DE60203670T2

DE60203670T2 - Verfahren zur Verteilung von Gas, Gasverteilungsvorrichtung und Schalldämpferkatalysatorsystem

Info

Publication number: DE60203670T2
Application number: DE60203670T
Authority: DE
Inventors: Olav Holm-Christensen
Original assignee: Haldor Topsoe AS
Current assignee: Topsoe AS
Priority date: 2001-09-01
Filing date: 2002-06-26
Publication date: 2005-09-08
Anticipated expiration: 2022-06-27
Also published as: ATE293210T1; RU2002123314A; EP1288458A3; KR20030020239A; EP1288458A2; CN1277047C; ES2240609T3; CA2394425C; US7198763B2; DE60203670D1; JP4133123B2; EP1288458B1; US20030041896A1; RU2322593C2; JP2003120271A; KR100616296B1; CN1407213A; DK1288458T3; CA2394425A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verteilung eines Gases unter Verwendung einer Gasverteilungsvorrichtung. Die Erfindung betrifft insbesondere die Verteilung eines schnell strömenden Gases durch eine Verteilungsvorrichtung, die einen geringen Druckabfall und eine gute Gasverteilung ergibt.
Die Gasverteilung ist bei vielen Anwendungen wichtig, und ein besonders wichtiges Gebiet ist die Behandlung von Abgasen aus Verbrennungssystemen.
In der europäischen Lastwagenindustrie ist es ein Kriterium, dass die Abgase aus Brennkraftmaschinen in das angewendete Schalldämpfer-Katalysatorsystem tangential eintreten. Dies ist wichtig, da es der Platzmangel erfordert, dass die benötigten Systeme so klein wie möglich sind. Dies führt jedoch zu Beschränkungen bei der Gasverteilung, was den Druckabfall und die Strömungsverteilung des Abgasstroms beeinflusst.
Eine gleichmäßige Strömungsverteilung ist leicht erzielbar unter der Voraussetzung des Vorliegens eines Druckabfalls. Im Fall der oben erwähnten Katalysator-Schalldämpfereinheit sind jedoch ein gleichförmiges Strömungsprofil und ein verringerter Druckabfall erforderlich.
In der Patentliteratur wurden verschiedene Verteilungsvorrichtungen beschrieben. Die EP-Patentanmeldung Nr. 1022048 offenbart eine Vorrichtung zum Gewährleisten von gleichmäßiger Verteilung und von Homogenität während des Mischens eines Reduktionsmittels mit den Abgasen im Auspuffrohr einer Brennkraftmaschine. Dies erfolgt mit Hilfe von feststehenden Schaufeln, die eine wirbelnde Gasbewegung im Auspuffrohr erzeugen. Diese Bewegung wirkt der Schwerkraft am Strömungsprofil entgegen.
US Patent Nr. 5723041 beschreibt einen Prozess zum Fördern einer ringförmigen gleichförmigen Strömung in einem Reaktionsraum eines Mischphasenreaktors. Eine gleichförmige Strömung wird erzielt durch Übertragen des Speisefluids in eine Vorrichtung bestehend aus einem äußeren Gehäuse mit feststehenden Schaufeln und einer inneren Umwälzpumpe mit rotierenden Laufradschaufeln.
Schalldämpfer mit verschiedenen Arten von Schaufeln zur Schallverringerung sind auch erwähnt in beispielsweise RU Patent Nr. 2113600 und SU Patentanmeldung Nr. 1719671. Der Verwendung von konischen Wirbelgeneratoren zur Erzeugung einer Drehbewegung des Gases wird eine schalldämpfende Wirkung zugeschrieben.
Verschiedene andere Prozesse und Vorrichtungen, die Geräte ohne Flügel, Schaufeln usw. verwenden, sind ebenfalls in der Literatur beschrieben, vergleiche z. B. WO Patentanmeldung Nr. 9701387. Dieses Dokument beschreibt die Reaktion eines Reduktionsmittels mit Abgasen in aufeinander folgenden Längskanälen und mit einer Strömung in entgegengesetzten Richtungen. EP Patentanmeldung Nr. 0894523 beschreibt einen statischen Mischer mit Mischelementen, die das durch den Mischer hindurch strömende Fluid verwirbeln. DE Patentanmeldung Nr. 42 03 807 beschreibt auch noch eine weitere Art von Mischvorrichtung.
FR-Patentanmeldung Nr. 2226865 offenbart einen Schalldämpfer mit einem Gehäuse, in den Gas tangential eintritt. In der Mitte des Gehäuses befindet sich ein zylindrisches Element aus perforiertem Metall, an dem Schaufeln in Form von halbkreisförmigen Platten befestigt sind. Die halbkreisförmigen Platten sind parallel zu den Enden des zylindrischen Elements und durch flache radiale Streifen axial voneinander getrennt. Das Gas bewegt sich hierdurch auf einer schraubenförmigen Bahn zwischen dem Einlass und dem Auslass des Schalldämpfers.
Herkömmliche Prozesse, wie die oben erwähnten, enthalten keinen Effekt, der sowohl homogenes Strömungsprofil als auch begrenzte Druckänderungen aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein Ziel der Erfindung ist daher die Schaffung eines Prozesses und einer Vorrichtung für die Gasverteilung.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Gasverteilung, die einen minimalen Druckabfall über der Vorrichtung gewährleistet.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens und einer Vorrichtung für die Gasverteilung, die eine homogene Strömung des Gases gewährleisten.
Die obigen Ziele werden durch die Erfindung erreicht, die ein Verfahren für die Verteilung von Gas schafft, das umfasst: Übertragen des Gases in eine Wirbelkammer (1) durch einen Einlassabschnitt (2), der tangential zur Wirbelkammer (1) angeordnet ist, und Anhalten der Wirbelbewegung des Gases in der Wirbelkammer (1) mit Hilfe eines Durchtritts durch ein Element bestehend aus einer Anzahl von gleich beabstandeten Schaufeln (4), wobei die Fläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln (4) in einer zur Wirbelkammerachse senkrechten Ebene liegt, wobei der stromab gelegene Teil der Schaufeln (4) parallel zur Wirbelkammerachse ist und wobei sich die Schaufeln (4) radial nach außen erstrecken und das Gas durch einen Auslassabschnitt leiten, der stromab der Wirbelkammer (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Element feststeht und propellerartig ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (4) an einem Ende an einer Achse befestigt sind und wobei jede Schaufel (4) durch eine Platte gebildet ist, die an wenigstens zwei Stellen unter Bildung von zwei oder mehreren, Winkel bildenden Biegungen umgebogen ist, wodurch die Gasrichtung um einen Winkel von 90 Grad abgelenkt wird.
Die Erfindung schafft ferner eine Gasverteilungsvorrichtung, die bei der Anwendung des obigen Gasverteilungsverfahrens von Nutzen ist.
Die Gasverteilungsvorrichtung nach der Erfindung umfasst eine Wirbelkammer (1) mit einem Einlassabschnitt (2) und einem Auslassabschnitt (3), wobei der Einlassabschnitt (2) tangential zur Wirbelkammer (1) und der Auslassabschnitt (3) stromab der Wirbelkammer (1) angeordnet sind, wobei die Wirbelkammer (1) ein Element enthält, das aus einer Anzahl von gleichmäßig versetzten, umgebogenen Schaufeln (4) besteht, wobei die Fläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln in einer zur Wirbelkammerachse senkrechten Ebene liegt, wobei der stromab gelegene Teil der Schaufeln (4) parallel zur Wirbelkammerachse ist und wobei sich die Schaufeln (4) radial nach außen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Element fest steht und propellerartig ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (4) an einem Ende an einer Achse befestigt sind und jede Schaufel (4) durch eine Platte gebildet ist, die an wenigstens zwei Stellen umgebogen ist, wodurch zwei oder mehrere, Winkel bildende Biegungen gebildet werden.
Die Gasverteilungsvorrichtung kann verwendet werden in Verbindung mit Brennkraftmaschinen zur Verteilung von Abgasen in Schalldämpfer-Katalysatorsysteme. Sie kann auch verwendet werden für die Gasverteilung in anderen Arten von Systemen, wo begrenzte Druckänderungen ein Erfordernis für die wirksame Funktion des Systems sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Ansicht der Gasverteilungsvorrichtung.
2 zeigt einen Querschnitt durch die Platten der Gasverteilungsvorrichtung.
3 zeigt eine schematische Ansicht einer typischen Schaufel aus der Wirbelkammer.
Ins Einzelne gehende Beschreibung der Erfindung
Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung kann die Richtung eines Gases, das mit einer hohen Geschwindigkeit von beispielsweise 100 m/s strömt, um 90 Grad umgelenkt werden. Gleichzeitig ist es möglich, das Gas auf einem Auslassflächenbereich gleichmäßig zu verteilen, der größer als der Einlassflächenbereich ist. Die Vorrichtung der Erfindung ist von Nutzen für das Kontrollieren des Druckverlusts, wobei ein minimaler Druckabfall beobachtet wird. Der beobachtete verringerte Druckabfall wird zurückgeführt auf die Bildung eines homogenen Gasstroms nach dem Durchtritt durch die Gasverteilungsvorrichtung.
In dem Fall, in dem die Gasverteilungsvorrichtung in einem Schalldämpfer verwendet werden soll, ist die Abmessung der Vorrichtung in axialer Richtung beschränkt auf das maximal 2,5-fache des Einlassrohrdurchmessers. Diese Beschränkung ist allein durch den minimalen Raum bedingt, der im Schalldämpfer zur Verfügung steht, wobei eine zu große Gasverteilungsvorrichtung nicht in den Schalldämpfer passt. Wenn die Vorrichtung in einem Schalldämpfer angeordnet werden soll, kann sie ungefähr 100 mm stromauf vom Katalysatorbett angeordnet werden.
Die Gasverteilungsvorrichtung nach der Erfindung ist in 1 dargestellt und besteht aus einer Wirbelkammer (1) mit Einlassabschnitt (2) und Auslassabschnitt (3). Der zylindrische Einlassabschnitt ist so positioniert, dass das Gas in die Wirbelkammer tangential eintritt. Die Wirbelkammer besteht aus einem feststehenden propellerartigen Ele ment mit einer Anzahl von gleichmäßig verteilten umgebogenen Schaufeln (4), vergleiche 2.
Die Fläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln liegt in einer Ebene, die zur Wirbelkammerachse senkrecht ist. Die stromab gelegenen Teile der Schaufeln sind parallel zur Wirbelkammerachse, wobei sich die Schaufeln radial nach außen erstrecken.
Das in die Wirbelkammer eintretende Gas steht anfänglich in Berührung mit der Oberfläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln. Danach wird es durch die Schaufeln verteilt und tritt dann in den stromab gelegenen Teil der Schaufeln ein, der parallel zur Wirbelkammerachse ist. Auf diese Weise wird die Gasrichtung um 90 Grad abgelenkt.
Wenn das umgelenkte Gas sich stromab von der Wirbelkammer befindet, trifft es auf den Katalysator im Schalldämpfer. Der Katalysator wirkt als Strömungsdrossel, wobei hier ein Druckabfall von ungefähr 1/3 des Staudrucks im Einlassrohr auftritt.
Die bei der vorliegenden Erfindung angewendete relative Abweichung ist als Ablenkungsverhältnis (Mittelwert) definiert, wo beide Werte mit der axialen Geschwindigkeitskomponente berechnet werden, wobei der Oberflächenbereich, durch den das Gas verteilt wird, als Gewichtsfunktion wirkt.
Jede Schaufel in der Wirbelkammer ist aus einer Platte gebildet, die an wenigstens zwei Stellen umgebogen ist. Die Platte kann auch unter Winkeln von beispielsweise 40 bzw. 50 gebogen sein, vergleiche 3. Die Platten sind an einem Ende an einer Achse befestigt und erstrecken sich gemäß 2 radial nach außen.
Die Platten können auch unter anderen Winkeln gebogen sein und auch mehr als zwei Biegungen aufweisen. Eine Ausführungsform der Erfindung ist eine Vorrichtung mit einer, mehrere Biegungen aufweisenden Schaufel derart, dass die Platte zwischen den stromauf und den stromab gelegenen Flächen eine gekrümmte Fläche hat.
Die folgenden Beispiele erläutern das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung.
Der in den Beispielen gegebene Druck wird in Staudruckeinheiten gemessen. Es ist dies der dynamische Druck des Gases im Einlass der verschiedenen Abschnitte.
Beispiel

Der Auslassabschnitt der Gasverteilungsvorrichtung nach der Erfindung ist 100 mm vom Katalysator in einer Katalysator-Schalldämpfereinheit einer Brennkraftmaschine platziert. Der Druckabfall nach dem Durchtritt durch die Gasverteilungsvorrichtung sowie vor und nach dem Durchtritt durch das Katalysatorbett wurden gemessen.

Druckabfall nach dem Durchtritt durch die Gasverteilungsvorrichtung der Erfindung und an der Oberfläche des Katalysatorbetts:	0,8 Staudruck
Druckabfall im Katalysatorbett:	0,35 Staudruck
Abweichung am Einlass zum Katalysatorbett:	unter 10%

Der Abweichungswert von weniger als 10% gibt an, dass das Gas auf der Oberfläche des Katalysatorbetts gut verteilt ist.
Vergleichsbeispiel

Ein ähnlicher Versuch wurde ausgeführt unter Verwendung einer herkömmlichen Gasverteilungsvorrichtung mit einem tangentialen Einlass. Die Ergebnisse waren in diesem Fall:

Druckabfall nach dem Durchtritt durch die herkömmliche Verteilungsvorrichtung und an der Oberfläche des Katalysators:	2,64 Staudruck
Druckabfall im Katalysator:	0,34 Staudruck
Abweichung am Einlass zum Katalysatorbett:	über 50%

Nach der katalytischen Reaktion des Abgases wurde beobachtet, dass im Katalysator eine geringere Umwandlung erzielt wurde. Dies war bedingt durch die schlechtere Gasstromverteilung beim Eintritt in das Katalysatorbett.

Claims

Verfahren zur Verteilung von Gas, das umfasst: Übertragen des Gases in eine Wirbelkammer (1) durch einen Einlassabschnitt (2), der tangential zur Wirbelkammer (1) angeordnet ist, und Anhalten der Wirbelbewegung des Gases in der Wirbelkammer (1) mit Hilfe eines Durchtritts durch ein Element bestehend aus einer Anzahl von gleich beabstandeten Schaufeln (4), wobei die Fläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln (4) in einer zur Achse der Wirbelkammerachse senkrechten Ebene liegt, wobei der stromab gelegene Teil der Schaufeln (4) parallel zur Wirbelkammerachse ist und wobei sich die Schaufeln (4) radial nach außen erstrecken und das Gas durch einen Auslassabschnitt leiten, der stromab der Wirbelkammer (1) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Element feststeht und propellerartig ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (4) an einem Ende an einer Achse befestigt sind und jede Schaufel (4) durch eine Platte gebildet ist, die an wenigstens zwei Stellen unter Bildung von zwei oder mehreren, Winkel bildenden Biegungen umgebogen ist, wodurch die Gasrichtung um einen Winkel von 90 Grad abgelenkt wird.
Gasverteilungsvorrichtung zur Verwendung bei dem Gasverteilungsverfahren nach Anspruch 1, die eine Wirbelkammer (1) mit einem Einlassabschnitt (2) und einem Auslassabschnitt (3) umfasst, wobei der Einlassabschnitt (2) tangential zur Wirbelkammer (1) und der Auslassabschnitt (3) stromab der Wirbelkammer (1) angeordnet sind, wobei die Wirbelkammer (1) ein Element enthält, das aus einer Anzahl von gleichmäßig versetzten, umgebogenen Schaufeln (4) besteht, wobei die Fläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln (4) in einer zur Wirbelkammerachse senkrechten Ebene liegt, wobei der stromab gelegene Teil der Schaufeln (4) parallel zur Wirbeikammerachse ist und wobei sich die Schaufeln (4) radial nach außen erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass das Element fest steht und propellerartig ausgebildet ist, wobei die Schaufeln (4) an einem Ende an einer Achse befestigt sind und jede Schaufel (4) durch eine Platte gebildet ist, die an wenigstens zwei Stellen umgebogen ist, wodurch zwei oder mehrere, Winkel bildende Biegungen gebildet werden.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abmessungen in axialer Richtung der Vorrichtung maximal das 2,5-fache des Durchmessers des Einlassrohrs beträgt.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wirbelkammer (1) mit Schaufeln (4), die unter einem Winkel von 40 bzw. 50 Grad umgebogen sind.
Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Wirbelkammer (1) mit Schaufeln (4), die gebogen sind zur Bildung einer Krümmung im Abschnitt zwischen der Fläche des stromauf gelegenen Teils der Schaufeln (4) und des stromab gelegenen Teils der Schaufeln (4).
Schalldämpfer-Katalysatorsystem für eine Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Gasverteilungsvorrichtung nach Anspruch 2 bis 5.