用於催化轉換器風道中的紊流發生器的製作方法

2023-08-06 09:12:36

專利名稱：用於催化轉換器風道中的紊流發生器的製作方法
技術領域：
本發明的技術背景本發明涉及對催化轉換器的一些改進，從而可以使氣體的壓降與質量傳遞之間的比例最優化。
通常，一個催化轉換器包含一個由大量相鄰的小風道構成的襯板，在這些風道中流過的一種氣體或混和氣體將通過襯板上的一個催化劑塗層而被轉換。有許多材料可以用於構成催化轉換器，例如陶瓷材料或不鏽鋼，鋁等金屬。
通常，陶瓷催化轉換器的風道的橫截面為三角形或多邊形，即六邊形。這種類型的催化轉換器由擠壓法製成，該方法製成的風道在整個長度方向上的橫截面均保持相同，而且風道壁光滑平坦。
用金屬製造催化轉換器襯板時，可將波形金屬帶或金屬板與平金屬條或金屬板交替排列，並將這個組件繞一個軸線纏繞。這樣製成的風道的橫截面形狀為三角形或梯形。市場供應的金屬催化轉換器，其風道在整個長度範圍內具有相同的橫截面尺寸，這與陶瓷催化轉換器一樣，而且其風道壁也是光滑平坦的。
最重要的基本特徵是，在氣體(或流過風道的混和氣體)與催化轉換器風道壁之間會發生物質傳遞。物質傳遞係數是一個表示物質傳遞率的一個量度，如果要達到高效催化轉換效果，則物質傳遞係數必須較高。
對於內燃機或工業中使用的上述各種催化轉換器，風道具有相對較小的橫截面形狀，因此，氣體速度也較小，這樣氣體會沿風道方向以相對規則的層流動。這樣，氣體主要為層流。只在鄰近風道入口處的一小段長度內，才會出現一些指向風道壁的橫流。為了給氣體歸類，需採用所謂的雷諾數，在這些應用中，雷諾數在100到600之間。只要雷諾數低於2000，則氣體保持為層流。
在這一技術領域中有一個熟知的事實是，層流氣體會在靠近風道壁處形成一個邊界層，邊界層的氣體速度大致為零。這個邊界層會嚴重減少物質傳遞係數，尤其是對於所謂的完全形成的氣體來說更是如此。為了增加物質傳遞係數，必須使氣體流向風道表面，從而減少邊界層並增加各層間的氣體傳導。這可以通過紊流實現。當雷諾數達到大約2000以上時，光滑平坦的風道中的層流會變成紊流。為了使此處涉及的催化轉換器風道中的雷諾數達到這一量級，需要使氣體速度大大超過現有風道中的常規速度。為了使上述各種具有低雷諾數的催化轉換器中產生紊流，需要採用人為方法，例如在風道中安裝特殊的紊流發生器。
現在已有大量紊流發生器問世。在SE-B-461 01B中的一個催化轉換器的風道中帶有橫向波紋形的紊流發生器。在GB-A-2001547中的一個催化轉換器的風道中帶有的紊流發生器的結構為，從結構材料中橫向穿出的金屬片。此外，還有這二種紊流發生器的組合品產生。
這些紊流發生器的一個共同特點是，它們能顯著增加物質傳遞能力。然而，壓降值也顯著增加。事實上已證明，壓降的增幅已超過了物質傳遞的增幅。這種壓降取決於紊流發生器的結構、尺寸以及幾何形狀。然而，已經知道上述各種紊流發生器產生的壓降太大，因而不能被廣泛採用。
本發明概述本發明的目的是找出一種紊流發生器，它們在催化轉換器風道中的位置和結構能達到這樣的效果，即獲得壓降與物質傳遞能力的最佳比值。在此，需採用液力直徑這一概念。液力直徑即流過氣體的風道的橫截面積與風道周長之比。在催化轉換器風道的入口處，物質傳遞係數較高，這是因為邊界層很薄。沿著主氣流方向，邊界層的厚度逐漸增加，而物質傳遞係數，即向風道表面傳遞的物質的比率逐漸減少。
為了提高物質傳遞能力，並因此提高催化轉換效率，風道壁上的紊流發生器不能距入口太近，這是由於此處物質傳遞能力已經很高。而且，在此處加上紊流發生器後還會使壓降增大，這是不希望出現的。
本發明涉及一種催化轉換器，它包含一個風道用於沿其長度方向傳導一束氣流。風道上覆蓋著一層催化劑並至少包含第一和第二紊流發生器。二紊流發生器在長度方向上間隔一定的距離，用於使氣流成為紊流。每個紊流發生器包含一個後表面，後表面從風道的一個基座處向前傾傾斜35至60°並面向後方；還包含一個連接面從後表面的一個自由邊緣向前伸出，連接面距風道基座的高度為e，而在長度方向上的長度為B；以及一個前表面，該前表面從連接面的一個前邊緣處伸向基座並面向前方。第一紊流發生器距風道入口的距離要比第二紊流發生器近。第一紊流發生器在長度方向的中心距風道入口在長度方向的距離為X1，其中0.01X1DhReSc0.015]]>其中Dh是風道的液力直徑，Re為雷諾數，Sc是氣體的第一施密特數；此外，其中高度e與液力直徑Dn之比在0．35至1．0之間；第一和第二紊流發生器在長度方向的中心間的距離P與上述高度e之比在20至50之間；連接面的長度B與高度e之比在1．5至4．0之間。
附圖簡述以下參考附圖更詳細地解釋本發明，附圖包括

圖1是一個部分剖開的三維簡圖，顯示了一個催化轉換器中的風道，該風道部分剖開從而展示出根據本發明的紊流發生器；圖2是圖1中所示風道在長度方向的截面簡圖；圖3是構成一個催化轉換器的各板件分解後的三維視圖，用於說明實現圖1中結構的基本原理；圖4為圖3中所示板件在長度方向的截面簡圖；圖5為沿圖4中的5-5線剖切的截面圖；圖6為與圖3類似的橫面圖，其各板件組裝在一起；圖7為與圖6類似的簡圖，顯示了根據本發明的另一個最佳實施例。
本發明的最佳實施例詳細解釋在圖1中簡要顯示了一個風道2上的入口1以及該風道2的其他部分。這個風道位於一個催化轉換器中，該催化轉換器包含著一組這樣的風道，風道將在後文中解釋。風道可以在其內部沿長度度方向傳輸一股氣流(即在圖1中向右方傳輸)。圖中顯示了一個位於鄰近入口1處的第一紊流發生器3和一個與之在長度方向相隔一段距離的第二紊流發生器4。風道2的高度為h。各紊流發生器均從該風道的一個基座8上伸出。而入口至第一紊流發生器3在長度的中心處的距離X1由下列公式確定0.01X1DhReSc0.015]]>其中Dh為風道的液力直徑，它等於4倍的風道橫截面積除以橫截面周長；Re為雷諾數(ulp／u)，其中u是氣體速度；l為風道的特徵尺寸(即液力直徑Dh)；ρ是氣體的密度；μ為氣體的粘度；Sc為氣體的施密特數，更具體地說，是第一施密特數(也稱普朗特數)，它等於氣體的運動粘度除以分子擴散率(也稱擴散係數)。運動粘度等於動力粘度除以密度。
從上述公式中可以明顯看出X1取決於雷諾數，並因而取決於氣體速度。因而第一紊流發生器3的最佳位置取決於主要結構條件。
如圖2所示，每個紊流發生器3、4均有一個特定的幾何形狀。即每個紊流發生器均含有一個與氣流方向相對的面向後方傾斜的第一側面5、一個平連接面6以及一個面向前方即面向氣流方向的第二側面7。連接面6則連接著側面7、5上的自由邊緣9、10。
根據本發明，風道要滿足以下結構條件第一側面5相對於催化轉換器風道2上的基座8的夾角θ應在35至60度之間(優選35至50度之間)，而(ⅰ)上表面6相對於基座8的高度e與(ⅱ)風道2的液力直徑Dh之比應在0．35到1．0之間。此外(ⅰ)第一與第二紊流發生器3、4在長度方向上的中心距離P與(ⅱ)高度e之比應在20至50之間。(ⅰ)每個紊流發生器3、4的表面6的長度與(ⅱ)高度e之比應在1．5至4之間。
風道在位於每個紊流發生器對面處優選有一個擴大區域12，從而使得由於紊流發生器產生的壓降最小化。然而，擴大區域12內的氣流並不加入到主氣流中，而是緩慢地以渦流的方式運動，因而只對紊流產生較小的影響。通常，尺寸已約為風道高度h的50～60％，而紊流發生器處的風道內的氣流有效橫截面積約為紊流發生器上遊的氣流的有效橫截面積的四分之一。因此，氣流通過紊流發生器時的速度約為上遊氣流速度的四倍。
根據本發明的風道的優選橫截面形狀為三角形和梯形。
根據本發明的原理使紊流發生器3、4具有特定的幾何形狀，並使二者之間以及二者與風道2的入口1之間具有預定的距離，而風道2的橫截面形狀則為優選的三角形或梯形，從而可以達到增加物質傳遞的目的，並因此增加催化轉換能力，同時又使壓降的增加幅度較為適度。當氣流到達紊流發生器3時，由於橫截面積減小，而使得氣流速度局部性升高。之後，氣流通過紊流發生器3並離開表面6與第二側面7間相交處的邊緣9，此時氣流由於受到這一分隔並遇到橫截面積急劇擴張的情況，因而產生強烈的紊流運動。這一過程會非常有效地增加物質傳遞能力。
第二紊流發生器4位於距第一紊流發生器為計算值P處，以使因此產生的紊流能被儘可能完全利用，並可以在氣流到達第二紊流發生器以前形成一個二次接觸區，如圖1中以O表示的區域。這樣，可以使已產生的紊流不必顯著增加物質傳遞能力而又防止不必要的過度壓降。在二次接觸區O內，氣體在到達第二紊流發生器之前，又在很大程度上鄰近光滑表面流動。
很重要的一點是，紊流發生器3、4上的邊緣9、10需要非常尖，從而產生分隔點(變速點)。如圖2所示，各邊緣的半徑r應使得r與Dh的比值在0．04至0．2之間。
根據本發明的原理成形的紊流發生器對於高速氣流同樣有效。在高速時，氣流即使在光滑風道中也會形成紊流。通過收斂／發散效果以及氣體的分隔、二次接觸機構，可使自然形成的紊流增強。
通過下面的方式可以實現根據本發明的物質傳遞能力的增加。物質傳遞能力j一般取決於下面公式j=p·hM·A(W1S-W1W)，其中hM是物質傳遞係數，A是傳遞表面的面積，W1S是氣體中的物質1的含量百分比(體積)，W1W是表面處物質1的含量百分比，ρ是氣體的密度。
表達式W1S-W1W是未轉換氣體濃度的一個測量值。如果hW增加，則對於一個恆定大小的表面A，其催化轉換率也增加。另一方面，如果不需要增加j，換言之，即物質傳遞保持恆定，則可以減小風道表面面積。這樣，就可以減少承載材料(金屬催化轉換器中的不鏽鋼或鋁，以及塗漿層)以及催化轉換器中的非常昂貴的貴金屬，這樣就可以獲得顯著的經濟收益。
此外，對於該催化轉換器的一個給定的前區域，希望減小風道表面的面積。這將使壓降減小，從而彌補在產生紊流時引起的額外壓降。這樣，儘管物質傳遞能力增加(hW提高)，壓降也會被限制而不增大。因此，較高的物質傳遞係數會彌補風道表面面積減小造成的影響。這樣，承載材料和塗漿層以及催化轉換器中的昂貴的貴金屬的用量又可以減少，從而獲得顯著的經濟收益。
對於一個預定尺寸的直風道中的所謂的氣流完全形成區，其壓降(對於一個給定風速)與液力直徑成反比。當液力直徑增加，例如增加1倍，則壓降會相應減少。對於完全形成的氣流與物質含量百分比來說，物質傳遞表面也與液力直徑成反比。因此，物質傳遞也會減少。如果在一個相對較大的風道中裝有根據本發明的紊流發生器，則壓降和物質傳遞將增加。不需減少物質傳遞即可使壓降值增加到適於小型風道的值。物質傳遞的精確數值取決於各紊流發生器的幾何形狀。當物質傳遞係數達到適於小型風道的值時，則可以只使用幾乎一半的材料(承載材料、塗漿層和貴金屬)就可獲得相同的催化轉換效果。
在一個已經測試過的根據本發明的最佳實施例中，一個三角形風道的高度為2．6mm，風道基座長度b為3．7mm，其他參數為X1=15mm；θ=45°；e=1．4mm；Dh=1．86mm；P=25mm以及B=2mm。
圖3至圖6中顯示了根據本發明的風道的成形技術。一組波形薄金屬板20和平板22(如，不鏽鋼或鋁)交替堆放。每個波形板包含若干梯形槽24(圖3中只顯示了一個梯形槽)，各梯形槽垂直于波紋方向並完全穿過整個波形板。波形板還包含一些擴大區域12位於每個槽的對面。各平板22並不是完全平整的，其上包含各梯形脊26，從而形成紊流發生器。因此，每個脊26上均包含前面所述的側面5、6、7。脊26插入相應的槽24中(見圖6)，則平板22形成每個三角形風道2的基座8，而每個平板上的脊26則形成紊流發生器3、4。優選的結構是在相鄰的兩個三角形風道之間還安排另一個風道30，從而使平板22還形成紊流發生器32。
圖7顯示了一種與圖6相似的結構，只是其風道2』是梯形的而不是三角形的。
當各波形板和平板堆成層疊的一組之後，將用常規的方法將它們沿一個平行于波紋的軸線纏繞起來。每個板上可在堆積和纏繞之前或之後塗上催化劑層。
雖然本發明是由其最佳實施例進行的解釋，但在不脫離本發明的基本原理和範圍的前提下，可對此技述作添加，減少，修改和替代。本發明的基本原理和範圍將在下面的權利要求中確定。
權利要求
1．催化轉換器的改進，用以優化壓降與物質傳遞能力的比值，為此目的，催化轉換器具有一個風道(1)，該風道由紊流發生器(3、4)形成，紊流發生器橫向延伸形成氣體流動的通道，並且具有側面(5)、上表面(6)、和前側面(7)，其特徵在於，為了滿足所述要求，紊流發生器的結構要滿足下列條件從催化轉換器入口(1)到最靠近所述入口的紊流發生器(3)的中心的距離X1由下式限定0.01X1DhReSc0.015]]>其中Dh為風道的液力直徑，Re為雷諾數，Sc為氣體混合物的施密特數；限定了紊流發生器(3、4)的側面(5)相對於穿過催化轉換器風道(2)的基座(8)的豎直平面的傾斜度的角θ應在35至50°之間；上表面(6)相對於基座(8)的高度e與風道(2)的液力直徑Dh之比在0．35至1．0之間；從風道入口(1)看，第一和第二紊流發生器(3、4)的中心間的距離P與上述高度e之比在20至50之間；每個紊流發生器(3、4)的上表面(6)的長度B與所述表面相對於催化轉換器的基座(8)的高度e之比在1．5至4．0之間。
全文摘要
本發明涉及對催化轉換器的一些改進,從而可以使氣體的壓降與質量傳遞之間的比例最優化。為此目的,催化轉換器包含由紊流發生器(3,4)形成的風道(1),紊流發生器沿氣流通道橫向延伸。為此,催化轉換器應滿足一定的結構條件。這些條件是:從催化轉換器(1)到更靠近所述入口的紊流發生器(3)的中心的距離,限定紊流發生器(3,4)的側面(5)相對於穿過催化轉換器風道(2)上的基座(8)的垂直面的傾斜度的夾角,上表面(6)相對於基座(8)的高度與風道(2)的液力直徑D
文檔編號B01D53/74GK1204972SQ9519801
公開日1999年1月13日 申請日期1995年12月13日 優先權日1995年12月13日
發明者斯萬·梅爾克·尼爾松 申請人:斯萬·梅爾克·尼爾松