

第一侧面5相对于催化转换器风道2上的基座8的夹角θ应在35至60度之间(优选35至50度之间)，而(ⅰ)上表面6相对于基座8的高度e与(ⅱ)风道2的液力直径Dh之比应在0．35到1．0之间。此外(ⅰ)第一与第二紊流发生器3、4在长度方向上的中心距离P与(ⅱ)高度e之比应在20至50之间。(ⅰ)每个紊流发生器3、4的表面6的长度与(ⅱ)高度e之比应在1．5至4之间。

风道在位于每个紊流发生器对面处优选有一个扩大区域12，从而使得由于紊流发生器产生的压降最小化。然而，扩大区域12内的气流并不加入到主气流中，而是缓慢地以涡流的方式运动，因而只对紊流产生较小的影响。通常，尺寸已约为风道高度h的50～60％，而紊流发生器处的风道内的气流有效横截面积约为紊流发生器上游的气流的有效横截面积的四分之一。因此，气流通过紊流发生器时的速度约为上游气流速度的四倍。

根据本发明的风道的优选横截面形状为三角形和梯形。

根据本发明的原理使紊流发生器3、4具有特定的几何形状，并使二者之间以及二者与风道2的入口1之间具有预定的距离，而风道2的横截面形状则为优选的三角形或梯形，从而可以达到增加物质传递的目的，并因此增加催化转换能力，同时又使压降的增加幅度较为适度。当气流到达紊流发生器3时，由于横截面积减小，而使得气流速度局部性升高。之后，气流通过紊流发生器3并离开表面6与第二侧面7间相交处的边缘9，此时气流由于受到这一分隔并遇到横截面积急剧扩张的情况，因而产生强烈的紊流运动。这一过程会非常有效地增加物质传递能力。

第二紊流发生器4位于距第一紊流发生器为计算值P处，以使因此产生的紊流能被尽可能完全利用，并可以在气流到达第二紊流发生器以前形成一个二次接触区，如图1中以O表示的区域。这样，可以使已产生的紊流不必显著增加物质传递能力而又防止不必要的过度压降。在二次接触区O内，气体在到达第二紊流发生器之前，又在很大程度上邻近光滑表面流动。

很重要的一点是，紊流发生器3、4上的边缘9、10需要非常尖，从而产生分隔点(变速点)。如图2所示，各边缘的半径r应使得r与Dh的比值在0．04至0．2之间。

根据本发明的原理成形的紊流发生器对于高速气流同样有效。在高速时，气流即使在光滑风道中也会形成紊流。通过收敛／发散效果以及气体的分隔、二次接触机构，可使自然形成的紊流增强。

通过下面的方式可以实现根据本发明的物质传递能力的增加。物质传递能力j一般取决于下面公式：j=p·h_M·A(W_1S-W_1W)，其中h_M是物质传递系数，

A是传递表面的面积，

W_1S是气体中的物质1的含量百分比(体积)，

W_1W是表面处物质1的含量百分比，

ρ是气体的密度。

表达式W_1S-W_1W是未转换气体浓度的一个测量值。如果h_W增加，则对于一个恒定大小的表面A，其催化转换率也增加。另一方面，如果不需要增加j，换言之，即物质传递保持恒定，则可以减小风道表面面积。这样，就可以减少承载材料(金属催化转换器中的不锈钢或铝，以及涂浆层)以及催化转换器中的非常昂贵的贵金属，这样就可以获得显著的经济收益。

此外，对于该催化转换器的一个给定的前区域，希望减小风道表面的面积。这将使压降减小，从而弥补在产生紊流时引起的额外压降。这样，尽管物质传递能力增加(hW提高)，压降也会被限制而不增大。因此，较高的物质传递系数会弥补风道表面面积减小造成的影响。这样，承载材料和涂浆层以及催化转换器中的昂贵的贵金属的用量又可以减少，从而获得显著的经济收益。

对于一个预定尺寸的直风道中的所谓的气流完全形成区，其压降(对于一个给定风速)与液力直径成反比。当液力直径增加，例如增加1倍，则压降会相应减少。对于完全形成的气流与物质含量百分比来说，物质传递表面也与液力直径成反比。因此，物质传递也会减少。如果在一个相对较大的风道中装有根据本发明的紊流发生器，则压降和物质传递将增加。不需减少物质传递即可使压降值增加到适于小型风道的值。物质传递的精确数值取决于各紊流发生器的几何形状。当物质传递系数达到适于小型风道的值时，则可以只使用几乎一半的材料(承载材料、涂浆层和贵金属)就可获得相同的催化转换效果。

在一个已经测试过的根据本发明的最佳实施例中，一个三角形风道的高度为2．6mm，风道基座长度b为3．7mm，其他参数为X1=15mm；θ=45°；e=1．4mm；Dh=1．86mm；P=25mm以及B=2mm。

图3至图6中显示了根据本发明的风道的成形技术。一组波形薄金属板20和平板22(如，不锈钢或铝)交替堆放。每个波形板包含若干梯形槽24(图3中只显示了一个梯形槽)，各梯形槽垂直于波纹方向并完全穿过整个波形板。波形板还包含一些扩大区域12位于每个槽的对面。各平板22并不是完全平整的，其上包含各梯形脊26，从而形成紊流发生器。因此，每个脊26上均包含前面所述的侧面5、6、7。脊26插入相应的槽24中(见图6)，则平板22形成每个三角形风道2的基座8，而每个平板上的脊26则形成紊流发生器3、4。优选的结构是在相邻的两个三角形风道之间还安排另一个风道30，从而使平板22还形成紊流发生器32。

图7显示了一种与图6相似的结构，只是其风道2’是梯形的而不是三角形的。

当各波形板和平板堆成层叠的一组之后，将用常规的方法将它们沿一个平行于波纹的轴线缠绕起来。每个板上可在堆积和缠绕之前或之后涂上催化剂层。

虽然本发明是由其最佳实施例进行的解释，但在不脱离本发明的基本原理和范围的前提下，可对此技述作添加，减少，修改和替代。本发明的基本原理和范围将在下面的权利要求中确定。

Claims

1．催化转换器的改进，用以优化压降与物质传递能力的比值，为此目的，催化转换器具有一个风道(1)，该风道由紊流发生器(3、4)形成，紊流发生器横向延伸形成气体流动的通道，并且具有侧面(5)、上表面(6)、和前侧面(7)，其特征在于，为了满足所述要求，紊流发生器的结构要满足下列条件：

从催化转换器入口(1)到最靠近所述入口的紊流发生器(3)的中心的距离X1由下式限定：

0.01 < \frac{X_{1}}{Dh \cdot Re \cdot Sc} < 0.015

其中：Dh为风道的液力直径，

Re为雷诺数，

Sc为气体混合物的施密特数；

限定了紊流发生器(3、4)的侧面(5)相对于穿过催化转换器风道(2)的基座(8)的竖直平面的倾斜度的角θ应在35至50°之间；

上表面(6)相对于基座(8)的高度e与风道(2)的液力直径Dh之比在0．35至1．0之间；

从风道入口(1)看，第一和第二紊流发生器(3、4)的中心间的距离P与上述高度e之比在20至50之间；

每个紊流发生器(3、4)的上表面(6)的长度B与所述表面相对于催化转换器的基座(8)的高度e之比在1．5至4．0之间。