DE3437477A1

DE3437477A1 - Katalytischer waermeaustauscher

Info

Publication number: DE3437477A1
Application number: DE19843437477
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr.-Ing. 7067 Plüderhausen Abthoff; Karlwalter Dipl.-Ing. 7056 Weinstadt Schmidt; Hans-Dieter Dipl.-Ing. 7060 Schorndorf Schuster
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1986-01-02

Description

Katalytischer Wärmeaustauscher
Die Erfindung bezieht sich auf einen katalytischen Wärmeaustauscher zur Reinigung der Abgase von Verbrennungskraftmaschinen.
Zunehmende gesetzliche Beschränkungen bezüglich der Mengen verschiedener Bestandteile in den Abgasen von Kraftfahrzeugmotoren machen es erforderlich, die Abgase zur Umwandlung dieser Bestandteile einer katalytischen Behandlung zu unterziehen. Aufgrund ihrer guten mechanischen und thermischen Widerstandsfähigkeit werden dazu gegenwärtig fast ausschließlich Katalysatoren mit einer monolithischen Katalysatorträgerstruktur benutzt, die eine Vielzahl von Kanälen aufweist, deren Wandung mit der katalytisch aktiven Substanz beschichtet ist (z.B. DE-OS 23 33 092, DE-AS 23 49 472). Um günstigereArbeitsergebnisse zu erzielen, ist es jedoch erforderlich, daß die Betriebstemperatur des Katalysators innerhalb bestimmter, von der Natur des Katalysators abhängender Grenzen gehalten wird. Um ein schnelles Anspringen des Katalysators, d.h. ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur zu erreichen, kann der Katalysator nahe am Motor, wo die Auspuffgase noch besonders heiß sind, angeordnet sein.
Das führt jedoch dazu, daß bei stärkerer Motorbelastung die Gefahr der Überhitzung des Katalysators und damit einer Schädigung auftritt. Wird der Katalysator dagegen weiter entfernt vom Motor angebracht, so wird die Gefahr der Überhitzung geringer, jedoch dauert es länger, bis der Katalysator seine Arbeitstemperatur erreicht, was besonders in der Kaltstartphase unerwünscht ist.
Aus DE-OS 23 39 005 oder US-PS 2 778 610 sind daher bereits katalytische Wärmeaustauscher bekannt, die eine bessere Temperierung des Katalysators ermöglichen. Diese katalytischen Wärmeaustauscher bestehen aus außen verrippten Röhren, durch die Wärmeaustauschmedium, im allgemeinen Kühlwasser, fließt, während die äußere Verrippung die Katalysatorbeschichtung trägt. Das zu reinigende Abgas wird über die mit Katalysator beschichteten Rippen geleitet und setzt sich an dem Katalysator um. Durch das durch die Röhren fließende Wärmeträgermedium wird ein Überschuß von Wärme abgeführt, bzw. so lange der Katalysator noch kalt ist wird durch die warme Wärmeträgerflüssigkeit der Katalysator auf seine Betriebstemperatur erwärmt. Nachteilig bei diesen katalytischen Wärmeaustauschern ist jedoch, daß sie konstruktionsbedingt aus gut Wärme leitendem Metall bestehen müssen und daher nur verhältnismäßig niedrige Katalysatortemperaturen zulassen. Ferner ist die Herstellung und das Material derartiger katalytischer Wärmeaustauscher relativ kostspielig und das Bauvolumen im allgemeinen zu groß.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen katalytischen Wärmeaustauscher zu finden, der bzw. dessen Trä- ger aus dem heute üblichen preiswerten aber schlecht Wärme leitenden keramischen Material oder hochwarmfesten Stahl bestehen kann und dennoch durch kurze Wege für den Wärmefluß bis zum kühlenden Fluid vor örtlicher Überhitzung bewahrt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den im Patentanspruch 1 beschriebenen katalytischen Wärmeaustauscher gelöst. Der katalytische Wärmeaustauscher ist in Querstromwärmeaustauscherbauweise gebaut und besteht aus einem monolithischen Block, der eine Vielzahl von ersten Kanälen besitzt, durch die das umzusetzende Abgas geleitet wird und deren Wände den Katalysator tragen und der eine weitere Vielzahl von zweiten quer zu den ersten Kanälen verlaufenden Kanälen besitzt, durch die ein fluides Wärmeaustauschmedium, z.B. Luft ofer Kühlwasser, geleitet wird. Die ersten und die zweiten Kanäle sind in dem Block abwechselnd schichtweise angeordnet. Durch diese Kreuzstromanordnung der Kanäle für das Abgas und für das Wärmeaustauschmedium wird eine Überhitzung des KatalysatormateriaS bzw. des Katalysatorträgers zuverlässig verhindert, weil die Wege für die Wärme dürch die Katalysatorträgerwände von der Abgas beheizten katalytisch aktiven Seite bis zu der mit Wärmeträger beaufschlagten Seite minimal lang sind. Diese Kreuzstromanordnung ist daher für die Kühlung von Katalysatorträgern außerordentlich vorteilhaft, weil das Trägermaterial (Keramik oder hochwarmfester Stahl) ein relativ schlechter Wärmeleiter ist. Keramische Katalysatorblöcke, bei denen Strömungskanäle quer zueinander angeordnet sind, sind z.B. aus DE-OS 21 64 292 bekannt. Bei diesem Katalysatorträger sind sämtliche Strömungskanäle mit Katalysator beschichtet. Das Abgas wird zunächst so, wie es vom Motor kommt, durch die erste Vielzahl von Kanälen geleitet, danach mit Zusatzluft vermischt und dann durch die quer zu den ersten Kanälen laufenden zweiten Kanälen geleitet. Hinweise auf den gefundenen katalytischen Wärmeaustauscher sind dieser Schrift jedoch nicht zu entnehmen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert: Fig. 1 ist eine schaubildliche Darstellung des katalytischen Querstromwärmeaustauschers, Fig.2 und 3 zeigen in schaubildlicher Darstellung weitere Ausführungsmöglichkeiten.
Der katalytische Wärmeaustauscher gemäß Fig. 1 besteht aus einer Vielzahl von ebenen Platten 11,11' usw. und gewellten Platten 12,12' 12'' bzw. 13,13',13", die alternierend übereinander liegen. Die gewellten Platten 12,12' bzw. 12" bilden Strömungskanäle, die quer zu den durch die gewellten Platten 13,13', 13'' gebildeten Strömungskanälen verlaufen.
Es liegen somit zwei quer zueinander verlaufende Gruppen von Kanälen vor, die von dem umzusetzenden Abgas bzw. von dem fluiden Kühlmedium, normalerweise Luft, durchströmt werden.
Die Wände der Strömungskanäle, die vom Abgas durchströmt werden, sind mit der Katalysatorschicht überzogen. Geeignete und üblicherweise benutzte-Katalysatoren sind u.a. Platin, Palladium Xupferoxid, Kobaltoxid, Nickeloxid und zahlreiche andere Elemente und Zusammensetzungen. In Fig. 1 strömt das Abgas in Pfeilrichtung durch die durch die gewellten Platten 12,12' und 12'-' gebildeten Kanäle, während das Kühlmedium,z.B.
die Kühlluft,in Pfeilrichtung durch die gewellten Platten 13,13' und 13'' strömt. Die für einen guten Wärmeübergang erforderlichen kurzen Wege zwischen den Abgas-und Kühlluftkanälen werden hier besonders deutlich. Die Temperatur des Katalysators kann in üblicher Weise durch Variation der Menge an Kühlluft geregelt werden. Auch ist es möglich, in der Startphase die Kühlluft vorzuwärmen, um ein schnelleres Anspringen des Katalysators zu erreichen. Eine besonders günstige Lösung zum Anwärmen des Katalysators besteht darin, wenigstens in einem Teil der Kühlluftkanäle elektrische Heizelemente, z.B. Widerstandsdrähte, vorzusehen, mit denen im Bedarfsfall der Katalysator geheizt werden kann.
Während in Fig. 1 ein katalytischer Wärmeaustauscher mit wellpappeähnlicher Struktur gezeigt wurde, zeigen die Figuren 2 und 3 weitere Ausführungsformen. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Stege 22, die zwischen den Abgaskanälen 23 liegen, Teile der Wände der Kühlluftkanäle 24 darstellen. Auf diese Weise kann eine Überhitzung der die Abgaskanäle voneinander trennenden Wände 22 vermieden werden. Eine weitere Ausführungsform wird in Fig. 3 gezeigt.
Die Abgaskanäle 33 sind hier durch besonders dicke Stützrippen 32 voneinander getrennt, wodurch die an die Kühlluftkanäle 34 angebundene Fläche der Rippen 32 im Verhältnis zu den (gleich groß bleibenden) vom Abgas beheizten Flächen größer wird und dadurch eine bessere Kühlung dieser thermisch am höchsten belasteten Teile des katalytischen Wärmeaustauschers erreicht wird.
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Claims

Patentansprüche: '1.)Katalytischer Wärmetauscher zur Reinigung der Abgase on Verbrennungskraftmaschinen, dessen mit dem Abgas in Berührung stehende Wärmeaustauschflächen eine Abgaskatalysatormasse tragen, d a du r ch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Wärmetauscher ein Querstromwärmeaustauscher ist,der aus einem Block mit einer Vielzahl von ersten Kanälen, durch die das umzusetzende Abgas geleitet wird und deren Wände den Katalysator tragen und einer weiteren Vielzahl von zweiten, quer zu den ersten Kanälen verlaufenden Kanälen, durch die ein fluides Wärmeaustauschmedium geleitet wird, besteht und daß die ersten und die zweiten Kanäle in dem Block abwechselnd schichtweise angeordnet sind.
2. Katalytischer Wärmeaustauscher nach Anspruch 1, da d u r ch g ek en n z e i c h n e t, daß wenigstens ein Teil der Kanäle für das fluide Wärmeaustauschmedium mit elektrischen Heizelementen versehen ist.