ES2323515T3 - Modulo de mezcla para un fluido en una corriente de gas. - Google Patents
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Abstract
Módulo de mezcla para un fluido en una corriente de gas, que comprende: un conducto (1) externo a través del cual puede fluir una corriente de gas; un conducto (2) interno a través del cual puede fluir una corriente de gas, presentando una longitud y una sección más pequeñas que el conducto externo mencionado anteriormente y estando contenido dentro del mismo, de manera que hay un espacio (4) de separación entre los dos conductos adaptado para el paso de gas; medios (6, 8) para inyectar un líquido; caracterizado por el hecho de que el conducto interno mencionado anteriormente presenta un primer borde (11) terminal que no está dispuesto en un plano perpendicular al eje (9) del conducto interno mencionado anteriormente, de manera que el conducto interno se extiende sobre una mayor longitud opuesta a los medios de inyección y sobre una menor longitud en la posición de los medios mencionados anteriormente.
Description
Módulo de mezcla para un fluido en una corriente
de gas.
La presente invención se refiere a un módulo de
mezcla, en particular a un módulo que puede dispersar una
disolución inyectada en una corriente de gas, más en particular una
disolución de reactivos que puede desarrollar amoniaco en la
corriente de los gases de escape de un motor equipado con un sistema
SCR para la reducción de óxidos de nitrógeno.
Uno de los mayores problemas en el campo de los
motores de combustión interna, en particular en lo que respecta a
motores diésel, es la formación de óxidos de nitrógeno durante la
combustión; estos óxidos de nitrógeno se descargan con los gases de
escape del motor y representan uno los contaminantes más nocivos.
Aunque se han propuesto diversas soluciones para reducir la
formación de esos compuestos, su nivel en los gases de escape
todavía representa un problema y considerando además la aplicación
de normativas legales, que son siempre rigurosas, deben usarse
sistemas para la reducción de óxidos de nitrógeno en los gases de
escape. Una de estas soluciones, conocida como el sistema SCR
(reducción catalítica selectiva, por sus siglas en inglés), se basa
en la reacción, provocada por un sistema catalítico adecuado, entre
los óxidos de nitrógeno presentes en los gases de escape y el
amoniaco introducido específicamente como reductor. El amoniaco se
introduce normalmente en forma de un reactivo preferentemente
líquido que puede liberar amoniaco en condiciones de temperatura
adecuadas o debido a la acción de catalizadores específicos,
directamente hacia el interior del sistema de reducción de óxido de
nitrógeno. La fuente preferida es normalmente urea en una disolución
acuosa, por ejemplo entre el 10 y el 60% en peso (se prefieren
concentraciones de aproximadamente el 32,5%), a partir de la cual se
obtiene el amoniaco mediante hidrólisis.
La urea puede introducirse de diferentes maneras
pero generalmente se nebuliza en la corriente de gases de escape,
aguas arriba de un convertidor que contiene el catalizador SCR.
Existen varios sistemas de nebulización de tipo
aire, es decir, en los que el líquido se mezcla con aire comprimido
y la mezcla obtenida de esta manera se expande introduciéndose en el
conducto de los gases de escape, o la disolución se pulveriza
usando un dispositivo de inyección específico, o inyector, que
normalmente hace pasar al líquido a una determinada presión a
través de una boquilla o una válvula sin usar aire. Se ha prestado
cada vez más atención a este último procedimiento ya que la mezcla
con aire comprimido favorece la precipitación de sólidos a partir
de la disolución de urea, lo que puede provocar problemas al sistema
de nebulización. Además, los sistemas de aire comprimido son muy
caros y mucho más complejos que los inyectores que no utilizan
aire.
Cuando se utilice urea debe recordarse que la
descomposición de este compuesto, una vez que se haya evaporado el
agua, puede provocar la formación de otros productos, en particular
ácido isociánico. Este es un compuesto altamente reactivo que puede
provocar la formación de otros productos que tienden a formar
depósitos líquidos, tales como películas líquidas, o depósitos
sólidos sobre las diversas estructuras del sistema de gases de
escape, es decir, tubos, deflectores, mezcladores y dentro del
sistema catalítico. Este fenómeno es provocado por el contacto de
la disolución con superficies que son relativamente frías con
respecto a la corriente de los gases de escape en la que se
pulveriza la disolución, como es normalmente el caso de las paredes
de los conductos de gas que pueden dispersar calor hacia el
exterior y hacia las estructuras de los mezcladores, situados
dentro de los conductos, que, sin embargo, están conectados, en lo
que respecta al calor, con las paredes de los conductos.
Para favorecer la dispersión de la disolución en
la corriente de gas, que se envía después al convertidor, la
disolución se introduce aguas arriba de largas secciones rectas
(también de 1 m) de los conductos. Estas secciones conducen después
al convertidor catalítico. Esto genera grandes dificultades de
construcción en el caso de los sistemas que van a instalarse en los
vehículos. También se utilizan mezcladores estáticos usados para
favorecer la mezcla pero no eliminan la necesidad de secciones de
conducto rectas entre el mezclador y el punto de inyección. Esto
sucede en cualquier caso, pero es particularmente evidente si la
disolución se inyecta sin usar aire comprimido ya que el chorro de
aire, que no debe dirigirse necesariamente contra las paredes del
conducto, debe dirigirse aguas abajo, es decir, hacia el mezclador
sobre el que, tal y como se ha mencionado anteriormente, pueden
formarse depósitos, especialmente en caso de una dispersión
ineficaz. De hecho, en sistemas sin aire, el líquido se inyecta a
una velocidad determinada para crear un chorro con una componente
direccional robusta, totalmente concentrada sobre una determinada
longitud antes de obtener un buen nivel de dispersión, ya que no es
posible contar con una expansión inmediata del aire, lo que es
típico de otro tipo de inyección; considerando la baja presión de
inyección (como máximo unas cuantas décimas de bar) y la
considerable diferencia entre las cantidades de gases de escape y
las de urea que pueden producirse, es evidente que las dimensiones
tanto de la mezcla como de la nebulización son muy problemáticas.
Además, si la disolución no se distribuye en la corriente de gas
por encima de un determinado nivel, la acción del mezclador
estático es insuficiente. Además, de esta manera, pueden generarse
depósitos sobre las diversas estructuras y las largas secciones de
tubo favorecen una dispersión adicional del calor.
El documento WO 2005/073524, cuyo contenido está
comprendido en el estado de la técnica, con respecto a la presente
solicitud, bajo el artículo 54(3) EPC, desvela un aparato
para el tratamiento del gas de escape de un motor de combustión
interna en el que se proporcionan un conducto interior y un conducto
exterior, y un líquido se pulveriza dentro del conducto interior,
que está térmicamente aislado del conducto exterior.
El documento DE 199 34 413 desvela un aparato en
el que un mezclador que comprende un tubo está colocado coaxialmente
dentro del tubo de los gases de escape. Se proporcionan medios de
inyección dentro de dicho mezclador.
El documento US 2003/0003029 desvela un conducto
de gas de una caldera; se pulveriza amoniaco directamente hacia el
interior de dicho conducto.
El documento US 2001/0018826 desvela un
dispositivo para la purificación SCR. El reactivo se pulveriza hacia
el interior de un tubo coaxial al canal de escape mediante un
inyector que sobresale hacia el interior de dicho tubo.
El documento US 2003/0079467 desvela un
dispositivo en el que un reactivo se pulveriza hacia el interior de
un tubo perforado y colocado coaxialmente dentro del canal de gases
de escape. La estructura del tubo perforado está diseñada para
crear turbulencias. Los medios de inyección sobresalen hacia el
interior del tubo perforado.
Por lo tanto, es deseable obtener una mezcla
efectiva de la disolución en la corriente de gases de escape antes
de que penetre en el sistema catalítico, sin usar estructuras
voluminosas y sin que se produzcan los problemas de formación de
depósitos mencionados anteriormente, independientemente de los
sistemas de inyección utilizados, en particular aquéllos que no
utilicen aire.
Los problemas identificados anteriormente se han
resuelto según la presente invención mediante un módulo de mezcla
para un fluido en una corriente de gas, según la reivindicación
1.
La invención también se refiere a un
procedimiento de inyección de una disolución de urea en una
corriente de gases de escape de un motor de combustión interna en
un módulo, tal y como se ha especificado anteriormente. En
particular, la invención se refiere al contenido de las
reivindicaciones adjuntas.
A continuación se describirá la presente
invención a través de una descripción detallada de realizaciones
preferidas pero no exclusivas, proporcionadas simplemente a modo de
ejemplo, con la ayuda de las figuras 1 y 2 adjuntas que muestran
una sección longitudinal y una vista frontal de un módulo según la
presente invención.
Con referencia a las figuras 1 y 2 se describe
un módulo para la inyección y dispersión de una disolución de urea
en una corriente de gases de escape, por ejemplo en la corriente de
gases de escape de un motor dotado de un sistema catalítico SCR.
Incluye el conducto 1 externo, a través del cual
la corriente de gas fluye en la dirección de la flecha A, y el
conducto 2 interno, que contiene preferentemente un mezclador 3
estático. Hay un espacio 4 de separación entre los dos conductos.
Según una realización preferida de la invención, el conducto interno
y el conducto externo son dos tubos coaxiales, por lo que el
espacio 4 de separación tiene una sección de tipo anillo circular;
preferentemente, este espacio de separación tiene un ancho de entre
1/20 y 1/5 del diámetro interior del conducto interno en el caso de
un conducto de sección circular y su valor puede ser preferentemente
de entre 3 y 20 mm, por ejemplo, de 5 mm aproximadamente. Pueden
fijarse de diferentes maneras, por ejemplo mediante tiras 5 de
metal colocadas en una dirección longitudinal (para garantizar la
resistencia mínima a la corriente de gas). Según el aspecto
ejemplificado en las figuras, pueden usarse cuatro pero también
puede usarse de manera ventajosa un número más pequeño. De hecho,
es deseable minimizar el intercambio térmico entre el conducto
externo y el conducto interno, por lo que la conexión debe
garantizar simplemente la suficiente resistencia mecánica.
El módulo incluye preferentemente medios para la
inyección de un líquido; estos medios pueden incluir un dispositivo
de inyección común (no mostrado ya que es conocido) o inyector, que
puede preferentemente nebulizar el líquido, y medios 6 para fijar
el mismo al módulo. Por ejemplo, estos medios puede ser una parte de
tubo 6, dotada opcionalmente de un reborde 7, ubicada en el
orificio 8 hecho en el conducto externo. El reborde 7 puede ser
útil para fijar un reborde correspondiente en el cuerpo de un
inyector. Según una realización preferida, los medios de inyección
pueden pulverizar un chorro de líquido, preferentemente nebulizado,
presentando dicho chorro una velocidad media con una dirección
preferentemente inclinada con relación a la dirección de la
velocidad media de los gases de escape; las dos direcciones pueden
formar, por ejemplo, un ángulo de 60º aproximadamente, no superando
preferentemente los 70º con la componente de la velocidad del chorro
de líquido paralela a la velocidad de los gases que presentan la
misma dirección de la misma. Según una realización preferida, la
velocidad del gas coincide con un eje 9 longitudinal del conducto
externo (y del conducto coaxial interno). El eje de la parte de
tubo 6 puede coincidir de manera ventajosa con la dirección del
chorro y, por consiguiente, estar inclinado. La dirección del
chorro incidirá preferentemente sobre el eje 9 del conducto externo.
El punto de inyección puede situarse cerca del orificio 8 para
interferir lo menos posible con la corriente de gases.
Según una realización preferida, el conducto
interno no se extiende hasta el orificio 8 o hasta el punto de
inyección, pero está dispuesto y conformado para interceptar el
chorro de líquido, protegiendo las paredes del conducto externo
contra el mismo.
El conducto interno tiene un borde 11 terminal
inicial que no está dispuesto en un plano perpendicular con
respecto al eje del conducto; de esta manera, el conducto interno se
extiende sobre una mayor longitud desde la parte 12 opuesta a los
medios de inyección, y sobre una menor longitud desde la parte 19 en
la posición de los medios mencionados anteriormente. Por ejemplo,
el borde 11 terminal puede estar dispuesto en un plano que forme,
con el eje 9 (de ambos conductos, si son coaxiales), un ángulo
inferior a 90º, preferentemente inferior a 70º, más preferentemente
entre 55 y 60º, siendo el eje 18 normal al plano mencionado
anteriormente y estando dispuesto en el plano identificado entre el
eje 9 del conducto y la dirección 10 del chorro de inyección. Sin
embargo, el segundo borde 13 terminal en el extremo opuesto al
primero, puede estar dispuesto en plano normal al eje 9.
Preferentemente, la dirección 10 de la velocidad media del chorro
intercepta la pared 16 interior del conducto interno.
La estructura puede diseñarse de tal manera que
el líquido pulverizado pueda quedar atrapado por la corriente de
gas y transportarse dentro del conducto interno y, aquí, hasta el
mezclador estático, mientras que parte de la corriente de los gases
de escape sin el líquido pulverizado, o con una cantidad reducida
del mismo, fluye en el espacio 4 de separación. En el proyecto, se
prestará la debida atención a cómo el chorro se esparce cuando sale
del dispositivo de inyección.
También es posible que los medios de inyección
introduzcan el líquido directamente en el conducto interno, por
ejemplo, un inyector puede atravesar un orificio hecho en el
conducto mencionado anteriormente, que además puede extenderse
hasta y aguas arriba del orificio 8. Sin embargo, se prefiere la
solución descrita previamente ya que combina un buen comportamiento
con respecto a la dispersión del líquido y también la prevención
contra la formación de depósitos con una construcción sencilla.
De esta manera, la corriente que transporta el
líquido (que se evapora y empieza a descomponerse rápidamente si se
utiliza una disolución de urea) hace contacto solamente con la
estructura dentro del conducto interno, cuya dispersión térmica
hacia el exterior se reduce debido al limitado número de puntos de
conexión con el conducto externo. De esta manera, el aislamiento es
satisfactorio incluso si todas las partes del módulo están hechas
de metal, tal y como se prefiere, considerando que los gases de
escape pueden alcanzar altas temperaturas y también la necesidad de
una resistencia mecánica. Además, el gas que fluye a través del
espacio 4 de separación contribuye en gran medida a mantener el
conducto interno y el mezclador estático lo bastante calientes. De
esta manera, es posible evitar o reducir los depósitos sin tener que
obtener además un alto nivel de dispersión del líquido aguas arriba
del mezclador estático, tal y como se requería previamente, y sin
tener que introducir el líquido cerca del centro del conducto de
los gases de escape para reducir la posibilidad de impacto de éste
contra las paredes.
Preferentemente, el extremo opuesto al segundo
borde supera en longitud al mezclador 3 estático, preferentemente
en al menos 1/10 del diámetro interior del conducto. Esto hace
posible evitar las componentes no longitudinales de la velocidad de
los gases, impartidas por el mezclador, favoreciendo el impacto con
las paredes del conducto externo una vez que los gases hayan salido
del conducto interno. Los gases que abandonan el espacio 4 de
separación, fluyendo a lo largo de las paredes, contribuyen a
evitar la formación de depósitos generados por los gases ricos en
urea, o en sus productos de descomposición, y redistribuyen el
suministro de urea hacia el centro; de hecho, con frecuencia sucede
que los gases ricos en urea, con mezcladores de un tipo conocido,
que imparten grandes movimientos centrífugos a la corriente de gas,
tienden a distribuirse hacia el exterior, lo que también puede dar
como resultado problemas relacionados con un funcionamiento
irregular del convertidor catalítico aguas abajo. En altas
cantidades, los gases que fluyen en el espacio de separación en
grandes cantidades contrastan eficazmente con cualquier fuerza
centrífuga, debido a las fuertes turbulencias, de los gases que
abandonan el conducto interno cargados con urea o sus derivados.
El mezclador 3 estático puede ser de un tipo
diferente según las necesidades. Por ejemplo, el mostrado en las
figuras tiene un conjunto de aletas inclinadas con respecto a la
dirección de los gases y, por tanto, con respecto al eje 9. La
inclinación se determina para impartir una componente tangencial a
los gases, dirigida normalmente en una dirección alrededor del eje
9 (rotación) para las aletas 14' radiales más externas y en la
dirección opuesta para las aletas 14'' radiales más internas. Pueden
utilizarse otros tipos de mezcladores, ya sean conocidos o no
conocidos.
Según una realización preferida, el módulo
incluye un dispositivo 15 de enderezamiento de flujo (omitido en la
figura 2), aguas arriba de los medios de inyección, y por lo tanto
en el conducto externo, desde la parte opuesta, denominados como
los medios 6 y 8 de inyección. Puede ser de un tipo diferente y
puede incluir, por ejemplo, un conjunto de canales 17 paralelos al
eje 9, de una longitud y de un ancho adecuados. El dispositivo de
enderezamiento está diseñado para reducir o eliminar las componentes
de velocidad que no sean paralelas a la dirección del eje 9 y que
podrían arrastrar parte del líquido inyectado contra las paredes del
conducto externo o en el espacio 4 de separación; el dispositivo de
enderezamiento es particularmente útil cuando el tubo aguas arriba
no es recto debido a la presencia de codos, de zonas más anchas o
más estrechas o por otras razones.
Tal y como puede observarse, el módulo según la
presente invención favorece una mezcla altamente eficaz, evitando
la formación de depósitos, aunque es muy compacta. En particular,
hace posible situar el punto de inyección cerca del mezclador,
también en el caso de inyección no asistida usando aire
comprimido.
Además, la presencia del espacio de separación
sin un mezclador estático con una alta capacidad de gas tiene el
efecto de reducir completamente las pérdidas de aire ya que, en un
régimen turbulento, permite el paso de grandes cantidades de gas,
actuando como una desviación, mientras que, sin embargo, el flujo de
gas a través del conducto interno y el mezclador el suficientemente
alto. A bajas cantidades de gas, un en régimen laminado o en un
régimen similar a esta condición, puede reducirse la contribución
relativa del espacio de separación de manera que el suministro del
mezclador sea siempre adecuado. Durante el diseño del módulo, los
expertos en la materia tienen en cuenta la posibilidad de
aprovechar este tipo de efecto.
El conducto externo puede ser el conducto de los
gases de escape presente normalmente en un vehículo.
El compacto diseño del módulo también significa
que puede construirse por separado y montarse en un tubo de
descarga. Por ejemplo, el módulo mostrado en las figuras, equipado o
no con el inyector de líquido, puede presentar rebordes de fijación
en los dos extremos del conducto externo, que puede extenderse sólo
un poco más que la sección representada, de manera que puede
fijarse al tubo de descarga, por un lado al colector de gases de
escape, por otro lado a un convertidor SCR, o posiblemente a otras
secciones intermedias del tubo. El inyector también puede fijarse a
un reborde 7 y al tubo de suministro de líquido. De esta manera es
posible construir un módulo que pueda adaptarse a varios tipos de
vehículo.
La invención también se refiere a un motor de
combustión interna, preferentemente de tipo diésel, equipado con un
sistema catalítico SCR y con un módulo como el descrito
anteriormente, y a un vehículo, por ejemplo un vehículo industrial,
dotado de dicho motor.
Claims (15)
1. Módulo de mezcla para un fluido en una
corriente de gas, que comprende:
- un conducto (1) externo a través del cual puede fluir una corriente de gas;
- un conducto (2) interno a través del cual puede fluir una corriente de gas, presentando una longitud y una sección más pequeñas que el conducto externo mencionado anteriormente y estando contenido dentro del mismo, de manera que hay un espacio (4) de separación entre los dos conductos adaptado para el paso de gas; medios (6, 8) para inyectar un líquido;
caracterizado por el hecho
de que el conducto interno mencionado anteriormente presenta un
primer borde (11) terminal que no está dispuesto en un plano
perpendicular al eje (9) del conducto interno mencionado
anteriormente, de manera que el conducto interno se extiende sobre
una mayor longitud opuesta a los medios de inyección y sobre una
menor longitud en la posición de los medios mencionados
anteriormente.
2. Módulo de mezcla según la reivindicación 1,
para una disolución de urea en una corriente de gases de escape de
un motor de combustión interna.
3. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el conducto interno mencionado anteriormente contiene un
mezclador, preferentemente del tipo (3) estático.
4. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el conducto interno y el conducto externo mencionados
anteriormente son dos tubos coaxiales y el espacio de separación
mencionado anteriormente presenta una sección en anillo
circular.
5. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que los medios mencionados anteriormente para inyectar un líquido
comprenden un inyector que puede pulverizar el líquido sin
premezclarlo con aire comprimido.
6. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que los medios mencionados anteriormente para inyectar un líquido
pueden inyectar el líquido en una dirección que incide sobre el eje
9 de los conductos, formando con el mismo un ángulo inferior a
70º.
7. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que los medios de inyección mencionados anteriormente pueden
inyectar el líquido en una dirección que incide sobre la pared
interna del conducto interno mencionado anteriormente.
8. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el borde terminal mencionado anteriormente está dispuesto en un
plano que forma un ángulo inferior a 75º con el eje del conducto
interno.
9. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que el conducto interno mencionado anteriormente no se extiende
hasta el punto de inyección.
10. Módulo según la reivindicación 3,
caracterizado por el hecho de que el conducto interno
mencionado anteriormente también se extiende desde el extremo,
opuesto con respecto a los medios de inyección, más allá del
mezclador.
11. Módulo según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, caracterizado por el hecho de
que incluye un dispositivo (15) de enderezamiento de flujo
contenido dentro del conducto externo mencionado anteriormente aguas
arriba de dichos medios de inyección.
12. Procedimiento de inyección de una disolución
de urea en una corriente de gases de escape de un motor de
combustión interna, caracterizado por el hecho de que los
gases de escape mencionados anteriormente fluyen a través de un
módulo según cualquiera de las reivindicaciones anteriores y la
corriente se divide entre el conducto interno y el espacio de
separación.
13. Procedimiento según la reivindicación 12,
caracterizado por el hecho de que los medios de inyección
mencionados anteriormente están aguas arriba del conducto interno e
inyectan el líquido para que no fluya sustancialmente en el espacio
de separación.
14. Motor de combustión interna, preferentemente
diésel, equipado con un sistema catalítico SCR y con un módulo según
cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11.
15. Vehículo equipado con un motor según la
reivindicación 14.
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