-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung einer Fluidströmung. Das Verfahren wird insbesondere bei der Behandlung eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt. Bevorzugt wird das Verfahren jedoch für chemische Prozesse im Rahmen einer Fischer-Tropsch-Synthese (Kohlenstoffmonoxid reagiert mit Wasserstoff zu Kohlenwasserstoffverbindungen), bei der Methanisierung (Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid reagieren zusammen mit Wasserstoff zu Methan) und im Rahmen eines Sabatier-Prozesses (Kohlendioxid und Wasserstoff reagieren zu Methan) eingesetzt. Das Verfahren ist aber grundsätzlich für jede exotherme, heterogen katalysierte Gasphasenreaktion (also für jede exotherme Umwandlung von Gasen an z. B. festen oder flüssigen Katalysatoren) geeignet.
-
Bei den oben genannten Prozessen wird ein Gasgemisch über einen Katalysator geleitet. Unter anderem wurden bei diesen Prozessen bisher Pelletkatalysatoren eingesetzt, die eine Abfuhr der bei den exothermen Reaktionen entstehenden Wärme (aber nur in geringem Maße) sicherstellen können. Diese Form von Katalysatoren verursachen jedoch hohe Anlagenkosten, wobei gleichzeitig der Durchsatz durch den Katalysator begrenzt ist, weil zur ausreichenden Wärmeabfuhr nur Rohre mit geringen Durchmessern eingesetzt werden konnten (für Pelletkatalysatoren mit geringer Querschnittsfläche).
-
Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, die im Zusammenhang mit dem Stand der Technik geschilderten technischen Probleme zu lösen bzw. zumindest zu lindern. Es soll insbesondere ein besonders vorteilhaftes Verfahren zur Beeinflussung einer Fluidströmung vorgeschlagen werden, das einerseits kostengünstig ist und/oder andererseits höhere Durchsätze erlaubt und/oder das Wärmemanagement in den oben angeführten Prozessen vorteilhaft beeinflusst.
-
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Die in den Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können durch erläuternde Sachverhalte aus der Beschreibung ergänzt werden, wobei weitere Ausführungsvarianten der Erfindung aufgezeigt werden.
-
Es wird ein Verfahren zur Beeinflussung einer Fluidströmung vorgeschlagen, wobei die Fluidströmung in einer Fluidleitung mit einer Wandung vorliegt. Ein Wabenkörper mit einer Fluideintrittsseite und einer Fluidaustrittsseite ist in der Fluidleitung angeordnet; wobei der Wabenkörper bevorzugt mindestens eine zumindest teilweise strukturierte metallische Lage aufweist, die zumindest teilweise eine Wabenstruktur mit einer Querschnittsfläche und mit für die Fluidströmung von der Fluideintrittsseite zur Fluidaustrittsseite durchströmbaren Kanäle ausbildet. Der Wabenkörper weist eine äußere Begrenzung auf, insbesondere nach Art eines Mantels oder einer Außenwand. Die Wabenstruktur weist eine umlaufende, begrenzungsnahe äußere Zone und eine innerhalb der äußeren Zone angeordnete zentrale Zone auf, wobei die äußere Zone höchstens 70 %, insbesondere höchstens 40 % und bevorzugt höchstens 20 % der Querschnittsfläche umfasst. Das Verfahren umfasst zumindest die folgenden Schritte:
- a) Bereitstellen der Fluidströmung stromaufwärts des Wabenkörpers;
- b) Eintritt der Fluidströmung in den Wabenkörper über die Fluideintrittsseite, wobei an der Fluideintrittsseite die durchschnittliche erste Einströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der begrenzungsnahen äußeren Zone geringer ist als die durchschnittliche zweite Einströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der zentralen Zone;
- c) zumindest teilweise Umlenkung der Fluidströmung in einer radialen Richtung nach außen, so dass an der Fluidaustrittsseite die durchschnittliche erste Ausströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in zumindest einem Teilbereich der begrenzungsnahen äußeren Zone mindestens 20 %, bevorzugt mindestens 40 %, höher ist als die durchschnittliche zweite Ausströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der zentralen Zone.
-
Das Verfahren ist insbesondere darauf gerichtet, eine übliche Rohrströmung (mit einer langsameren Fluidströmung im wandungsnahen Bereich) so umzulenken, dass stromabwärts des Wabenkörpers die Fluidströmung im wandungsnahen Bereich schneller strömt als im zentralen Bereich der Fluidleitung. Diese Umlenkung der Fluidströmung bewirkt auch, dass Wärme der Fluidströmung über die Wandung der Fluidleitung in verstärktem Maß entzogen werden kann.
-
Selbstverständlich kann das Verfahren bzw. der Wabenkörper auch so angepasst werden, dass ein inverser Effekt eingestellt wird, also eine fokussierte Umlenkung nach innen mit entsprechender Anhebung der Ausströmgeschwindigkeit in der zentralen Zone.
-
Damit ist das Verfahren insbesondere für die eingangs angeführten Prozesse einsetzbar. Folglich handelt es sich bei dem hier vorgeschlagenen Verfahren zur Beeinflussung einer Fluidströmung insbesondere um eines im Zusammenhang mit:
- – einer Fischer-Tropsch-Synthese
- – einer Methanisierung, oder
- – eines Sabatier-Prozesses.
-
Insbesondere wird also vorgeschlagen, bei dem Verfahren einen Wabenkörper (oder gegebenenfalls auch eine Mehrzahl von Wabenkörpern) einzusetzen, durch den die Fluidströmung verstärkt in Richtung hin zu einer äußeren Wandung umgelenkt wird. Der Wabenkörper kann mit den für die obigen Prozesse dauerhaltbaren Materialien gefertigt sein, z. B. aus Metall oder Keramik (ggf. auch mit einem Rapid-Prototype-Verfahren oder einem Schicht-Druck-Verfahren).
-
Das Verfahren ist also nicht auf eine Vergleichmäßigung der Strömungsgeschwindigkeiten gerichtet. Im Gegenteil, hier soll gerade eine ungleichmäße Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit erreicht werden, wobei im wandungsnahen Bereich höhere Strömungsgeschwindigkeiten als in einer zentralen Zone vorliegen sollen.
-
Mit „durchschnittlicher“ (erster und zweiter Ein-/Aus-)Strömungsgeschwindigkeit ist hier jeweils die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung in der äußeren Zone und der zentralen Zone gemeint. Zur Unterscheidung bzw. Festlegung der äußeren Zone und der zentralen Zone können geometrische Größen zur Veranschaulichung herangezogen werden, wie z. B. eine hälftige Teilung des Durchmessers des Wabenkörpers. Ebenso ist möglich, in etwa den Bereich als Grenze zu wählen, bei dem ein signifikanter Abfall der Strömungsgeschwindigkeit der Fluidströmung nahe der Wand zu identifizieren ist. Falls der Wabenkörper eine singuläre Unregelmäßigkeit (z. B. eine zentrale Quetschzone und/oder ein Wickelloch) aufweist, sollte sich die zentrale Zone mindestens über den doppelten Durchmesser dieser Unregelmäßigkeit erstrecken.
-
Insbesondere ist der Wabenkörper im Wesentlichen zylindrisch ausgeführt. Es sind aber auch quaderförmige, vieleckige, konische oder andere Ausführungsformen möglich.
-
Insbesondere wird die Wabenstruktur durch mindestens eine strukturierte metallische Lage gebildet, die an den Stirnflächen des Wabenkörpers (Fluideintrittsseite und Fluidaustrittsseite) jeweils eine Querschnittsfläche bildet mit für die Fluidströmung von der Fluideintrittsseite zur Fluidaustrittsseite durchströmbaren Kanälen.
-
Insbesondere kann die Wabenstruktur auch durch keramische Werkstoffe gebildet werden, die üblicherweise zur Herstellung von Wabenkörpern, z. B. für die Behandlung von Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen, vorgesehen sind. Allerdings ist die Ausgestaltung mit mindestens einer metallischen Lage vorteilhafter, da die besonders vorteilhaften Ausgestaltungen (spiralförmige Wicklung, Leitflächen zur effektiven Umlenkung, Öffnungen) bei gleicher Leistungsfähigkeit kostengünstiger hergestellt werden können.
-
Die mindestens eine strukturierte metallische Lage ist insbesondere aus einer korrosionsfesten, hitzebeständigen Legierung (z. B. einer Stahllegierung mit Anteilen von Chrom, Nickel und Aluminium; z. B. Werkstoffnummern 1.4767, 1.4725 nach Norm EN 10027-2:1992-09) hergestellt und weist eine Dicke von 10 µm [Mikrometer] bis 100 µm auf. Insbesondere können alle in der chemischen Verfahrenstechnik gängigen Stähle eingesetzt werden. Die Wabenstruktur weist insbesondere eine Zelldichte von 10 bis 1000 cpsi (cells per square inch) auf. Insbesondere erstreckt sich die Wabenstruktur bis hin zur äußeren Begrenzung des Wabenkörpers. Die äußere Begrenzung bildet ein Gehäuse des Wabenkörpers und ist mit der Fluidleitung verbunden oder bildet die Wandung der Fluidleitung (zumindest in dem Bereich des Wabenkörpers).
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die mindestens eine metallische Lage spiralförmig gewickelt. Insbesondere ist die Wabenstruktur aus genau einer einzelnen glatten und einer einzelnen strukturierten metallischen Lage aufgebaut, die aufeinanderliegend spiralförmig gewickelt sich von innen nach radial außen erstrecken. Insbesondere wird so vermieden, dass metallische Lagen gefaltet und dann spiralförmig gewickelt werden. Insbesondere bilden also diese einzelne glatte und einzelne strukturierte Lage die gesamte Wabenstruktur.
-
Bei Versuchen hat sich herausgestellt, dass gerade eine spiralförmige Wicklung der mindestens einen metallischen Lage eine effektivere Umlenkung der Fluidströmung bewirkt, wenn Anzahl und/ oder Gestalt von Strömungsleitflächen und Öffnungen angepasst ausgeführt sind. Mit der hier angegebenen funktionalen Auslegungsvorschrift stellt das für einen Fachmann kein Problem dar und kann mit einer (kontinuierlichen und klassischen) Rohrströmung auch einfach überprüft werden. Die Fluidströmung wird gleichmäßig nach radial außen transportiert, so dass insbesondere die umlaufende Innenfläche der Fluidleitung stromabwärts des Wabenkörpers gleichmäßig von der Fluidströmung beaufschlagt wird.
-
Insbesondere wird die Fluidströmung während der Durchströmung des Wabenkörpers durch eine katalytische Beschichtung des Wabenkörpers zumindest teilweise katalytisch umgewandelt. Insbesondere findet hier eine exotherme Reaktion statt, so dass die durchschnittliche Temperatur der Fluidströmung stromabwärts des Wabenkörpers im Vergleich zur durchschnittlichen Temperatur der Fluidströmung stromaufwärts des Wabenkörpers deutlich erhöht ist (mehr als 100 K [Kelvin] Differenz). Insbesondere nimmt die durchschnittliche Temperatur der Fluidströmung um 30 K pro 100 mm [Millimeter] Länge des Wabenkörpers (entlang der Achse) zu.
-
Insbesondere umfasst die katalytische Beschichtung einen Washcoat, so dass die effektive Oberfläche der Wabenstruktur für die Kontaktierung des Fluidstroms weiter vergrößert wird. Insbesondere umfasst die katalytische Beschichtung (ausschließlich) oxidierende Katalysatoren, die stark exotherme Reaktionen katalysieren.
-
Das Verfahren ist zwar besonders geeignet, jedoch nicht auf die eingangs erwähnten Prozesse beschränkt. Insbesondere kann das Verfahren auch im Rahmen eines Wärmetauscher-Prozesses eingesetzt werden. Dabei kann z. B. eine Fluidströmung innerhalb des Wabenkörpers katalytisch umgesetzt werden, wobei infolge der exothermen Reaktion die Fluidströmung erwärmt wird. Diese Wärme wird durch den Wabenkörper hin zur Wandung der Fluidleitung transportiert und kann von dort zur Erhitzung eines Mediums oder einer Umgebung außerhalb der Fluidleitung eingesetzt werden.
-
Bevorzugt ist der Wabenkörper im Wesentlichen aus abwechselnden glatten und strukturierten metallischen Lagen gebildet, wobei die glatten metallischen Lagen zumindest Öffnungen und die strukturierten metallischen Lagen zumindest Strömungsleitflächen aufweisen. Insbesondere können sowohl glatte als auch strukturierte Lagen Öffnungen und Strömungsleitflächen aufweisen.
-
Insbesondere sind alle Strömungsleitflächen in dem Wabenkörper gleichermaßen ausgerichtet, das heißt, die Fluidströmung wird in immer gleicher Weise aus einem Kanal zumindest teilweise heraus in einen benachbarten Kanal überführt.
-
Insbesondere strömt die Fluidströmung von einem Kanal in einen benachbarten Kanal in jedem Fall durch Öffnungen in einer glatten Lage. Die Öffnungen sind bevorzugt rund. Die Öffnungen haben bevorzugt einen Radius, der mindestens 50 %, insbesondere mindestens 100 % und ganz besonders bevorzugt mindestens 170 % der Querschnittsweite des Kanals des Wabenkörpers beträgt. Absolut gesehen ist bevorzugt, dass die Öffnung einen Radius im Bereich von 5 bis 13 mm [Millimeter] haben, insbesondere im Bereich von 7 bis 10 mm.
-
Insbesondere weisen die strukturierten metallischen Lagen Strömungsleitflächen auf, die alle die Fluidströmung in eine gemeinsame Richtung (z. B. nach radial außen oder in einen weiter radial außen liegenden Kanal) umlenken. Insbesondere sind in jedem Kanal mindestens vier, bevorzugt mindestens acht oder sogar mindestens elf Strömungsleitflächen pro 150 mm Länge des Kanals des Wabenkörpers (entlang der Achse) hintereinander angeordnet. Insbesondere beträgt der Abstand zwischen zwei Strömungsleitflächen innerhalb eines Kanals (entlang der Achse vom Ende der einen Strömungsleitfläche bis zum Anfang der nächsten Strömungsleitfläche) mindestens 10 mm [Millimeter], bevorzugt mindestens 12 mm. Die Länge einer Strömungsleitfläche (entlang der Achse vom Anfang bis zum Ende einer einzelnen Strömungsleitfläche) beträgt mindestens 3 mm, insbesondere mindestens 7 mm. Insbesondere sind in allen Kanälen Strömungsleitflächen angeordnet. Insbesondere erstreckt sich eine Strömungsleitfläche so weit in einen Kanal, dass mindestens 60 % der Kanalquerschnittsfläche durch die Strömungsleitfläche verdeckt ist. Die Strömungsleitfläche erstreckt sich also ausgehend von der Kanalwand in das Innere des Kanals, so dass die Fluidströmung im Kanal auf die Strömungsleitfläche trifft und umgelenkt wird. Insbesondere wird je Strömungsleitfläche mindestens 25 %, bevorzugt mindestens 40 % der Fluidströmung aus einem Kanal herausgeführt. Bevorzugt sind auch die Anzahl der Strömungsleitflächen pro Kanal etwa konstant (z. B. maximal +/–2) und/oder die Form aller Strömungsleitflächen gleich.
-
Die oben genannten Parameter für die Anordnung der Strömungsleitflächen ist besonderes vorteilhaft. Es wird eine maximale Umleitung der Fluidströmung erreicht und insbesondere der Druckverlust bei der Durchströmung des Wabenkörpers gering gehalten.
-
Insbesondere ist an der Fluideintrittsseite die durchschnittliche zweite Einströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der zentralen Zone um einen Faktor 2 bis 3 größer als die durchschnittliche erste Einströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der begrenzungsnahen äußeren Zone.
-
Insbesondere ist an der Fluidaustrittsseite die durchschnittliche erste Ausströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in zumindest einem Teilbereich oder in der gesamten begrenzungsnahen äußeren Zone mindestens 20 %, insbesondere mindestens 40 %, bevorzugt 100 % bis 400 % höher als die durchschnittliche zweite Ausströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der zentralen Zone. Ganz besonders bevorzugt ist an der Fluidaustrittsseite die durchschnittliche erste Ausströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in zumindest einem Teilbereich oder in der gesamten begrenzungsnahen äußeren Zone 200 % bis 400 %, insbesondere 300 % bis 400 % höher als die durchschnittliche zweite Ausströmgeschwindigkeit der Fluidströmung in der zentralen Zone.
-
Weiterhin wird ein Wabenkörper für den Einsatz in dem erfindungsgemäßen Verfahren vorgeschlagen, wobei der Wabenkörper eine Fluideintrittsseite und eine Fluidaustrittsseite sowie eine äußere Begrenzung aufweist. Der Wabenkörper weist für eine Fluidströmung von der Fluideintrittsseite zur Fluidaustrittsseite durchströmbare Kanäle auf. Die Kanäle (also die Kanäle bildenden Kanalwände) weisen zumindest teilweise Öffnungen und Strömungsleitflächen zur Umlenkung der Fluidströmung in einer radialen Richtung nach außen und zumindest teilweise eine katalytische Beschichtung auf.
-
Der Wabenkörper weist insbesondere mindestens eine zumindest teilweise strukturierte metallische Lage auf, die insbesondere die Kanäle bildet. Insbesondere weist die mindestens eine metallische Lage zumindest teilweise Öffnungen und Strömungsleitflächen zur Umlenkung der Fluidströmung in einer radialen Richtung nach außen auf und zumindest teilweise eine katalytische Beschichtung.
-
Die Ausführungen zu dem erfindungsgemäßen Verfahren gelten gleichermaßen für den Wabenkörper und umgekehrt.
-
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere vorgeschlagen, eine Fluidströmung so nach radial außen umzulenken, dass einerseits eine möglichst große katalytisch aktive Oberfläche von einem Großteil der Fluidströmung überströmt wird und andererseits ein großer Anteil der infolge der katalytischen Reaktion entstandenen Wärme über die Fluidleitung stromabwärts des Wabenkörpers nach außerhalb abgeführt wird. Diese Ziele können durch die angepasste Ausgestaltung des Wabenkörpers beeinflusst werden. Eine stärkere Umlenkung innerhalb des Wabenkörpers vergrößert zum einen die durchschnittliche erste Ausströmgeschwindigkeit in der begrenzungsnahen Zone, wobei die von der Fluidströmung überströmte katalytisch aktive Oberfläche dadurch reduziert wird (die Oberflächen der zentralen Zone im stromabwärtigen Teil des Wabenkörpers werden nur noch von geringen Anteilen der Fluidströmung überströmt).
-
Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen besondere Ausführungsbeispiele, auf welche die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Insbesondere ist darauf hinzuweisen, dass die Figuren und vor allem die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse nur schematisch sind. Es zeigen:
-
1: Wabenkörper in einer Fluidleitung im Schnitt;
-
2: einen Wabenkörper in einer Seitenansicht im Schnitt;
-
3: einen Wabenkörper im Querschnitt;
-
4: mehrere Lagen einer Wabenstruktur in perspektivischer Ansicht;
-
5: eine bevorzugte Ausführungsvariante eines Wabenkörpers im Querschnitt, und
-
6: eine bevorzugte Ausführungsvariante einer Wabenstruktur in einer perspektivischen Ansicht.
-
1 zeigt mehrere Wabenkörper 4, die in Strömungsrichtung hintereinander entlang einer Achse 23 in einer Fluidleitung 2 angeordnet sind. Die Fluidleitung 2 weist eine Wandung 3 auf, die die einzelnen Wabenkörper 4 unmittelbar umfasst. Eine Fluidströmung 1 strömt entlang der Achse 23 durch die Fluidleitung 2 hin zu dem Wabenkörper 4. In der 1 sind die Strömungsgeschwindigkeiten 24 der Fluidströmung 1 in der Fluidleitung 2 verdeutlicht. Es ist erkennbar, dass die Strömungsgeschwindigkeiten 24 in Wandungsnähe geringer sind als in der Mitte der Fluidleitung 2. Es handelt sich in etwa um das übliche Profil von Strömungsgeschwindigkeiten 24 in einer Fluidleitung 2 (Rohrströmung). Die Fluidströmung 1 tritt über eine Fluideintrittsseite 5 in den ersten Wabenkörper 4 ein. Die Wabenstruktur 8 des Wabenkörpers 4 ist so aufgebaut, dass die Fluidströmung 1 in einer radialen Richtung 16, ausgehend von der Achse 23, jeweils nach außen umgelenkt wird. Die Fluidströmung 1 tritt aus der Fluidaustrittsseite 6 des Wabenkörpers 4 wieder aus, wobei sich nun das Profil der Strömungsgeschwindigkeiten 24 geändert hat (siehe Ausführungen zu 2). Die Durchströmung des zweiten Wabenkörpers 4 erfolgt gleichermaßen. Die Gestaltung der Fluidleitung 2 ist hier nur beispielhaft mit konischen Abschnitten 25 ausgeführt. Wabenkörper 4 können auch in derartigen konischen Abschnitten 25 angeordnet sein und weisen dann entsprechend konische Wabenstrukturen 8 auf.
-
2 zeigt einen Wabenkörper 4 in einer Seitenansicht im Schnitt, wobei die Profile der Strömungsgeschwindigkeiten 24 hier im Detail gezeigt sind. Der Wabenkörper 4 weist eine äußere Begrenzung 11 auf, die auch die Wandung 3 der Fluidleitung 2 darstellen kann. Insbesondere ist die äußere Begrenzung 11 ein Gehäuse, mit dem die Wabenstruktur 8 verbunden ist, so dass ein Wabenkörper 4 gebildet ist. Dieser Wabenkörper 4 kann in Fluidleitungen 2 eingesetzt werden. Die Fluidströmung 1 weist an der Fluideintrittsseite 5 des Wabenkörpers 4 ein Profil der Strömungsgeschwindigkeiten 24 auf, das dem Profil einer Rohrströmung entspricht. In einer umlaufenden, begrenzungsnahen äußeren Zone 12 liegt eine geringere durchschnittliche erste Einströmgeschwindigkeit 14 vor und in einer, von der äußeren Zone 12 umschlossenen zentralen Zone 13 eine größere durchschnittliche zweite Einströmgeschwindigkeit 15.
-
Mit „durchschnittlicher“ (erster und zweiter Ein-)Strömungsgeschwindigkeit 14, 15 ist hier jeweils die gemittelte Strömungsgeschwindigkeit 24 der Fluidströmung 1 in der äußeren Zone 12 und der zentralen Zone 13 gemeint. Es wird darauf hingewiesen, dass unmittelbar vor dem Wabenkörper 4 bereits ein Staudruck vorliegen kann, so dass die Strömungsgeschwindigkeiten 24 von dem gezeigten Profil leicht abweichen können.
-
Die Wabenstruktur 8 des Wabenkörpers 4 wird durch Lagen 7 gebildet, die für die Fluidströmung 1 durchströmbare Kanäle 10 formen. Die Lagen 7 weisen Öffnungen 21 und Strömungsleitflächen 22 auf. Die Strömungsleitflächen 22 und Öffnungen 21 bewirken eine Umlenkung der Fluidströmung 1 innerhalb der Wabenstruktur 8 in einer radialen Richtung 16 nach außen, ausgehend von der zentralen Achse 23, hin zur äußeren Begrenzung 11. Die Fluidströmung 1 wird also aus einem Kanal 10 über Öffnungen 21 und durch Strömungsleitflächen 22 in jeweils benachbarte Kanäle 10 überführt. Infolge der Umlenkung weist die Fluidströmung 1 an der Fluidaustrittsseite 6 des Wabenkörpers 4 ein verändertes Profil der Strömungsgeschwindigkeiten 24 auf. Hier ist die durchschnittliche erste Ausströmgeschwindigkeit 17 in der begrenzungsnahen äußeren Zone 12 mindestens 20 % größer als die durchschnittliche zweite Ausströmgeschwindigkeit 19 der Fluidströmung 1 in der zentralen Zone 13. Die Strömungsleitflächen 22 weisen jeweils eine Länge 27 (gemessen parallel zur Achse 23) auf und sind in einem Abstand 28 voneinander entfernt (entlang der Achse 23) angeordnet.
-
Die Fluidströmung 1 wird also durch den Wabenkörper 4 hin zur äußeren Begrenzung 11 bzw. hin zur Wandung 3 der Fluidleitung 2 umgelenkt. Diese Umlenkung führt zu einem intensiveren Kontakt zwischen Fluidströmung 1 und Innenfläche 26 der Wandung 3, so dass Wärme aus der Fluidströmung 1 in erhöhtem Maß an die Wandung 3 abgegeben, bzw. über die Wandung 3 abgeführt wird.
-
3 zeigt einen Wabenkörper 4 im Querschnitt. Der Wabenkörper 4 weist eine äußere Begrenzung 11 auf und innerhalb der äußeren Begrenzung 11 eine Wabenstruktur 8, die durch spiralförmig gewickelte, glatte und strukturierte (hier gewellte) metallische Lagen 7 gebildet wird. Die Wabenstruktur 8 weist Kanäle 10 mit Kanalquerschnittsflächen 29 auf. Die Lagen 7 weisen Öffnungen 21 und Strömungsleitflächen 22 auf, durch die die Fluidströmung 1 von einem Kanal 10 in jeweils benachbarte Kanäle 10 überführt wird (siehe Pfeile der Strömungsgeschwindigkeiten 24). Die an die äußere Begrenzung 11 sich unmittelbar anschließende äußere Zone 12 umfasst höchstens 20 % der gesamten Querschnittsfläche 9 der Wabenstruktur 8. Die Umlenkung der Fluidströmung 1 innerhalb der Wabenstruktur 8 kann auch derart erfolgen, dass nur zumindest in einem Teilbereich 18 der begrenzungsnahen äußeren Zone 12 eine erhöhte durchschnittliche erste Ausströmgeschwindigkeit 17 vorliegt, die mindestens 20 % schneller ist als die durchschnittliche zweite Ausströmgeschwindigkeit 19 in der zentralen Zone 13.
-
4 zeigt mehrere Lagen 7 einer Wabenstruktur 8 in einer perspektivischen Ansicht. Es sind glatte und strukturierte Lagen 7 aufeinander angeordnet, so dass Kanäle 10 gebildet sind, durch die die Fluidströmung 1 von einer Fluideintrittsseite 5 hin zu einer Fluidaustrittsseite 6 strömt. Die Lagen 7 weisen eine Beschichtung 20 auf. Hier weist die strukturierte Lage 7 Öffnungen 21 und Strömungsleitflächen 22 auf, so dass die Fluidströmung 1 von einem Kanal 10 in einen benachbarten Kanal 10 überführt wird. Die glatte Lage 7 weist hier nur Öffnungen 21 auf, die insbesondere mit den Strömungsleitflächen 22 der strukturierten Lage 7 zusammenwirken, so dass eine stärkere Umlenkung der Fluidströmung 1 innerhalb der Wabenstruktur 8 erreicht wird. Es wird darauf hingewiesen, dass auch die glatte Lage 7 Öffnungen 21 und Strömungsleitflächen 22 aufweisen kann.
-
5 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante eines Wabenkörpers 4 im Querschnitt. Die Wabenstruktur 8 wird durch eine glatte und eine strukturierte (gewellte) metallische Lage 7 gebildet, die, aufeinander gestapelt angeordnet (also zwei Lagen 7), sich entlang der spiralförmigen Linie von innen nach außen hin zur äußeren Begrenzung erstrecken. Insbesondere sind die Lagen 7 wie in 6 dargestellt ausgebildet.
-
6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsvariante einer Wabenstruktur 8 in einer perspektivischen Ansicht. Es sind glatte und strukturierte Lagen 7 aufeinander angeordnet, so dass Kanäle 10 gebildet sind, durch die die Fluidströmung 1 von einer Fluideintrittsseite 5 hin zu einer Fluidaustrittsseite 6 strömt. Die Lagen 7 weisen eine Beschichtung 20 auf. Hier weist die strukturierte Lage 7 Öffnungen 21 und Strömungsleitflächen 22 auf, so dass die Fluidströmung 1 von einem Kanal 10 in einen benachbarten Kanal 10 überführt wird. Die glatte Lage 7 weist hier nur Öffnungen 21 (nicht sichtbar) auf, die insbesondere mit den Strömungsleitflächen 22 der strukturierten Lage 7 zusammenwirken, so dass eine stärkere Umlenkung der Fluidströmung 1 innerhalb der Wabenstruktur 8 erreicht wird. Die strukturierte Lage 7 weist Öffnungen 21 und Strömungsleitflächen 22 (teilweise zusammenwirkend angeordnet) auf, so dass die Fluidströmung 1 in jedem Fall in einer gleichen radialen Richtung 16 über eine Öffnung 21 in der glatten Lage 7 in einen Kanal 10 einer benachbarten strukturierten Lage 7 überführt führt.
-
Vorsorglich sei noch darauf hingewiesen, dass die in den Figuren gezeigten Kombinationen von technischen Merkmalen nicht generell zwingend sind. So können technische Merkmale einer Figur mit anderen technischen Merkmalen einer weiteren Figur und/oder der allgemeinen Beschreibung kombiniert werden. Etwas anderes soll nur gelten, wenn hier explizit die Kombination von Merkmalen ausgewiesen wurde und/oder der Fachmann erkennt, dass sonst die Grundfunktionen der Vorrichtung nicht mehr erfüllt werden können. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren bezeichnen gleiche Gegenstände.
-
Durch das beschriebene Verfahren und den Wabenkörper wird es ermöglicht, eine besonders kostengünstige und effektive Strömungsbeeinflussung zu realisieren. Insbesondere kann so eine effektive Wärmeübertragung von der Fluidströmung 1 auf/über die äußere Begrenzung 11 bzw. über die Wandung 3 erreicht werden. Weiterhin ermöglicht eine Wabenstruktur, dass eine große effektive Oberfläche für einen Katalysator bereitgestellt wird. Dies gilt umso mehr, wenn auf den Lagen 7 ein Washcoat als Beschichtung 20 angeordnet wird, der die katalytisch aktiven Komponenten auf der somit weiter vergrößerten Oberfläche trägt.
-
Der Wabenkörper 4 ermöglicht also eine effektive Umlenkung und damit verbesserte Wärmeabfuhr und eine effektive katalytische Umsetzung einer Fluidströmung 1.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Fluidströmung
- 2
- Fluidleitung
- 3
- Wandung
- 4
- Wabenkörper
- 5
- Fluideintrittsseite
- 6
- Fluidaustrittsseite
- 7
- Lage
- 8
- Wabenstruktur
- 9
- Querschnittsfläche
- 10
- Kanal
- 11
- äußere Begrenzung
- 12
- äußere Zone
- 13
- zentrale Zone
- 14
- erste Einströmgeschwindigkeit
- 15
- zweite Einströmgeschwindigkeit
- 16
- radiale Richtung
- 17
- erste Ausströmgeschwindigkeit
- 18
- Teilbereich
- 19
- zweite Ausströmgeschwindigkeit
- 20
- Beschichtung
- 21
- Öffnung
- 22
- Strömungsleitfläche
- 23
- Achse
- 24
- Strömungsgeschwindigkeit
- 25
- Abschnitt
- 26
- Innenfläche
- 27
- Länge
- 28
- Abstand
- 29
- Kanalquerschnittsfläche
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- Norm EN 10027-2:1992-09 [0015]
