DE19507385C2 - Metallträger-Körper für Abgas- und Abluftreinigungsanlagen - Google Patents

Metallträger-Körper für Abgas- und Abluftreinigungsanlagen

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Description

Die Erfindung betrifft einen Metallträger-Körper für Abgas- und Abluftreinigungsanlagen, der bei elektrisch heizbaren Katalysatoren oder bei Katalysatoren ohne zusätzliche Beheizung eingesetzt werden kann, bestehend aus mindestens zwei dünnen, übereinander geschichteten Metallträgerfolien, wobei die eine eine wellenförmige und die andere eine glatte Struktur aufweist und beide Metallfolien gegeneinander fixiert sind. Sie beinhaltet somit die konstruktive Ausgestaltung einer Abgas- und Abluftreinigungsanlage, die bei Verbrennungskraftmaschinen jeder Bauart sowie bei diversen industriellen Prozessen eingesetzt werden kann.
Die Abgas/Abluftreinigung basiert auf dem bekannten Prinzip der katalytischen Umwandlung der im Abgas/Abluft enthaltenen Schadstoffe, insbesondere von Kohlenwasserstoffen (unverbrannte Kohlenwasserstoffe bei Motoren, Fette, Lösungsmittel, geruchsverursachende Aldehyde) Kohlenmonoxid und Stickoxiden.
Für die Reinigung von Ablüften, deren Temperatur unterhalb der erforderlichen Reaktionstemperatur zur Katalyse liegt, kann die Erfindung mittels Anlegen einer elektrischen Spannung beheizt werden.
Stand der Technik bei der katalytischen Reinigung von Abgasen aus Verbrennungskraftmaschinen sind Abgaskatalysatoren mit keramischen Monolithen oder Metallträger-Körper, die mit einem keramischen Überzug versehen sind, der die katalytisch aktiven Edelmetalle enthält.
Metallträger-Körper sind allgemein aus mindestens zwei dünnen Metallfolien aufgebaut. Eine Folie besitzt eine wellenförmige Struktur, wodurch die Kanäle für den Abgasstrom gebildet werden. Die zweite Folie ist glatt und dient als Abtrennung für die wellenförmige Folie. Die beiden Folien werden übereinander geschichtet und zu einem Körper der gewünschten Gestalt (beispielsweise kreisförmig, oval oder trapezförmig) aufgewickelt. Fixiert und damit gegen ein Teleskopieren geschützt werden die Metallträger-Körper dadurch unterschiedliche Maßnahmen. Bekannt sind Löten im Hochvakuum, Laserschweißen und Nageln. Alle Verfahren erfordern neben dem Aufwickeln der Folien einen weiteren Arbeitsgang.
Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ohne einen zusätzlichen Arbeitsgang die gewickelten Folien gegen Teleskopieren zu schützen und damit die Festigkeitsanforderungen an Abgasreinigungssysteme bei Verbrennungskraftmaschinen zu erfüllen.
Der erfindungsgemäße Metallträger-Körper für Abgas- und Abluftreinigungsanlagen, bei dem die vorgenannte Aufgabe gelöst ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Metallträgerfolie 1 mit schrägem, pfeilförmi­ gem oder einem sonstigen von der geraden Strömungs­ richtung abweichenden Wellenverlauf mit der Metallträgerfolie 2 durch in diese abschnittsweise, wechselgerichtete, schräg, pfeilörmig oder sonstig von der geraden Strömungsrichtung abweichend geprägte Wellen, die mit den Vertiefungen der Metallträgerfolie 1 übereinstimmen, eine formschlüssige Verbin­ dung bildet.
Die erfindungsgemäßen Metallträger-Körper können ohne oder mit zusätzlicher Beheizung eingesetzt werden, wobei eine elektrische Beaufschlagung durch Gleichspannung sowie zwei- oder dreiphasiger Wechselspannung erfolgen kann.
Stand der Technik bei der Reinigung von Abgasen und Ablüften, deren Temperatur nicht für die Aktivierung der katalytischen Umsetzung ausreicht, sind Systeme zur thermischen Nachverbrennung, Abgaswaschanlagen bzw. elektrisch heizbare Katalysatoren.
Systeme zur thermischen Nachverbrennung zeichnen sich durch einen sehr hohen apparativen Aufwand sowie einen starken Einsatz an thermischer Energie aus. Häufig wird diesen Systemen ein zusätzlicher Katalysator angehängt, um eine ausreichende Abgasreinigung zu erzielen.
Abgaswaschanlagen beruhen auf dem Prinzip der Abscheidung von partikulären und z. T. gasförmigen Abgasen im Wasser. Neben dem hohen apparativen Aufwand ist eine Entsorgung des sich bildenden Schadstoffschlamms problematisch.
Elektrisch heizbare Katalysatoren bestehen aus Metallträger-Körpern, wie sie bereits bei Katalysatoren ohne zusätzliche Beheizung beschrieben sind. Die Metallfolienlagen sind elektrisch leitend. Durch den Beschichtungsvorgang mit einem keramischem Überzug, der vor dem Aufwickeln der Folien zum Metallträger-Körper durchgeführt wird, werden die einzelnen Folienlagen untereinander elektrisch isoliert. Damit kann ein Stromfluß vom Anfang bis zum Ende der jeweiligen Metallfolie erfolgen. Die Folie erwärmt sich und kann ihre thermische Energie an ein umströmendes Medium abgeben. Gleichzeitig werden die Schadstoffe katalytisch umgewandelt, da sich die auf der Metallfolie befindlichen Edelmetalle ebenfalls aufheizen und katalytisch aktiv werden.
Da Abgas und Edelmetall genau an der Stelle aufgeheizt werden, wo die katalytische Umwandlung stattfinden soll, ist der Energieaufwand zur Beheizung bei einem solchen Abgasreinigungssystem vergleichsweise gering.
Nachfolgend werden anhand der schematischen Zeichnungen Ausführungsbeispiele für den Gegenstand der Erfindung erläutert. Es zeigt
Fig. 1a-1c: Konstruktive Gestaltung der beiden erfindungsgemäß eingesetzten Metallfolien,
Fig. 2: Elektrisch heizbarer Katalysator für Gleichspannung sowie zweiphasige Wechselspannung,
Fig. 3: Elektrisch heizbarer Katalysator ähnlich Fig. 2 mit inhomogener Verteilung des elektrischen Widerstandes,
Fig. 4: Elektrisch heizbarer Katalysator für dreiphasige Wechselspannung (Drehstrom).
In Fig. 1 sind zwei mögliche konstruktive Gestaltungen der beiden erfindungsgemäß eingesetzten Metallfolien skizziert. Wie Fig. 1a zeigt, wird der Metallträger-Körper aus zwei verschiedenen Metallfolien gebildet, wobei es eine komplett gewellte Folie 1 gibt. Die Folie 2 besitzt im Unterschied zur konventionellen Bauweise abschnittsweise eine oder mehrere wellenförmige Ausprägungen 3, 4, die wechselweise nach oben und nach unten ausgerichtet sind.
Fig. 1b zeigt die Draufsicht auf die abgewickelte Folie 1. Gegenüber der konventionellen Bauweise ist die Konstruktion gemäß der Erfindung dahingehend geändert, daß die Wellen nicht mehr quer zur Folienausbreitung und parallel zur Strömungsrichtung geprägt sind, sondern unter einem Schrägungswinkel 5 verlaufen bzw. pfeilförmig 6 geprägt sind.
Die Folie 2 in Fig. 1c verfügt abschnittsweise ebenfalls über schräg 5 oder pfeilförmig 6 verlaufende Wellen. Hierbei ist nur eine gepfeilte 6 Folie 1 dargestellt.
Durch das Aufeinanderschichten der beiden Folien 1, 2, wie Fig. 1a darstellt, wird mit Hilfe der schrägen bzw. pfeilförmigen Ausrichtung der Wellen ein Formschluß zwischen der komplett gewellten und der nur abschnittsweise gewellten Folie hergestellt. Ein mögliches Teleskopieren wird damit verhindert.
Ein erfindungsgemäßer Metallträger-Körper 7 ist in Fig. 2 dargestellt. Er wird aus zwei oder mehreren Metallfolien gebildet, wobei deren Gestaltung bereits beschrieben ist.
Die Folien 1, 2 werden im Zentrum des Metallträger-Körpers 7 in die inneren Metallstreifen 8, 9 eingeklemmt und auf dem Innenrohr 10 verschweißt. Neben der Befestigung der Metallstreifen besitzt das Innenrohr 10 weitere Funktionen. Es bildet einen der Pole zum Anlegen der elektrischen Spannung.
Weiterhin ermöglicht das offene Rohr eine Kühlung des zentralen Bereiches des Metallträger-Körpers 7, da hier die Wicklungsdichte der Folien am größten ist und somit die Temperatur bei Anlegen einer elektrischen Spannung zu hohe Werte erreichen kann.
Vom Innenrohr werden die Folien 1, 2 schneckenförmig aufgewickelt. Ihre Enden sind in zwei äußere Metallstreifen 11, 12 gefaßt, die an dem Außenring 13 angeschweißt werden. Der Außenring 13 bildet gleichzeitig den zweiten elektrischen Pol. Um den Außenring ist eine elektrisch nicht leitende Isoliermatte 14 angeordnet. Sie befindet sich zwischen dem Außenring 13 und dem Gehäuse 15. Das Gehäuse 15 bildet gleichzeitig den Anschluß an die Abgasrohre. Der elektrische Pol 10 im Zentrum des Metallträger-Körpers 7 wird mittels eines Metallstabes 16 durch die Öffnung 17 im Gehäuse 15 nach außen geführt. Um einen Spannungsüberschlag zwischen dem stromführenden Metallstab 16 und dem geerdeten Gehäuse 15 zu vermeiden, wird der Metallstab 16 im Bereich der Öffnung 17 in einem Keramikröhrchen 18 geführt. Gleiches gilt für den Metallstab 19 zum zweiten Pol am Außenring 13, der im Keramikröhrchen 20 geführt wird.
Die elektrische Beaufschlagung des Metallträger-Körpers 7 nach Fig. 2 kann mit Gleichspannung oder zweiphasiger Wechselspannung erfolgen. Der elektrische Widerstand und damit die Leistungsaufnahme des Metallträger-Körpers 7 kann durch die Anzahl der verwendeten Metallfolien variiert werden. Weiterhin ist eine Variation des elektrischen Widerstandes durch Veränderung der Folienbreite, der Foliendicke, der Folienlänge und des Folienmaterials möglich.
Durch Konstruktion des Metallträger-Körpers 7 nach Fig. 3 kann der elektrische Widerstand inhomogen am Umfang des Metallträger- Körpers verteilt werden. Dazu ist das Einfügen von einem oder mehreren Zwischenringen 21, 22 erforderlich, wodurch der Metallträger-Körper 7 in mehrere Segmente 23, 24, 25 unterteilt wird. Jedes Segment kann nun mit einer unterschiedlichen Anzahl an Folien 1, 2 sowie mit unterschiedlichen Folienlängen und -dicken aufgebaut werden.
Eine Beaufschlagung des Metallträger-Körpers 7 mit dreiphasiger Wechselspannung (Drehstrom) ist mit der Konstruktion nach Fig. 4 möglich. Dabei werden die Zwischenringe 21, 22 ebenfalls als Pole verwendet, die mittels der Metallstäbe 26, 27 und den Keramikröhrchen 28, 29 nach außen geführt werden. Weiterhin sind eine oder mehrere Querstrebe(n) 30 von dem Innenrohr 10 zum Außenring 13 notwendig, damit eine Dreiecksschaltung der Segmente 23, 24, 25 dargestellt wird. Mit dieser Dreieckschaltung ist es möglich, die Querschnitte der elektrischen Zuleitungen gegenüber zweiphasigen Spannungen deutlich abzusenken, da die Stromaufnahme bei gleicher Leistungsabgabe kleiner ist.
Bezugszeichenliste
1 Äußere Metallfolie
2 Innere Metallfolie
3, 4 Wechselseitige Ausprägung von 2
5 Schräge Wellung
6 Pfeilförmige Wellung
7 Metallträger-Körper
8, 9 Innere Metallstreifen
10 Innenrohr (1. Pol)
11, 12 Äußere Metallstreifen
13 Außenring (2. Pol)
14 Isoliermatte
15 Gehäuse
16 Metallstab
17 Öffnung im Gehäuse
18 Keramikröhrchen
19 Metallstab
20 Keramikröhrchen
21, 22 Zwischenringe
23, 24, 25 Segmente
26, 27 Metallstäbe
28, 29 Keramikröhrchen
30 Querstab

Claims (4)

1. Metallträger-Körper für Abgas- und Abluftreinigungsanlagen, der bei elektrisch heizbaren Katalysatoren oder bei Kataly­ satoren ohne zusätzliche Beheizung eingesetzt werden kann, bestehend aus mindestens zwei dünnen, übereinander geschich­ teten Metallträgerfolien, wobei die eine eine wellenförmige und die andere eine glatte Struktur aufweist und beide Me­ tallfolien gegeneinander fixiert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallträgerfolie (1) mit schrägem, pfeilförmi­ gem oder einem sonstigen von der geraden Strömungs­ richtung abweichenden Wellenverlauf mit der Metallträgerfolie (2) durch in diese abschnittsweise, wechselgerichtete, schräg, pfeilförmig oder sonstig von der geraden Strömungsrichtung abweichend geprägte Wellen, die mit den Vertiefungen der Metallträgerfolie (1) übereinstimmen, eine formschlüssige Verbin­ dung bildet.
2. Metallträger-Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Folien (1, 2) vor dem Aufwickeln zum Metallträger- Körper mit einem keramischen Überzug beschichtet werden.
3. Metallträger-Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zentrum des Metallträger-Körpers (7) ein offen ausgeführtes Innenrohr (10) angeordnet ist, auf dem die in die inneren Metallstreifen (8, 9) eingeklemmten Folien (1, 2) verschweißt sind und daß die in zwei äußeren Metallstreifen (11, 12) gefaßten Enden der schneckenförmig aufgewickelten Metallträgerfolien (1, 2) an den Außenring (13) angeschweißt sind, wobei das Innenrohr (10) und der Außenring (13) die Pole zur Anlegung einer elektrischen Spannung bilden.
4. Metallträger-Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Metallträger-Körper (7) durch das Einfügen von einem oder mehreren Zwischenringen (21, 22) in mehrere Segmente (23, 24, 25) unterteilt ist, daß jedes Segment (23, 24, 25) mit einer unterschiedlichen Anzahl von Folien (1, 2), mit unterschiedlichen Folienlängen und Foliendicken aufgebaut ist, wobei die Zwischenringe (21, 22) und der Außenring (13) die Pole zur Beaufschlagung mit dreiphasiger Wechselspannung bilden.
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