DE4138851A1 - Vorrichtung zur erzeugung turbolenter stroemungen - Google Patents

Vorrichtung zur erzeugung turbolenter stroemungen

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Gasen, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge und industrielle Anlagen, bestehend aus Katalysatoren auf Katalysatorenträgerschichten, die auf Folien aufgebracht sind, die glatte, gewellte, geschlitzte oder versetzte Kanäle bilden und lagenweise gewickelt sind und gegen axiale Verschiebung mechanisch oder durch Löten gehalten werden und in ihrer äußeren Kontur durch einen Mantel oder Halbschale gehalten werden.
Derartige Vorrichtungen sind bekannt und werden ständig weiterentwickelt, mit dem Ziel, langlebigere und kosten­ günstigere Vorrichtungen zu entwickeln.
Dabei wird versucht, wirksamere und kostengünstigere Katalysatoren auf die Katalysatorenträger aufzubringen und konstruktive Verbesserungen herbeizuführen.
DE 36 40 025 A1 beschreibt beispielsweise einen monolithischen Katalysatorträger und monolithischen Katalysator für die Verwendung zum Reinigen von Auspuff­ gasen, mit dem die Reinigungsleistung durch den Einbau von Lanthanoidelementen zusammen mit Alkali und/oder Erdalkalimetallen verbessert wird. Damit wird zwar ein hochwertiger Katalysatorträger angeboten, die Möglichkeit seiner langen Lebensdauer in entsprechenden Vorrich­ tungen jedoch nicht aufgezeigt.
In herkömmlichen Vorrichtungen kommt es durch ein schnelles Durchströmen des Gases durch die Kanäle der Vorrichtung, die gerade angeordnet sind, zu einer ungenügenden Nutzung der Katalysatoren, was relativ große Kontaktflächen und somit längere Kanäle erfordert, oder eine ungenügende Katalysatorwirkung zur Folge hat.
Katalysatorschadstoffe, wie Schwermetalle, Motorabrieb, Schmierstoffrückstände oder Lagerbuchsenbestandteile lagern sich besonders im vorderen Bereich der Vor­ richtung ab und machen den Katalysator über eine lange Betriebsdauer unbrauchbar.
Vorrichtungen, in denen sich unbrauchbare Katalysatoren befinden, werden in der Regel nicht teilweise wieder­ verwendet, sondern verschrottet oder aufbereitet. Weiterhin werden die Katalysatorenträger, die die Katalysatorträgerschicht und den Katalysator tragen, durch unterschiedliche Temperaturen, die das durch­ strömende Gas von der Strömungsachse zur Mantelfläche hin hat, auch unterschiedlich thermisch belastet, was eine unterschiedliche Wirksamkeit des Katalysators über den Querschnitt der Vorrichtung zur Folge hat. Außerdem entstehen dadurch Risse oder Brüche, die zum vorzeitigen Ausfall der gesamten Vorrichtung führen.
Konstruktive Entwicklungen, wie zum Beispiel in der DE 39 41 919 A1 beschrieben, können zwar das Problem der Bruch- und Rißbildung durch die thermische Belastung lösen, schaffen aber keine Möglichkeit den Katalysator gleichmäßig zu belasten und auf möglichst geringem Bauvolumen maximal auszunutzen.
Eine Anpassung der Vorrichtung an die unterschiedlichen Temperaturen, Schadstoffbelastungen und dem Konver­ tierungsgrad ist nicht gegeben.
Daher ist es Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu entwickeln, in der bei Verkleinerung des Bauvolumens eine bessere Ausnutzung des Katalysators gegeben ist, wobei ein teilweiser Verbrauch des Katalysators nicht ein Verwerfen der gesamten Vorrichtung zur Folge haben soll. Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst, vorteilhafte Ausführungen der Vor­ richtung sind in den Ansprüchen 2 bis 17 wiedergegeben.
In der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Folien angeordnet, deren Kanäle nicht gerade sind, sondern in einem Winkel zur Strömungsachse verlaufen. Damit kommt es zur Ablenkung des durchströmenden Gases an den Wandungen der Folien und zu turbulenten Strömungen innerhalb der Kanäle und bei Austritt aus dem Katalysatorträger im Zwischenraum zum folgenden Katalysatorträger.
Auf die Kanalwandungen der Trägerfolien sind Katalysator­ trägerschichten aufgebracht, auf denen sich der eigent­ liche Katalysator befindet.
Es ist möglich, eine Vorrichtung mit nur einem Katalysatorträger zu versehen. Als vorteilhaft hat es sich aber auch erwiesen, wenn mehrere Katalysatoren­ träger in einer Vorrichtung angeordnet sind. Vorteilhafterweise beträgt der Winkel der Kanäle bis zu 45 Grad, wobei diese Richtung auch minus 45 Grad sein kann.
Um eine gute Verwirbelung des Gases in den Kanälen zu erreichen, hat es sich als günstig erwiesen, Träger­ folien mit Kanälen, die in unterschiedliche Richtungen weisen, übereinander oder nebeneinander anzuordnen. Dabei kann eine glatte Zwischenfolie, die bei einer Anordnung von Kanälen in die gleiche Richtung notwendig ist, weggelassen werden.
Sind mehrere Katalysatorenträger in einer Vorrichtung angeordnet, dann ist es von Vorteil, den ersten Katalysatorträger auswechselbar anzubringen und auf eine Beschichtung des Katalysatorträgers mit Katalysatoren­ folien zu verzichten.
Da der erste Katalysatorträger mit schrägen Kanälen den sogenannten Katalysatorgiften in einem besonderen Maße ausgesetzte ist, erweist sich diese Maßnahme bei einer angestrebten hohen Lebensdauer der Vorrichtung als wichtig.
Als vorteilhaft für eine Erzeugung von Turbulenzen hat es sich erwiesen, den Eingangsbereich der Vorrichtung konisch auszubilden und zwischen den Katalysatoren­ trägern mit schrägen Kanälen Dralldiffusoren, die konkav ausgebildet sind, anzubringen.
Im hinteren Teil der Vorrichtung kann man Katalysator­ träger auch mit geraden Kanälen anordnen, wobei es günstig ist, zur Gasaustrittsöffnung hin eine dichtere Kanalstruktur zu wählen.
In Abhängigkeit von der Abgastemperatur und Geschwindig­ keit kann es von Vorteil sein, unterschiedliche Kanal­ durchmesser über dem Querschnitt des Katalysatorträgers der Vorrichtung einzusetzen.
Der sinnvolle Abstand zwischen den Katalysatorträgern sollte 50 mm nicht überschreiten.
Als Trägermaterial für den Katalysatorträger und der Katalysatorträgerschicht sind Metall, Keramik oder Glaskeramik geeignet.
Dabei ist jede Kombination der Werkstoffe des Katalysatorträgers und der Katalysatorträgerschicht möglich.
Beispielsweise besteht der erste Träger aus Metall mit Keramik- oder Metallträgerschicht und der zweite Träger aus Keramik mit Keramikträgerschicht.
Durch eine derartige Vorrichtung werden eine Verbesserung der Konvertierung, Verkürzung der Ansprechzeit, bessere Ausnutzung des Katalysatorquerschnittes, Verkleinerung des Bauvolumens bei gleicher Konvertierung, Vergleich­ mäßigung des Temperaturprofiles, austauschbare Nicht­ edelmetall beschichteter Primärkatalysator, Strömungsaus­ gleich bei Querschnittsänderungen einzelner Katalysator­ träger, Strömungsvergleichmäßigung bei einseitiger Anströmung und einer Variantenvielfalt in Katalysator­ trägerkombinationen erreicht.
Zur Verdeutlichung ist die Erfindung in Ausführungs­ beispielen in den Fig. 1 bis 3 dargestellt.
Die Figuren zeigen
Fig. 1 Schnitt durch eine Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Gasen mit unterschiedlichen Katalysatorträgern.
Fig. 2 Schnitt durch einen Katalysatorträger mit Kanälen, die einem von der Strömungsachse abweichenden Winkel aufweisen.
Fig. 3 Ansicht zweier, in unterschiedlichen Winkeln aufeinanderliegenden Trägerfolien, ohne zwischenliegende glatte Folie, wobei die Kanäle der Trägerfolien das anströmende Gas in unterschiedliche Richtungen aufteilen.
In Fig. 1 ist eine mögliche Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Gasen zu sehen, in der der Gaseintritt (13) einen Eingangskonus (14) erfolgt, nachdem ein Katalysatorträger (5) mit Kanälen (8) angeordnet ist, die um den Winkel (3) von der Strömungs­ achse abweichen.
Die Kanäle (3) verlaufen in unterschiedliche Richtungen. An den ersten Katalysatorträger (5), der auch als Primärkatalysator oder Startkatalysator (16) dient, schließt sich ein Dralldiffusor (15) an.
In diesem Abschnitt der Vorrichtung bilden sich bevorzugt Wirbel (17) des Gases aus, welche entsprechend der Drallrichtung (10) auf die Sekundärkatalysatorträger (18) im zweiten Katalysatorträger (5) trifft, der eben­ falls über schräge Kanäle (1) verfügt. Der Abstand (9) zum nächsten Katalysatorträger erlaubt eine Verwirbelung des Gases, das dann in Kanäle (1) von Sekundärkataly­ satorträgern (19) gelangt, die einen verhältnismäßig großen Durchmesser (8) und eine gerade Struktur auf­ weisen. Der nachfolgende Katalysatorträger (20) weist ebenfalls gerade Kanäle (1) auf, deren Durchmesser (8) allerdings geringer sind. Der schräge Ausgangskonus (21) verhindert eine zu rasche Entspannung des Gases durch die Austrittsöffnung (22).
Fig. 2 verdeutlicht schematisch die zur Strömungsachse (2) um den Winkel (3) schräggestellten Kanälen (1) der Katalysatorträgerfolien (4) mit einem bestimmten Kanaldurchmesser (8).
Fig. 3 zeigt schematisch das Aufeinanderfügen von Trägerfolien (4) mit Kanälen (1), die in unterschiedliche Richtungen (24; 24a) weisen und somit eine Richtungs­ änderung des Gases in der Vorrichtung bewirken, die die Voraussetzung einer intensiven Verwirbelung sind.

Claims (17)

1. Vorrichtung zur katalytischen Behandlung von Gasen, vorzugsweise für Kraftfahrzeuge und industrielle Anlagen, bestehend aus Katalysatoren auf Katalysatorenträgern, die auf Folien aufgebracht sind, die glatte, gewellte, ge­ schlitzte oder versetzte Kanäle bilden und lagenweise gewickelt oder geschichtet sind und gegen axiale Verschiebung mechanisch oder durch Löten gehalten werden und in ihren äußeren Konturen durch einen Mantel oder Halbschalen gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Katalysatorträger (5) aus Folien (4) mit Katalysatorenträgerschicht (6) besteht, deren Kanäle (1) mit der Strömungsachse (2) einen Winkel (3) bilden, der größer als Null Grad ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (3) zwischen den Kanälen (1) und der Strömungsachse (2) zwischen einem und 45 Grad liegt.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Katalysator­ träger (5) längs der Strömungsachse (2) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den einzelnen Katalysatorträgern (5) unterschiedliche Folien (4) angeordnet sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Katalysator­ träger (5) mehrere Folien (4) mit Katalysatoren­ trägerschicht (6) übereinander angeordnet sind.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Folien (4) in beliebigen Katalysatorträgern (5) übereinander so angeordnet sind, daß die Kanäle (1) der einzelnen Folien (4) mit der Strömungsachse (2) jeweils unterschiedliche Winkel (3) bilden.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Folien (4) übereinander oder nebeneinander so angeordnet sind, daß ihre Kanäle (1) durch entgegengesetzte Winkel (3) zur Strömungsachse (2) eine Strömungsrichtungs­ änderung am Ausgang des Katalysatorträgers (5) in unterschiedliche Richtungen bewirken.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Folien (4) mit Kanälen (1) eine glatte Folie (4a) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei Folien (4) die mit Kanälen (1) mit entgegengesetzten Winkeln (3) über- oder nebeneinander angeordnet sind, eine glatte Folie (4a) als Zwischenfolie einfällt, so daß ein Einfoliensystem vorliegt.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator­ träger (5) auswechselbar gestaltet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Katalysator­ träger (5) nur mit einer Katalysatorenträgerschicht (6) beschichtet ist, auf der sich Katalysatorschadstoffe ablagern können.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (1) in den Katalysatorträgern (5) zur Strömungsachse (2) hin im Durchmesser (8) geringer werden.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils ersten Katalysatorträger (5) mit Kanälen (1) versehen sind, die einen Winkel (3) größer Null Grad gegenüber der Strömungsachse (2) aufweisen, während die folgenden Katalysatorträger (5) Kanäle parallel zur Strömungsachse aufweisen.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Katalysator- Trägermaterial (5) und/oder die Katalysatorträger­ schicht (6) aus Metall, Keramik oder Glaskeramik besteht.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (9) zwischen zwei Katalysatorträgern (5) 1 bis 50 mm beträgt.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kanäle (1) in den Katalysatorträgern (5) Drallrichtungen (10) der Strömung erzeugt werden.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur (11) der Vorrichtungsbegrenzung (12) vor oder zwischen den Katalysatorträgern (5) konkav ausgebildet ist.
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