DE60206308T2

DE60206308T2 - Verfahren zur Herstellung einer Reaktorpackung aus gewelltem Blech

Info

Publication number: DE60206308T2
Application number: DE60206308T
Authority: DE
Inventors: Reijo Lylykangas; Veli-Matti Vekki; Keijo Keskitalo; Erkki NÄRHI
Original assignee: Ecocat Oy
Current assignee: Dinex Ecocat Oy
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2006-03-16
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: EP1230978A1; DE60206308D1; US20080113209A1; US20020170908A1; EP1230978B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Metallreaktorzelle für die Behandlung von Gasen.
Reaktorzellen mit Kanälen, durch die Gas strömt, werden bei der Behandlung von Gasen, zum Beispiel bei der Reinigung von Abgasen und Rauchgasen verbreitet verwendet. Auf den Oberflächen der Kanäle befinden sich aktive Mittel, beispielsweise Katalysatoren. Solche Reaktorzellen können aus Metallblechen hergestellt werden. Die Bleche werden mit porösem keramischen Trägermaterial beschichtet, auf dem aktive Metalle oder Metalloxide immobilisiert werden. Auch vollständig aus Keramik bestehende Reaktorzellen werden hergestellt.
Metallreaktorzellen werden allgemein voroxidiert, um eine kolloidale Lösung auf den Blechen aufzubringen. Die Patentveröffentlichung GB-A-1546097 beschreibt zum Beispiel ein Verfahren zur Herstellung eines Metallkörpers. Bei diesem Verfahren werden Bahnen gewellt und dann in den fertiggestellten Körper gewickelt. Der fertiggestellte Körper wird dann entfettet und durch Erhitzen in Luft auf etwa 1000°C oxidiert, um eine Aluminiumoxidschicht auf seinen Oberflächen zu bilden. Die fertiggestellten voroxidierten Körper werden dann in eine kolloidale Aluminiumoxidlösung getaucht, um sich auf die Aluminiumoxidoberfläche der Bahnen aufzubringen.
Durch die zunehmend strengeren Vorschriften zum Schutz der Atmosphäre werden die mechanischen Anforderungen, die an eine solche Reaktorzelle gestellt werden, größer. Um zum Beispiel Abgase zu reinigen, wird die Reaktorzelle so nahe wie möglich dem Motor angeordnet, um ihre ausreichende Leistung zu gewährleisten. Die Reaktorzelle ist somit hohen Temperatur- und Druckveränderungen unterworfen. Die Temperaturen in Reaktorzellen nahe dem Motor sind allgemein hoch, da es sein Zweck ist, den Kraftstoff bei einer hohen Temperatur mit einer minimalen Luftmenge zu verbrennen.
In einem Metallreaktor sind die Zellendruckverluste gering, die geometrische Oberfläche für Reaktionen ist groß und somit beginnt seine Funktion im Vergleich zu einer Keramikzelle schneller. Eine Keramikreaktorzelle ist mechanisch relativ widerstandsfähig. Ihre Befestigung, zum Beispiel an einem Gehäuse, kann jedoch Probleme hervorrufen. Normalerweise werden Keramikreaktorzellen nur in Form von sogenannten geraden Zellen hergestellt, in denen die thermalen und Massenübertragungseigenschaften von Gasen für die Gasbehandlung nicht optimal sind.
In Metallreaktorzellen werden oft gewellte Bleche verwendet, wobei die Bleche entweder zusammen mit flachen Blechen aufgewickelt oder in eine S-Form gebogen werden. Die Reaktorzelle ist mit einem Gehäuse in der Gasleitung entweder durch Schweiß- oder Lötverbindungen an dem Gehäuse oder mit Bahnen oder Stangen in dem Gehäuse verbunden. Eine Reaktorzelle mit gewellten, übereinanderliegenden flachen Blechen, die durch Schweißverbindungen an den Rändern der Bleche miteinander verbunden sind, befindet sich gegenwärtig in Anwendung. Ferner ist eine Reaktorzelle mit gewellten Blechen, die miteinander durch sehr weit getrennte Löt- oder Schweißverbindungen verbunden sind, bekannt.
Die Reaktorzelle wird mechanisch besonders widerstandsfähig, wenn die Befestigungen der Wellungen so dicht wie möglich zueinander angeordnet sind. Die Patentveröffentlichung EP-A-0284891 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines katalytischen Konverters mit einem Stapel von gewellter Metallfolie, der gleichmäßig ist und keine Schwachbereiche aufweist.
Die Widerstandsfähigkeit der Reaktorzelle wird in beschleunigten Tests geprüft, wobei die Reaktorzelle sehr schnellen Temperatur- und Druckveränderungen ausgesetzt wird. Im Handel verfügbare Reaktorzellen für die Reinigung von Abgasen widerstehen nur wenige Stunden unbeschädigt den meisten Anforderungstestbedingungen dieser Art. In Zukunft sollen Reaktorzellen solchen Testbedingungen sogar einer zweistelligen oder sogar dreistelligen Anzahl von Stunden widerstehen.
Offenbarung der Erfindung
Ein Verfahren zur Herstellung einer Reaktorzelle, die auch besonders widerstandsfähig gegenüber den Anforderungsbedingungen und nützlich für die Behandlung von Gasen ist, ist jetzt erfunden worden.
Für diese Aufgabe ist die Erfindung durch Fakten gekennzeichnet, die in den unabhängigen Ansprüchen angeführt sind. Einige bevorzugte Ausführungen der Erfindung werden in anderen Ansprüchen offenbart.
In der vorliegenden Erfindung bedeutet ein gewelltes Blech jedes Blech mit einer Wellung. Eine Wellung bezieht sich auf jeden Teil des Bleches, das eine Oberfläche auf einem unterschiedlichen Niveau in Bezug auf die Mittelebene des Bleches aufweist. Ein gewelltes Blech kann auch ein profiliertes Blech sein, das aus einem flachen Blech durch zur Mittelebene des Bleches symmetrisches oder unsymmetrisches Biegen oder Pressen hergestellt wird. Die Profile können zum Beispiel Wellungen sein oder das Blech kann Profile in V-Form aufweisen. Was das andere Blech betrifft, kann es jedes unterschiedliche Blech sein, das an dem gewellten Blech befestigt werden kann. Dieses andere Blech kann ein gewelltes Blech oder zum Beispiel ein flaches Blech, ein Lochblech oder ein Siebblech sein. Dieses andere Blech kann auch ein Blech sein, das durch Biegen oder Aufwickeln des geformten Bleches aus dem gewellten Blech hergestellt ist.
Die Wellungen des gewellten Bleches können verschiedene, Formen und Abmessungen an verschiedenen Stellen eines einzelnen gewellten Bleches aufweisen. Bei getrennten gewellten Blechen, können die Wellungen ebenfalls verschiedene Formen und Abmessungen aufweisen. Es ist daher möglich, eine Reaktorzelle zusammenzusetzen, die in ihrer Mitte gewellte Bleche in großer Dichte aufweist, die sehr dicht zueinander angeordnet, sind und die an ihren Kanten licht gewellte Bleche aufweist, die weiter voneinander entfernt angeordnet sind. Mit einer solchen Lösung können die Strömungen in der Reaktorzelle gesteuert werden.
In der vorliegenden Patentanmeldung bezieht sich die Richtung der Wellungen auf die Richtung, in der die Ebene der Oberfläche der Wellung sich von der Ebene der Oberfläche des Bleches benachbart zu der Wellung am meisten unterscheidet. Bei einem profilierten Blech ist die Richtung der Wellungen die Richtung der Wellungen oder Nuten des Profils. Die Richtung der Wellungen bestimmt die Richtung der Kanäle, die zwischen den Blechen gebildet werden. Somit beeinflusst die Wellung wesentlich die Strömung des Gases, das in den Kanälen der Reaktorzelle behandelt wird.
Die Formen, Abmessungen und Richtungen der Reaktorzellenbleche sowie die Dichte der Öffnungen in dem Reaktorzellenquerschnitt werden gemäß der beabsichtigten Anwendung gewählt. Die Reaktor zelle kann auch viele unterschiedliche Formen aufweisen. Sie kann zum Beispiel eine Spirale sein, kann zu einer S-, J- oder V-Form gebogen sein oder es kann sich um eine gestapelte oder gebogene Reaktorzelle handeln. Die Dichte der Öffnungen kann zum Beispiel 1 bis 300 Öffnungen pro cm² betragen, vorzugsweise 1 bis 10 oder 10 bis 50 oder 50 bis 100 oder 100 bis 300 Öffnungen pro cm². Weiterhin kann die Blechdicke variieren. Auf diese Weise können Reaktorzellen mit sehr unterschiedlichen Strömungseigenschaften ausgeführt werden. Der Querschnitt des Gehäuses kann frei gemäß dem beabsichtigten Verwendungszweck verändert werden. Er kann zum Beispiel kreisförmig oder oval sein oder die Form eines halben Parallelogramms haben. Vorzugsweise können Abmessungen und Formen von Gehäusen verwendet werden, die im Fachgebiet üblich sind.
Für die Behandlung von Abgasen kann das Material der Reaktorzellenbleche zum Beispiel eine ferritische Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung sein, z.B. WI.4767. Die Zellen können auch zum Beispiel aus der sogenannten austenitischen Superlegierung W2.4633 hergestellt sein, die hohe Nickel- und Chromgehalte aufweist.
Die nach dem Verfahren der Erfindung vorbereitete Reaktorzelle kann in einem Gehäuse angeordnet werden, das eine Form aufweist, die der Reaktorzelle entspricht. Dadurch wird die Anzahl der sogenannten Totpunkte oder Umleitungspunkte in dem Gehäuse minimiert. Diese Lösung verbessert auch die Leistung der Reaktorzelle. Die Anwendbarkeit der Erfindung wird dadurch vielseitiger.
Ein gewelltes Blech ist mechanisch steifer und fester als ein flaches Blech. Die Wellungen des Bleches können auch die Resonanzen in der Reaktorzelle verringern, die z.B. durch die Gasströmung hervorgerufen werden. Die Wellungen des Bleches vergrößern die Kontaktoberfläche der Reaktorzelle und gestalten ihren Betrieb effektiver. Ferner weist das profilierte Blech die ihm eigene Eigenschaft auf, sich im Fall von z.B. einer Wärmeausdehnung innen zu Strecken. Die Verbindungen brechen dadurch nicht so leicht, wie die Verbindungen an den Oberflächen von flachen Blechen.
Das Verbinden der Bleche miteinander kann durch Schweißen, beispielsweise durch Widerstandsschweißen oder Elektronenstrahlschweißen erfolgen. Die angeführten Schweißtechnologien sind für die Herstellung von Reaktorzellen besonders geeignet, da sie es erlauben, eine große Anzahl von Blechen schnell und örtlich miteinander zu verbinden. Die Bleche können auch durch Weichlöten miteinander verbunden werden.
Die nach dem Verfahren der Erfindung vorbereitete Reaktorzelle ist wesentlich widerstandsfähiger als jede bekannte Metallreaktorzelle. Ihre Lebensdauer in Anforderungstests mit hohen Anforderungen ist sogar 5 bis 10 Mal länger, als die von im Handel zur Verfügung stehenden Konkurrenzprodukte. Sie kann direkt dem Motor benachbart angeordnet werden, da sie sogar extrem variablen Bedingungen über lange Zeiträume widersteht, ohne zu zerbrechen.
Die unter Anwendung des Verfahrens der vorliegenden Erfindung vorbereitete Reaktorzelle kann ferner aus relativ dünnen Blechen hergestellt sein und dadurch kann ihre thermale Masse verringert werden. Dadurch erwärmt sie sich schneller und ihre Funktion beginnt ebenfalls schneller. Somit ist ihre Leistung unter extremen Anforderungsbedingungen sehr gut. Der Druckverlust in der Reaktorzelle der Erfindung, die aus dünnem Blech hergestellt ist, ist ebenfalls gering. Die Dicke der Bleche kann zum Beispiel von 0,01 bis 0,2 mm betragen, beispielsweise 0,02 bis 0,05 mm. Die Höhen der Wellungen können z.B. zwischen 0,2 und 5 mm betragen, beispielsweise 0,1 bis 2 mm.
Ein gewelltes Blech einer Reaktorzelle kann zumindest an einer Wellung an einem anderen Blech mit dicht beabstandeten Verbindungsstellen in einer solchen Weise befestigt werden, dass Kanäle zwischen den Blechen gebildet werden. Das Verbinden der Bleche miteinander an den Wellungen gestaltet die Reaktorzelle selbst unter hohen Anforderungsbedingungen wesentlich steifer und mechanisch besonders fest. Die Reaktorzelle wird mechanisch besonders fest, wenn die Verbindungen der Wellungen so dicht wie möglich zueinander liegen. Das kann zum Beispiel durch Verbinden der Bleche miteinander mit 10 bis 1000 Verbindungen pro cm³, vorzugsweise mit 10 bis 50 oder 40 bis 200 oder 200 bis 500 oder 500 bis 1000 Verbindungen pro cm³ der Reaktorzelle erreicht werden.
Gewellte Bleche werden an den Wellungen der übereinanderliegenden Bleche mit Verbindungen aneinander befestigt, die zumindest an einigen Wellungen jedes gewellten Bleches und 0,5 bis 10 mm voneinander beabstandet angeordnet sind, wobei die Anzahl der Verbindungen zwischen jedem übereinanderliegenden, gewellten Blech 10 bis 1000 pro cm³ beträgt.
Das Verfahren der Erfindung umfasst die Voroxidation der Bleche. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die Voroxidation der Bleche ihr gegenseitiges Verbinden, insbesondere durch Widerstandsschweißen, verbessert. Diese Voroxidation kann zum Beispiel durch Vorglühen oder chemische Oxydation erfolgen.
Das Blech kann durch Glühen über z.B. 0,1 bis 10 Stunden bei einer Temperatur von 500 bis 1000°C, vorzugsweise über 1 bis 3 Stunden bei 700 bis 800°C voroxidiert werden. Dadurch wird eine Aluminiumoxidschicht auf den Blechen gebildet, die Aluminium enthalten. Diese dünne Aluminiumoxidschicht verbessert die Effektivität der Widerstandsschweißung. Eine Oxidschicht kann auch aus anderen Elementen oder Verbindungen als Aluminium gebildet werden.
Eine Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Reaktorzelle mit übereinanderliegenden Blechen, deren übereinanderliegende Wellungen in einem schiefen Winkel in Bezug aufeinander liegen. Die Reaktorzelle wird durch Überlagern gewellter Bleche und ihr Verbinden miteinander, so dass die Wellungen der übereinanderliegenden Bleche einander berühren und die Wellungen in unterschiedlicher Ausrichtung in Bezug aufeinander angeordnet sind, widerstandsfähig und effektiv gestaltet. In einer solchen Reaktorzelle ist die Kontaktfläche zwischen den Blechoberflächen und dem zu reinigenden Abgas groß und die Leistung ist gut.
Diese übereinanderliegenden, gewellten Bleche, die miteinander verbunden sind und Wellungen in einem schiefen Winkel zueinander haben, können profilierte Bleche sein. Die miteinander verbundenen profilierten Bleche berühren sich nur an den Verbindungsstellen der Wellungen gegenseitig. Die Reaktorzelle wird durch Verbinden der profilierten Bleche in schiefen Winkeln in Bezug auf die Richtung der Wellungen durch z.B. Schweiß- oder Weichlötverbindungen, die Abstände von 1 bis 5 mm voneinander haben, besonders fest gestaltet.
Profilierte Bleche mit Wellungen, die unter einem schiefen Winkel zueinander verbunden sind, können z.B. aus einer profilierten Blechbahn hergestellt werden, die Profile unter einem schiefen Winkel relativ zu den Rändern der Bahn aufweist. Aus dieser Blechbahn werden Bleche herausgeschnitten, welche die Form der Reaktorzelle aufweisen und eines über dem anderen quer zu den Profilen gestapelt, wobei jedes zweite Blech vor seinem Stapeln gewendet wird. Aus dieser Blechbahn können durch Falten der Bahn auf sich selbst, alternativ in verschiedene Richtungen, profilierte Bleche hergestellt werden. Die Profile der Bahn können normalerweise unter Winkeln zwischen 8 und 45 Grad in Bezug auf die Ränder der Bahn angeordnet sein, wobei die Profile vorzugsweise unter Winkeln zwischen 5 und 30 Grad angeordnet sind. Somit beträgt der Richtungswinkel zwischen den Wellungen der miteinander verbundenen profilierten Bleche vorzugsweise 10 bis 60 Grad.
Das Gas, das in einer Reaktorzelle behandelt wird, die aus übereinanderliegenden, miteinander in einem schiefen Winkel verbundenen profilierten Blechen hergestellt ist, strömt ebenfalls in Querrichtung der Bleche. Deswegen wird das Gas gemischt und die Strömungsverteilung in der Zelle ist ausgeglichen.
In einer aus profilierten Blechen hergestellten Reaktorzelle kann der Richtungswinkel zwischen ihren Wellungen z.B. 5 bis 90 Grad betragen. Je größer dieser Winkel ist, desto punktförmiger sind die Kontaktflächen zwischen den gewellten Blechen. Die Reaktionsfläche der Bleche ist somit maximal. Andererseits kann ein großer Profilwinkel Druckverluste infolge übermäßiger Turbulenzen in der Strömung der behandelten Substanz oder des behandelten Gemisches hervorrufen. Der Richtungswinkel der Wellungen der übereinanderliegenden profilierten Bleche beträgt vorzugsweise 20 bis 60 Grad in Strömungsrichtung des behandelten Gases, wenn zum Beispiel die Abgase eines Verbrennungsmotors behandelt werden.
Eine gleichmäßige Strömungsverteilung gleicht die Temperaturen in der Reaktorzelle aus und daher sind die Beanspruchungen durch die Innentemperatur geringer. Eine gleichmäßige Strömungsverteilung verbessert den Betrieb der Reaktorzelle allgemein. Das ist für die Erzielung einer erfolgreichen Leistung günstig. Unter Verwendung von hintereinander angeordneten Reaktorzellen, die Bleche in verschiedenen Ausrichtungen aufweisen, kann die Strömung der Gase sehr gut ausgeglichen werden. Mehrere solcher Zellen können auch hintereinander verbunden werden. Solche aufeinanderfolgenden Reaktorzellen weisen Bleche auf, die zumindest teilweise quer zueinander angeordnet sind, wobei die Bleche ein spiralförmige Struktur oder eine zu einer S-Form gebogene Struktur aufweisen oder es werden gestapelte gewellte Bleche verwendet.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Verbinden der Bleche und der Reaktorzelle mit einem Gehäuse. Die Oberfläche des Gehäuses kann in dem Bereich der Reaktorzelle mit Verbindungsnuten versehen sein, welche die Bleche der Reaktorzelle mit der Innenfläche des Gehäuses verbinden. Wenn ein Gehäuse vorgesehen ist, in dem eine Reaktorzelle mit Verbindungsnuten vorhanden ist, sind die Ränder der Bleche parallel zu dem Gehäuse ausgerichtet. Das stabilisiert die Verbindung zwischen dem Gehäuse und der Reaktorzelle. In diesem Fall ist es nicht erforderlich, die Bleche der Reaktorzelle miteinander zu verbinden. Umleitungsgasströmungen parallel zu der Innenwand des Gehäuses werden durch die Verbindungsnuten ebenfalls verhindert.
Die Anzahl der Verbindungsnuten kann zum Beispiel 2 bis 8 betragen. Die Verbindungsnuten sind vorzugsweise dicht zueinander angeordnet, um die Wärmeausdehnung zwischen der Reaktorzelle und dem Gehäuse zu minimieren. Normalerweise beträgt der Abstand zwischen den Verbindungsnuten 10 bis 30 mm und ihre Tiefe und Breite 0,5 bis 2,0 mm. Die Verbindungsnuten sind vorzugsweise im Wesentlichen im Mittelabschnitt des Reaktorgehäuses oder am Einlassende des Gehäuse in Bezug auf die Strömungsrichtung des behandelten Gases angeordnet.
Gemäß einer Aufgabe der Erfindung richtet beim Vorsehen einer Verbindungsnut diese Verbindungsnut ein Blech der Reaktorzelle parallel zu der Innenseite des Gehäuses aus und das Blech ist ebenfalls mit einer oder mehreren Schweißverbindungen, die am Boden der Verbindungsnut durch das Gehäuse erzeugt werden, befestigt.
Die Reaktorzelle kann ebenfalls mit Schweißverbindungen an dem Gehäuse befestigt sein, zum Beispiel durch Anschweißen der Reaktorzelle an das Gehäuse von der Außenseite aus. Eine besonders stabile Verbindung zwischen den Blechen und der Reaktorzelle und dem Gehäuse wird durch Ausführen des Schweißens am Boden der Verbindungsnuten durch das Gehäuse hergestellt. Vorzugsweise kann Laserschweißen angewendet werden. TIG- und MIG-Schweißtechnologien sind ebenfalls vorteilhaft.
Gemäß der Erfindung ist die Reaktionszelle mit dem Gehäuse oder mit einem Teil des Gehäuses durch Schweißverbindungen durch Widerstandsschweißen verbunden. Das Widerstandsschweißen kann vorzugsweise gleichzeitig mit dem Befestigen der Bleche durch Widerstandsschweißen miteinander ausgeführt werden. Das Widerstandsschweißen kann so ausgeführt werden, dass die Reaktionszelle innerhalb des Gehäuses angeordnet wird und die ganze Reaktionszelle und das ganze Gehäuse zusammengeschweißt werden. Das Widerstandsschweißen kann vorzugsweise auch so durchgeführt werden, dass eine Hälfte der Reaktionszelle innerhalb einer Gehäusehälfte angeordnet und diese Hälften dann zusammengeschweißt werden. Danach kann die ganze Baugruppe der Reaktionszelle und des Gehäuses zusammengesetzt werden, indem zwei verbundene Teilstücke durch Schweißen zusammengefügt werden.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist das Einsetzen der Reaktorzelle in ein kegelförmiges Gehäuse. Um diese Reaktorzelle herzustellen, kann der Reaktor ebenfalls in dieses kegelförmige Gehäuse eingebaut werden, wobei Bleche verwendet werden, die in die Form des kegelförmigen Gehäuses geschnitten oder gebogen sind. Die Wände des kegelförmigen Gehäuses verbessern die Steifigkeit der Struktur der Reaktorzelle, weil die Reaktorzelle Keilform annimmt und sich an die Wände des Gehäuses in dem kegelförmigen Bereich anpasst. Die Reaktorzellen werden in dem Gehäuse durch die kegelförmigen Wände, selbst ohne jegliche Nuten an der Oberfläche des Gehäuses oder Schweißverbindungen, gut verankert. Das kegelförmige Gehäuse kann die Form eines Kegelstumpfes, eines schräg abgeschnittenen Kegelstumpfes oder eines Zylinders aufweisen. Seine Form kann symmetrisch oder asymmetrisch sein.
In einem kegelförmigen Gehäuse ist in Richtung der Gasströmung die Turbulenz am Einlassende des Gehäuses gering, weil der Quer schnitt des stromaufwärtigen Endes des Gehäuses kleiner ist als der seines mittleren Teils. Das verbessert den Wirkungsgrad des Betriebs der Reaktorzelle und es werden relativ geringe Strömungswiderstände erreicht. Der Kegelwinkel des kegelförmigen Gehäuses beträgt normalerweise 3 bis 30 Grad.
Ein zweites kegelförmiges Gehäuse kann anstoßend mit einem ersten kegelförmigen Gehäuse zusammengefügt werden oder zwei kegelförmige Reaktorzellen, die gegeneinander stoßen, können in ein Gehäuse eingesetzt werden, das an beiden Enden konisch zuläuft. Solche Reaktorzellen werden besonders durch Verwenden von gewellten Blechen darin, die miteinander unter einem schiefen Richtungswinkel in Bezug auf die Wellungen verbunden sind und durch Verbinden der Reaktorzellen miteinander in einer Weise, dass die Bleche zumindest teilweise quer ausgerichtet sind, besonders effektiv gestaltet.
Der Druckverlust an dem stromaufwärtigen Ende der Reaktorzelle ist besonders wichtig. In einer zylindrischen Reaktorzelle kann der Druckverlust an dem stromaufwärtigen Ende sogar die Hälfte des Gesamtdruckverlustes in der Reaktorzelle betragen. Der Druckverlust an dem stromaufwärtigen Ende des Kegels hängt entscheidend von dem Verhältnis des Querschnitts der Zuführungsleitung zum Querschnitt des Einlassendes der Reaktorzelle ab. Dieses Verhältnis ist in einer Reaktorzelle günstig, die zu dem Einlassende konisch zuläuft. In diesem Falle verringert sich die Turbulenz der Strömung und der Druckverlust wird wesentlich geringer.
Reaktorzellen oder Gehäuse, die andere Formen aufweisen, können mit kegelförmigen Gehäusen kombiniert werden. Es ist zum Beispiel denkbar, ein Gehäuse zu verwenden, das zu beiden Enden hin konisch zuläuft und das einen geraden Mittelabschnitt aufweist.
Die gewellten Bleche der kegelförmigen Reaktorzelle weisen vorzugsweise Wellungen auf, die an einem Ende höher als an dem anderen Ende sind. Solche Bleche können zum Beispiel an einem Ende U-förmige Nuten mit niedrigen Profilen aufweisen, die kontinuierlich ihre Formen verändern, um höhere V-förmige Nuten in Richtung auf das andere Ende des Bleches zu bilden. Durch Wahl einer geeigneten Höhendifferenz der Wellungen kann die Reaktorzelle aus ganzen, zusammengeschweißten Blechen zusammengesetzt und somit eine Reaktorzelle mit einer hohen mechanischen Festigkeit erhalten werden, die in einfacher Weise hergestellt werden kann.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
Es werden nun einige Ausführungen der vorliegenden Erfindung ausführlicher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt eine Struktur einer Reaktorzelle.
2 zeigt eine Reaktorzelle mit profilierten Blechen.
3 zeigt zwei miteinander verbundene Reaktorzellen.
4 zeigt eine Reaktorzelle, die mittels Verbindungsnuten und Schweißverbindungen in ein Gehäuse eingesetzt ist.
5 zeigt eine Reaktorzelle, die in ein kegelförmiges Gehäuse eingesetzt ist.
In 1 weist eine Reaktorzelle 1 ein gewelltes Blech 2 auf, das an den Wellungen 31 mit einem anderen gewellten Blech 3 darüber und mit einem flachen Blech 4 darunter durch die Verbindungen 5 befestigt ist. Das gewellte Blech 2 ist ein profiliertes Blech mit Wellungen, das eine Dicke von etwa 0,1 mm aufweist, wobei die Höhe der Wellungen etwa 1 mm beträgt. Das gewellte Blech 2 ist weiterhin an den Wellungen 31 mit seinem gebogenen Abschnitt befestigt. Die Reaktorzelle ist in ein Gehäuse 7 eingesetzt. Die Reaktorzelle 1 weist am Boden, der ein gewelltes Blech 6 darstellt, ein Blech mit V-förmigen Profilen auf und ist an den Verbindungsstellen 5 an dem flachen Blech 4 befestigt. Kanäle 9, welche das zu behandelnde Gas durchströmt, sind an den Blechen 2, 3, 4, 6 gebildet. Die Verbindungen 5 zwischen den Blechen weisen Abstände von 0,5 bis 1,5 mm auf. Das gewellte Blech 3 ist ebenfalls durch Schweißverbindungen 8, 10 mit dem Gehäuse 7 verbunden. Die Verbindungen 5, 8, 10 werden vorzugsweise durch Widerstandsschweißung hergestellt.
In 2 weist die Reaktorzelle übereinanderliegende gewellte Bleche 12, 13 aus, wobei diese Bleche profilierte Bleche sind. Die gewellten Bleche 12, 13 sind durch die Verbindungen 15 miteinander verbunden, um einen Winkel von etwa 30 Grad zwischen den Wellungen 32 des Bleches 12 und den Wellungen 33 des Bleches 13 zu bilden. Das zu behandelnde Gas strömt in Kanälen 19 parallel zu den Wellungen 32, 33 und wird kontinuierlich gemischt.
In 3 ist eine Reaktorzelle 1a, die profilierte Bleche 2a aufweist, mit einer anderen Reaktorzelle 1b, die ebenfalls profilierte Bleche 2b aufweist, kombiniert. Die Reaktorzellen 1a und 1b sind verbunden, um die profilierten Bleche 2a, 2b der Reaktorzellen 1a bzw. 1b unter einem Winkel von 90 Grad in Bezug zueinander anzuordnen. Die profilierten Bleche 2a sind miteinander verbunden, um die Wellungen 31a der Bleche 2a quer zueinander anzuordnen und gleichermaßen sind die profilierten Bleche 2b miteinander verbunden, um die Wellungen 31b der Bleche 2b quer zueinander anzuordnen. Das behandelte Gas kann in den Kanälen 9a der Reaktorquelle 2a und in den Kanälen 9b der Reaktorzelle 2b strömen. In den Kanälen 9a, 9b werden die Gase innen in Richtungen senkrecht zueinander gemischt. Somit wird das durch die Reaktorzellen 2a, 2b strömende Gas in beiden Richtungen effektiv gemischt.
In 4 ist eine Reaktorzelle 41 in ein Gehäuse 47 eingesetzt. Die Reaktorzelle 41 ist mit dem Gehäuse 47 durch die Verbindungsnuten 43, 44, 45 an der Gehäusewand verbunden. Die Verbindungsnuten greifen mit den Blechen 42 der Reaktorzelle 41 ein. Eine Schweißverbindung ist ferner am Boden der Verbindungsnut ausgeführt. Die Reaktorzelle 41 ist an dem Gehäuse 47 nicht nur durch die Verbindungsnuten 43, 44, 45 verbunden, sondern auch durch die Schweißverbindung 46. Das vorher angeführte Verbindungsverfahren ist besonders stabil, da sowohl die Verbindungsnuten 43, 44, 45, als auch die Schweißverbindung mit den Blechen 42 der Reaktorzelle 41 in Verbindung gebracht werden.
In 5 sind die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Reaktorzellen 51, 52 in ein Gehäuse 57 eingesetzt, das an beiden Enden kegelförmig ist. Die Reaktorzellen 51, 52 sind sowohl gegenüber den Wänden 57a, 57b des Gehäuses 57 als auch gegeneinander verkeilt, wenn sie dem Strömungsdruck des zu behandelnden Gases ausgesetzt sind. Die Reaktorzellen 51, 52 sind in Richtung auf die Wände 57a, 57b des Gehäuses auch durch die Wärmeausdehnung infolge der Behandlung der Gase bei hohen Temperaturen verkeilt, und greifen daher fest mit dem Gehäuse 57 ein. Der Kegelwinkel α der kegelförmigen Abschnitte des Gehäuses 57 beträgt etwa 7 Grad. Die Druck- und Leistungsverluste infolge von Turbulenzen der Gasströmung und von Kurzschlussströmungen in dem kegelförmigen Gehäuse 57 und in der Reaktorzelle 51 sind besonders gering.
Eine Ausführung der nach dem Verfahren der Erfindung (Kemira) hergestellten Reaktorzelle und einige im Handel erhältliche Reaktorzellen wurden einer vergleichenden mechanischen Festigkeitsprüfung (Cycle 2010) unterzogen. Die Reaktorzelle 42 wies gewellte Bleche 2, 3 mit schrägen Profilen auf, die durch Wider standsschweißen unter einem Winkel von 40 Grad in Bezug auf die Profile 31, 32, 33 zusammengefügt wurden, wobei die Verbindungsdichte 200 Verbindungen/cm³ betrug. Die Reaktorzelle war in ein zylindrisches Gehäuse 47 eingesetzt und mit diesem durch drei Verbindungsnuten 43, 44, 45 verbunden. Ferner wurde eine Schweißverbindung 46 am Boden einer der Verbindungsnuten unter Verwendung des Laserschweißens ausgebildet.
Die zu prüfenden Reaktorzellen wurden an die Abgassammelleitung eines Motors (Saab 2,0L 16-V) auf einem Motorprüfstand angeschlossen. Nach der Installation wurde der Motor gestartet und unter Teillast warm gefahren, bis der Thermostat des Motors ansprach. Bei der Prüfung wurden Volllast- und Leerlaufzyklen von jeweils 50 Sekunden Dauer wiederholt. Im Volllastzyklus wurde die Anfangsdrehzahl von 5500 U/min auf 4700 U/min vor dem Leerlaufzyklus verringert. Bei Volllast wurde Druckluft stromaufwärts von der Reaktorzelle in einer Menge zugeführt, die ausreichend war, die Temperatur in der Zelle auf etwa 1020°C zu erhöhen. Im Leerlaufzyklus war die Druckluftzufuhr größer, um die Temperatur schnell unter 400°C zu verringern.
Die hohe Beanspruchung des Zyklus beruht auf der hohen Temperatur, der starken Gasströmung, den kräftigen Gasimpulsen, schnellen Temperaturveränderungen und auf Schwingungen des Motors, die über die Abgassammelleitung übertragen werden. Der Zyklus wurde alle fünf Stunden unterbrochen und die getesteten Reaktorzellen wurden überprüft. In einigen Fällen wurde der Test früher abgebrochen, wenn die Reaktorzelle bereits mechanisch beschädigt war. Die Ergebnisse dieser vergleichenden Prüfungen waren wie folgt:
Nach den Prüfergebnissen widerstand die Kemira-Ausführung der Reaktorzelle der Erfindung den Testanforderungen mindestens das 5 bis 10-fache der Zeit länger als die Kontroll-Reaktorzellen unbeschädigt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Metallreaktorzelle mit übereinanderliegenden gewellten Blechen (2, 3, 12, 13), die z.B. aus einer Blechbahn durch Aufwickeln, Falten oder Schneiden und Stapeln gebildet ist, und wobei die Reaktorzelle (1, 11, 41) optional andere Bleche (4, 6) wie etwa flache Bleche, Lochbleche und/oder Siebbleche aufweist und wobei die Reaktorzelle ein Gehäuse (7, 47) hat, und die Reaktorzelle ferner Kanäle (9, 19) zwischen den übereinanderliegenden Blechen (2, 3, 4, 6, 12, 13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die Schritte aufweist: Voroxidieren der Bleche (2, 3, 4, 6, 12, 13), und nach dem Voroxidieren Befestigen der voroxidierten Bleche (2, 3, 4, 6, 12, 13) durch Widerstandsschweißen aneinander, an dem Gehäuse (7, 47) und/oder an einem Teil des Gehäuses (7, 47).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Voroxidierung durch Glühen der Bleche (2, 3, 4, 6, 12, 13) für 0,1 bis 10 Stunden bei der Temperatur von 500 bis 1000°C durchgeführt wird, vorzugsweise für 1 bis 3 Stunden bei 700 bis 800°C.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren weiter die Schritte aufweist: Befestigen eines Blechs (42) der Reaktionszelle (41) an dem Gehäuse (7, 47) mittels einer oder mehrerer Verbindungsnuten (43, 44, 45) an der Oberfläche des Gehäuses (7, 47), was dergestalt ist, dass bei Vorsehen der Verbindungsnuten (43, 44, 45) die Verbindungsnut ein Blech (42) der Reaktorzelle (41) parallel zur Innenseite des Gehäuses (7, 47) orientiert und Befestigen des Blechs (40) auch an dem Gehäuse (7, 47) mit einer oder mehreren Schweißverbindungen (46), die am Boden der Verbindungsnut (43, 44, 45) durch das Gehäuse (7, 47) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsnut (43, 44, 45) eine oder mehrere Schweißverbindungen (46) aufweist.
Verfahren nach Ansprüchen 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe und/oder Höhe der Verbindungsnut (43, 44, 45) zwischen 0,5 und 2 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gewellte Blech (2, 3, 6, 12, 13) ein profiliertes Blech ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorzelle (1, 11, 41) übereinanderliegende gewellte Bleche (2, 3, 12, 13) aufweist, die Wellen (31, 32, 33) unter einem Winkel von 10 bis 60° relativ zueinander haben.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorzelle (1a) mit einer anderen Reaktorzelle (1b) kombiniert ist, wobei die Bleche (2a, 2b) der Reaktorzellen (1a, 1b) in unterschiedlichen Richtungen relativ zueinander orientiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorzelle (51, 52) einen kegelförmigen Abschnitt umfasst, wobei die Reaktorzelle (51, 52) in ein Gehäuse (57) mit einem kielförmigen Abschnitt eingesetzt wird, dessen Form im Wesentlichen mit dem kegelförmigen Abschnitt der Reaktorzelle (51, 52) übereinstimmt.
Reaktorzelle für die Behandlung von Gasen, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorzelle (1, 11, 41) durch ein Verfahren gemäß Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
Verwendung der Reaktorzelle gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktorzelle (1, 41, 51, 52) zur Reinigung von Verbrennungsgasen wie Auspuffgasen oder Rauchgasen verwendet wird.