DE3109609A1 - "schadstoff-filter fuer abgase" - Google Patents

"schadstoff-filter fuer abgase"

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DE3109609A1 DE19813109609 DE3109609A DE3109609A1 DE 3109609 A1 DE3109609 A1 DE 3109609A1 DE 19813109609 DE19813109609 DE 19813109609 DE 3109609 A DE3109609 A DE 3109609A DE 3109609 A1 DE3109609 A1 DE 3109609A1
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Siegfried Dr. 5110 Alsdorf Förster
Nicolaos Dipl.-Phys. 5170 Jülich Iniotakis
Peter Dr. 5100 Aachen Quell
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Kernforschungsanlage Juelich GmbH
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Description

Kernforschungsanlage Jülich Gesellschaft mit be schränkter Haftung, D-517o Jülich
Schadstoff-Filter für Abgase
lo:
Die Erfindung betrifft einen Schadstoff-Filter für Abgase, insbesondere für die Beseitigung von Schadstoffen in Verbrennungsgasen von mit fossilen Brennstoffen befeuerten Heizeinrichtungen sowie Verbrennungskraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse angeordneten, von den Abgasen durchströmten Filtermatrix.
Die Verbrerinungsgase von Heizeinrichtungen und Verbrennungsmotoren enthalten eine Reihe von Schadstoffen, so beispielsweise Schwefeloxide, Kohlenmonoxid, Stickoxide und Kohlenwasserstoffe sowie metallische Verunreinigungen wie Blei, Cadmium und andere. An deren Beseitigung werden durch strenge gesetzliche Bestimmungen immer höhere Anforderungen gestellt.
25
Bisher wurden zur Beseitigung der Schadstoffe entsprechend ihrer Art verschiedenste Einrichtungen vorgesehen. Bei Heizeinrichtungen werden vielfach tfeutralisationsmittel zugegeben, um dort häufiger vorkommende saure Be-
standteile zu eliminieren. Für Verbrennungsmotoren sind Nachverbrennungsanlagen, Abgasrückführrungen, Filter oder Katalysatoren entwickelt worden, um insbesondere Kohlenmonoxid, Stickoxide und auch metallische Schadstoffe zu entfernen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schadstoff-Filter zu finden, der sich durch vielseitige Verwendbarkeit, ein breites Spektrum der Schadstoffelimination, einfachen Aufbau und geringen Druckverlust auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Filtermatrix aus aufeinandergelegten Wellblechelemente besteht, wobei die Wellenkämme der jeweils benachbarten Wellblechelemente im Winkel zueinander verlaufen.
Aufgrund dieser Anordnung kreuzen sich die Wellenkämme der übereinanderliegenden Wellblechelemente unter einem bestimmten Winkel, wobei das zwischen den Elementen hindurchströmende Gas zu entsprechenden Richtungsänderungen gezwungen wird. Dabei treffen die in den Abgasen enthaltenen Schadstoffteilchen auf die Metalloberflächen auf, wobei die Schadstoffmoleküle, wie z.B. CO, NO2, SO2 und
Kohlenwasserstoff dissoziieren, als Atome in das Metall diffundieren und dort anlagern. Metallatome wie z.B. Blei können durch Diffusion und Anlagerung in der Filtermatrix sowie durch Chemiesorption und Kondensation auf der Matrixoberfläche festgehalten werden. Dabei zeichnet sich das erfindungsgemäße Schadstoff-Filter durch Einfachheit, geringen Druckverlust, breites Wirkungsspektrum und kompakte Bauweise aus.
In Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die WeI-lenkämme symmetrisch, also in jeweils gleichem Winkel,
■■b-
zur Durchströmrichtung verlaufen.
Je nach Ausbildung der erfindungsgemäßen Wellblecheleraente kann die Filtermatrix verschieden aufgebaut werden. 5
So können die Wellblechelemente als vorzugsweise rechteckige Wellblechplatten ausgebildet sein, die zu einem Plattenpaket aufeindandergelegt werden und so die Filtermatrix bilden. Dieses Plattenpaket kann dann in ein entsprechendes, im Querschnitt rechteckförmiges Gehäuse eingesetzt werden, so daß die Abgase gezwungen werden, zwischen den Platten hindurchzuströmen.
Die Wellblechelemente können auch zu einem mäanderförmig gefalteten Band aneinandergefügt werden, wobei sich im Grunde dieselben Strömungsverhältnisse wie bei dem Plattenpaket ergeben.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen Wellblechwickel zu bilden, in dem zwei Wellblechstreifen übereinanderliegend beispielsweise auf einen Dorn aufgewickelt werden. Die beiden Wellblechstreifen haben dann Wellenkämme mit unterschiedlichem Verlauf, so daß die Wellen-.kämme der jeweils benachbarten Wellblechstreifen auf dem Wickel einen Winkel einschließen. Dabei ist es zweckmäßig, zwei gleichartige Wellblechstreifen so aufeinandergelegt zu einem Blechwickelt aufzuwickeln, daß sich die Wellenkämme benachbarter Wellblechstreifen kreuzen.
Die Wellblechelemente sollten im Querschnitt etwa sinusförmige Wellen aufweisen, da diese Wellen geringe Druckverluste verursachen. Es sind jedoch auch andere Wellenformen denkbar, beispielsweise im Querschnitt dreieckförmige oder trapezförmige.
Das Material für die Wellblechelemente kann dem jeweiligen Einsatzzweck, insbesondere der Temperaturbelastung durch Verbrennungsgase sowie der Art der Schadstoffe angepaßt werden. Bei heißen Verbrennungsgasen sollten die Wellblechelemente aus hitzefesten Metallen, beispielsweise hitzefesten Stählen bestehen. Als besonders geeignet für hohe Temperaturen haben sich die hitzefesten Werkstoffe Incoloy-8oo oder Inconel-6oo herausgestellt. Bei niedrigen Temperaturen kann dagegen z.B. Kupfer oder V2A zur Anwendung kommen.
Für das Gehäuse,in das die Filtermatrix eingesetzt ist, bieten sich entsprechende Materialien an. Im Hochtemperaturbereich ist vor allen Dingen keramisches Material geeignet.
Die erfindungsgemäße Filtermatrix kann bei Heizeinrichtungen oder Verbrennungsmotoren in verschiedenster Weise eingesetzt werden. Eine Anwendungsmöglichkeit besteht darin, daß die Wellblechelemente zwischen einem Brenner bzw. Brennraum und einem sich daran anschließenden Wärmetauscher angeordnet werden. Auf diese Weise erreicht den Wärmetauscher ein von Schadstoffen gereinigtes Verbrennungsgas, so daß Verschmutzungen vermieden werden. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit, die Wellblechelemente nach dem Wärmetauscher anzuordnen, wodurch allerdings nur die Schadstoffemissionen verringert werden. Der vorbeschriebene Wärmetauscher läßt sich beispielsweise in Wasserheizungsanlagen oder ähnliehen Einrichtungen einbauen.
In der Zeichnung ist die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher veranschaulicht. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische, ausschnittweise Ansicht
zweier aufeinanderliegender Welibleehelernente;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Wellblech-
elementenpaketes;
5
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht von mäanderförmig gefalteten Wellblechelementen;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines Wellblech-Ιο elementenwickels;
Fig. 5 einen Wärmetauscher mit eingesetztem Wellblechelernentenpaket.
In Figur 1 sind ausschnittweise zwei übereinandergelegte Wellblechplatten 1, 2 in perspektivischer Ansicht dargestellt. Deren Wellenkämme verlaufen jeweils' gradlinig und parallel zueinander, wobei die Wellblechplatten 1,2 einen sinusförmigen Querschnitt haben.
Die Wellblechplatten 1, 2 sind so aufeinandergelegt, daß die Wellenkämme der einen Wellblechplatte 1 im Winkel zu denen der anderen Wellblechplatte 2 verlaufen. Ein -zu filterndes Abgas strömt dann in genereller Richtung des Pfeiles A zwischen die Wellblechplatten 1, 2 hindurch, so daß die Wellenkämme beider Wellblechplatten 1, 2 im gleichen winkel OO zur Durchströmrichtung verlaufen.
Das Abgas wird dabei zu Richtungsänderungen gezwungen, wodurch im Abgas enthaltene Schadstoffmoleküle gegen die Innenwandungen stoßen. Sie können dort dissoziieren und sich als Atome im Metall der Wellblechplatten 1, 2 anlagern. Bei entsprechender Auslegung einer aus den Wellblechplatten 1, 2 gebildeten Filtermatrix lassen sich metallische Verunreinigungen mit einer Filterwirksamkeit
A-
zu 99 % und gasförmige molekulare Schadstoffe wie z.B. SO2, CO, NO2 und Kohlenwasserstoff, wie sie beispielsweise in Verbrennungsmotoren auftreten, von 5o % bis 95 % vermindern.
5
Die Auslegung eines Filters mit einer aus den Wellblechplatten 1, 2 bestehenden Filtermatrix kann nach dem Dimensionier- und Optimierungsverfahren geschehen, wie es in den DE-OS 26 55 296 und 26. 55 31o beschrieben ist.
Figur 2 zeigt eine aus quadratischen. Wellblechplatten 3 zusammengesetzte Filtermatrix. Die Wellblechplatten 3 haben eingeprägte Wellen 4 - hier durch einfache Striche symbolisiert -, wobei die Wellen 4 der jeweils benachbarten Wellblechplatten 3 gekreuzt zueinander verlaufen. Die generelle Durchströmrichtung für das Abgas ist hier wieder durch den Pfeil A dargestellt, wobei die zu dieser Durchströmrichtung schräg verlaufenden Wellen 4 für Richtungsänderungen des Abgases sorgen. Die Filtermatrix kann in ein entsprechendes Gehäuse eingebaut sein, das in Durchströmmrichtung offen ist.
Figur 3 zeigt eine Figur 2 entsprechende Filtermatrix, nur daß die einzelnen Wellblechplatten hier zu einem Wellblechband 5 aneinandergeformt sind, das mäanderförmig gefaltet ist. Das Wellblechband 5 hat gleichartig eingeprägte Wellblechflächen 6. Durch Faltung kommen die Wellblechflächen 6 so aufeinander zu liegen, daß die - wieder durch Striche symbolisierten - Wellen 7 der jeweiligen Wellblechflächen 6 im Winkel zueinander verlaufen. Durchströmt wird die Filtermatrix generell in Richtung des Pfeiles A mit den durch die Wellen 7 verursachten Richtungsänderungen .
In Figur 4 ist eine Filtermatrix dargestellt, die aus
'M-
einem Blechwickel 8 besteht, der auf einem Dorn 9 sitzt. Der Blechwickel 8 wird in der gezeigten Darstellung gerade aus zwei Wellblechstreifen Io, 11 gebildet, die gleichzeitig von zwei nicht dargestellten Vorratswikkein abgezogen werden. Die Wellblechstreifen lo, 11 haben über ihre ganze Länge verteilt schräg verlaufende Wellen 12, 13, was hier lediglich ausschnittsweise dargestellt ist. Sie werden .so aufeinandergewiekelt, daß die Wellen 12, 13 der jeweils benachbarten Lagen des Blechwickels 8 im Winkel zueinander verlaufen. Hierdurch ergeben sich im wesentlichen dieselben Strömungsverhältnisse wie bei der Filtermatrix nach den Figuren 1 bis 3, wenn der Blechwickel 8 in Richtung des Pfeiles A durchströmt wird.
Figur 5 zeigt die Reihenschaltung einer Filtermatrix der in Figur 2 dargestellten Art mit einem aus Keramik hergestellten Wärmeübertrager 14 in Schichtbauweise. Die metallische Filtermatrix 16 ist dabei in Keramikwände 15 eingesetzt, die den Wärmeübertrager 14 am Eintritt mindestens um Filtermatrixlänge überragen. Die Verbrennungsgase durchströmen von oben nach unten • den Wärmeübertrager 14 in Richtung des Pfeiles A, so daß in den Wärmeübertrager 14 von Schadstoffen gereinigte Verbrennungsgase gelangen.

Claims (1)

  1. Ansprüche:
    1. Schadstoff-Filter für Abgase, insbesondere fur die Beseitigung von Schadstoffen in Verbrennungsgasen von mit fossilen Brennstoffen befeuerten Heizeinrichtungen sowie Verbrennungskraftmaschinen, mit einer in einem Gehäuse angeordneten, von den Abgasen durchströmten Filtermatrix, dadurch gekennzeichnet, daß die Filtermatrix (8, 16) aus aufeinandergelegten Wellblechelementen (1, 2, 3, 6, lo, 11) besteht,
    wobei die Wellenkämme (4, ten Wellblechelemente (1, zueinander verlaufen.
    7) der jeweils benachbar-2, 3, 6, Io, 11) im Winkel
    Schadstoff-Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenkämme (4, 7) symmetrisch zur Durchströmrichtung (Pfeil A) .verlaufen.
    3. Schadstoff-Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-
    kennzeichnet, daß die Wellblechelemente als vorzugsweise rechteckige Wellblechplatten (1, 2, 3, 16) ausgebildet sind.
    4. Schadstoff-Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente (6) zu einem mäanderförmig gefalteten Band (5) aneinandergefügt sind.
    5. Schadstoff-Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente aus zumindest zwei Wellblechstreifen (lo, 11) bestehen, die übereinanderliegend zu einem Wellblechwickel (8) aufgewickelt sind.
    6. Schadstoff-Filter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleichartige .Wellblechstreifen (lo, 11) so aufeinandergelegt zu einem Wellblechwikkel (8) aufgewickelt sind, daß sich die Wellenkämme benachbarter Wellblechstreifen (lo, 11) kreuzen.
    7. Schadstoff-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente (1, 2, 3, 6, lo, 11) sinusförmige Wellen aufweisen.
    8. Schadstoff-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente (1, 2, 3, 6, Io, 11) aus hitzefesten Metallen bestehen.
    9. Schadstoff Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch, gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente (1, 2, 3, 6, Io, 11) aus Incoloy-800 oder Incolen-600 bestehen.
    lo. Schadstoff-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente (1, 2, 3, 6, Io, 11) aus warmfesten Metallen, z.B. Kupfer oder V2A, bestehen.
    11. Schadstoff-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis lo, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (15) aus keramischem Material besteht.
    12. Schadstoff-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente
    (16) zwischen einem Brenner bzw. Brennraum und einem sich daran anschließenden Wärmetauscher (14) angeordnet sind.
    13. Schadstoff-Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, da die Wellblechelemente eine strukturierte Oberfläche aufweisen.
    14. Schadstoff-Filter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellblechelemente aus zumindest einer Lage Gewebematten bestehen.
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