WO2004113816A1 - Wabenkörpereinrichtung für die thermische abgasbehandlung - Google Patents

Wabenkörpereinrichtung für die thermische abgasbehandlung Download PDF

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    • F01N2240/10—Combination or association of two or more different exhaust treating devices, or of at least one such device with an auxiliary device, not covered by indexing codes F01N2230/00 or F01N2250/00, one of the devices being a heat accumulator

Definitions

  • the invention relates to a honeycomb body device for thermal exhaust gas treatment.
  • honeycomb bodies are known, for example from EP 0 472 605 B1, which are used as heat storage masses in regenerators in exhaust gas treatment systems. These honeycomb bodies are usually arranged in stacks, with at least two honeycomb bodies aligned with their channels in the direction of the respective gas flow, optionally spaced apart from one another.
  • the known heat storage masses are ceramic honeycomb bodies which are essentially prism-shaped, have channels parallel to the main prism axis with essentially identical channel cross sections, have a specific surface area between 200 and 1000 m 2 / m 3 and a hydraulic diameter between 2 and 12 mm.
  • the honeycomb bodies of the regenerators can have prismatic storage bodies of approximately 0.2-1.0 m, in particular approximately 0.4-0.6 m prism length and approximately 0.1-0.5 m, preferably 0.15 - 0.30 m prism end face side length.
  • the flow profile of the cross section of the heat storage chamber continues across all layers. Zones which are poorly or not at all flowed through in a position facing the inflow side of the gas are subsequently flowed through in the same way as the previous layer due to the aligned arrangement of the channels. The same applies to zones or channels with strong air flow.
  • the continuation of the flow profile through the honeycomb body layers is essentially based on the aligned arrangement of the channels or prisms and an almost continuous laminar flow. The present invention aims to avoid these disadvantages.
  • the invention relates to a honeycomb body device for thermal exhaust gas treatment, in particular for regenerative heat storage, with at least one prism-shaped body made of ceramic, which is provided with a plurality of continuous, straight-line channels opening into the two prism surfaces;
  • This honeycomb body device is characterized according to the invention in that each honeycomb body is traversed over its cross section by longitudinal channels with different channel cross sections. This enables a non-aligned arrangement of the prisms, in particular the individual channels, when stacking a plurality of honeycomb bodies.
  • honeycomb bodies according to the prior art were based above all on the achievement of a uniform flow resistance or pressure loss of the individual channels, in order thereby to achieve a uniform flow.
  • the use of different channel geometries in one and the same honeycomb body can lead to preferential flow through channels with a large cross-section compared to a reduced flow through channels with a small cross-section.
  • the honeycomb bodies of successive layers are preferably rotated relative to one another by 180 °. Characterized in that then channels of larger cross-section of the one honeycomb body layer opposite channels of smaller cross-section of the other honeycomb body layer, there is a compensation of the flow resistance due to the alternating flow through channels of large cross-section with channels of small cross-section.
  • honeycomb bodies of successive layers can alternatively also be aligned with one another. be arranged.
  • two rows of square channels alternate with a row of rectangular channels alternately over the honeycomb body cross section.
  • FIG. 1 shows schematically a honeycomb body according to the invention in cross section; 2 also schematically shows the stacking process; 3 shows the stack arrangement of honeycomb bodies rotated by 180 °, and FIG. 4 shows a schematic longitudinal section through the stacked honeycomb bodies according to FIG. 3.
  • honeycomb body 1 shows a honeycomb body 1 made of a ceramic mass, the honeycomb body being formed by alternating the arrangement of a double row of square channels 2 with a row of rectangular channels 3.
  • the flow area of the double row of square channels 2 should essentially correspond to the flow area of the rectangular channels 3.
  • the design according to the invention can be implemented in extrusion by appropriately “omitting" every fourth cell wall in one axial direction.
  • the axis oriented 90 ° to each has the usual cell wall density.
  • the honeycomb bodies 1 according to the invention have 2N x (N + N / 2) channels 2, 3 in cross section, where N is the number of channels.
  • two layers of honeycomb bodies are stacked at 180 ° in the plane normal to the main prism. reached twisted honeycomb bodies.
  • 2 shows schematically the sliding of two honeycomb bodies 1, 1 'in the direction of arrow P. This results in the described uniform flow over two layers 1, 1'.
  • it is advantageous to divide a gas stream (through a rectangular channel 3) into two partial streams (in two square channels 2 each).
  • mixing within the honeycomb body layers 1, 1 'and at the same time swirling at the transition between two honeycomb layers is achieved.
  • honeycomb bodies 1 rotated by 180 ° are stacked exactly, i.e. in the case of honeycomb bodies aligned with one another, there is a uniform cell pattern over two layers, as is shown in FIG. 3.
  • Fig. 4 shows schematically the flow pattern through two honeycomb layers 1, 1 ', which are rotated by 180 ° against each other.
  • a stream S divides into two half-streams S ', or vice versa, two streams combine to form a stream S.
  • the flow resistance over two layers is the same.

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Abstract

Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung, insbesondere zur regenerativen Wärmespeicherung, mit zumindest einem prismenförmigen Körper (1) aus Keramik, der mit einer Vielzahl von durchgehenden, in die beiden Prismenflächen mün­ denden geradlinigen Kanälen (2, 3) versehen ist wobei jeder Wabenkörper über semen Querschnitt von Längskanälen mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten durchzogen ist.

Description

Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung
Die Erfindung betrifft eine Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung.
Es sind verschiedene keramische Wabenkörper bekannt, beispielsweise aus der EP 0 472 605 Bl, die als Wärmespeieher- massen in Regeneratoren in Anlagen zur Abgasbehandlung eingesetzt werden. Diese Wabenkörper werden üblicherweise in Stapeln angeordnet, wobei mindestens zwei in Richtung des jeweiligen Gasstromes, gegebenenfalls im Abstand voneinander angeordnete Wabenkörper mit ihren Kanälen fluchten.
Bei den bekannten Wärmespeichermassen handelt es sich um keramische Wabenkörper, die im wesentlichen prismenförmig sind, Kanäle parallel zur Prismenhauptachse mit untereinander im wesentlichen gleichen Kanalquerschnitten aufweisen, eine spezifische Oberfläche zwischen 200 und 1000 m2/m3 haben sowie einen hydraulischen Durchmesser zwischen 2 und 12 mm. (Beispielsweise können die Wabenkorper der Regeneratoren prismatische Speicherkδrper von etwa 0,2 - 1,0 m, insbesondere von etwa 0,4 - 0,6 m Prismenlänge und von etwa 0,1 - 0,5 m, vorzugsweise von 0,15 - 0,30 m Prismenendflächen-Seitenlänge sein.)
Infolge der fluchtenden Anordnung der prismenförmigen Wabenkörper, insbesondere von deren Kanälen, setzt sich jedoch das Durchströmungsprofil des Querschnittes der Wärmespeicherkammer über alle Lagen hinweg fort. Zonen, die in einer der Einströmungsseite des Gases zugewandten Lage schlecht oder gar nicht durchströmt sind, werden aufgrund der fluchtenden Anordnung der Kanäle im weiteren Verlauf gleichartig zur vorhergehenden Lage durchströmt. Gleiches gilt für stark durchströmte Zonen bzw. Kanäle. Der Fortsetzung des Strömungsprofils durch die Wabenkörperlagen liegt also im wesentlichen die fluchtende Anordnung der Kanäle bzw. Prismen und eine nahezu durchgehend laminare Strömung zugrunde. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese Nachteile zu vermeiden. Gegenstand der Erfindung ist eine Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung, insbesondere zur regenerativen Wärmespeicherung, mit zumindest einem pris- menförmigen Körper aus Keramik, der mit einer Vielzahl von durchgehenden, in die beiden Prismenflächen' mündenden geradlinigen Kanälen versehen ist; diese Wabenkörpereinrichtung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, daß jeder Wabenkorper über seinen Querschnitt von Längskanälen mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten durchzogen ist. Dadurch wird bei Übereinanderstapelung mehrerer Wabenkörper eine nichtfluch- tende Anordnung der Prismen, insbesondere der einzelnen Kanäle ermöglicht .
Es sei erwähnt, daß die Verwendung gleichartiger Querschnitte in Wabenkörpern nach dem bisherigen Stand der Technik vor allem auf der Erzielung eines gleichmäßigen Strömungswiderstandes bzw. Druckverlustes der einzelnen Kanäle beruhte, um dadurch eine gleichmäßige Durchstrδmung zu erzielen. Die Verwendung unterschiedlicher Kanalgeometrien in ein und demselben Wabenkorper kann zu bevorzugter Durchströmung von Kanälen mit großem Querschnitt gegenüber einer verminderten Durchströmung von Kanälen kleinen Querschnittes führen Im Rahmen der Erfindung werden vorzugsweise zumindest zwei Wabenkörper übereinandergestapelt , wobei einander Kanäle unterschiedlichen Querschnittes gegenüberliegen. Erfindungsgemäß werden vorzugsweise die Wabenkörper aufeinanderfolgender Lagen um 180° gegeneinander verdreht angeordnet. Dadurch, daß sodann Kanäle größeren Querschnittes der einen Wabenkörperlage Kanälen kleineren Querschnittes der anderen Wabenkörperlage gegenüberliegen, erfolgt ein Ausgleich des StrömungswiderStandes infolge der abwechselnden Durchströmung von Kanälen großen Querschnittes mit Kanälen kleinen Querschnittes. Die Summe des Strömungswiderstandes über zwei Lagen (und einem Vielfachen von zwei) kann somit über alle Kanäle gleich gehalten werden, und damit ist wiederum eine gleich verteilte Durchströmung der Wabenkörper gegeben. Die Wabenkörper aufeinanderfolgende Lagen können alternativ auch aufeinander ausgerichtet . angeordnet sein.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung wechseln über den Wabenkörperquerschnitt alternierend zwei Reihen quadratischer Kanäle mit einer Reihe rechteckiger Kanäle ab.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 zeigt schematisch einen Wabenkörper gemäß der Erfindung im Querschnitt; Fig. 2 ebenfalls schematisch den Stapelungsvorgang; Fig. 3 die Stapelanordnung von um 180° gedrehten Wabenkörpern, und Fig. 4 einen schematischen Längsschnitt durch die gestapelten Wabenkörper nach Fig. 3.
Fig. 1 zeigt einen Wabenkörper 1 aus einer keramischen Masse, wobei der Wabenkorper durch abwechselnde Anordnung einer Doppelreihe quadratischer Kanäle 2 mit einer Reihe rechteckiger Kanäle 3 gebildet ist. Die Durchströmfläche der Doppelreihe quadratischer Kanäle 2 soll im wesentlichen der Durchströmfläche der rechteckigen Kanäle 3 entsprechen. Daraus ergeben sich Zellverteilungen über den Querschnitt von z.B. 30 x 40 Zellen anstatt wie bei Wabenkorpergeometrien nach dem Stand der Technik von z.B. 40 x 40 Zellen. Produktionstechnisch kann die erfindungsgemäße Ausführung beim Strangpressen durch entsprechendes "Auslassen" jeder vierten Zellwand in einer Achsrichtung realisiert werden. Die jeweils 90° dazu ausgerichtete Achse weist die übliche Zellwanddichte auf.
Gemäß Fig. 1 haben die erfindungsgemäßen Wabenkörper 1 im Querschnitt 2N x (N+N/2) Kanäle 2, 3, wobei N die Anzahl der Kanäle ist .
Zwei Lagen von Wabenkörpern werden gemäß Fig. 2 durch eine- Stapelung von um 180° in der Ebene normal zur Prismenhauptach-. se verdrehten Wabenkörpern erreicht. Fig. 2 zeigt schematisch- das Übereinanderschieben zweier Wabenkörper 1, 1' in Richtung des Pfeiles P. Dadurch ist die beschriebene gleichmäßige Durchströmung über je zwei Lagen 1, 1' gegeben. Vorteilhaft ist beim Übergang von einer auf die nächste Lage die Teilung eines Gasstromes (durch einen rechteckigen Kanal 3) in zwei Teilströme (in jeweils zwei quadratischen Kanälen 2) . Einerseits wird dadurch eine Durchmischung innerhalb der Wabenkörperlagen 1, 1' und zugleich eine Verwirbelung am Übergang zweier Wabenlagen erzielt.
Bei genauer Stapelung der um 180° gedrehten Wabenkörper 1, d.h. bei aufeinander ausgerichteten Wabenkörpern, ergibt sich ein gleichmäßiges Zellenmuster über zwei Lagen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist.
Fig. 4 zeigt schematisch den Strömungsverlauf durch zwei Wabenkörperlagen 1, 1', die um 180° gegeneinander verdreht sind. Am Übergang von dem unteren Wabenkörper in den oberen Wabenkörper teilt sich ein Strom S in zwei Halbstrδme S', oder umgekehrt vereinigen sich zwei Ströme zu einem Strom S. Dabei ist der Strömungswiderstand über zwei Lagen gleich.
Es versteht sich, daß das erläuterte Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Geometrie der Wabenkörperkanäle im Rahmen des allgemeinen Erfindungsgedankens verschiedentlich abgewandelt werden kann.

Claims

Ansprüche :
1. Wabenkörpereinrichtung für die thermische Abgasbehandlung, insbesondere zur regenerativen Wärmespeicherung, mit zumindest einem pris enförmigen Körper aus Keramik, der mit einer Vielzahl von durchgehenden, in die beiden Prismenflächen mündenden geradlinigen Kanälen versehen ist, dadurch gekenn- zeichnet, daß jeder Wabenkörper (1) über seinen Querschnitt von Längskanälen (2, 3) mit unterschiedlichen Kanalquerschnitten durchzogen ist.
2. Wabenkörpereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwei Wabenkörper (1, 1') überein- andergestapelt sind, wobei einander Kanäle (2, 3) unterschiedlichen Querschnittes gegenüberliegen.
3. Wabenkörpereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenkörper (1, 1') aufeinanderfolgender Lagen um 180 °C gegeneinander verdreht angeordnet sind.
4. Wabenkörpereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wabenkörper (1) im Querschnitt 2N x (N+N/2) Kanäle (2, 3) aufweisen, wobei N die Anzahl der Kanäle ist.
5. Wabenkörpereinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß über den Wabenkörperquerschnitt alternierend zwei Reihen quadratischer Kanäle (2) mit einer Reihe rechteckiger Kanäle (3) abwechseln.
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