RU2156165C2 - Catalytic converter - Google Patents

Abstract

FIELD: catalytic converters. SUBSTANCE: catalytic converter has channel coated with catalyst and having inlet hole to pass gas flow in longitudinal direction and, at least, the first and second turbulence generators. The latter are designed for producing gas turbulent flow and spaced from each other and from inlet hole. The first turbulence generator is located nearer to channel inlet hole than the second turbulence generator. Longitudinal center of the first generator is displaced longitudinal from channel inlet hole for distance X1 determined by expression given in the invention description. EFFECT: optimized relation between pressure drop and mass transfer of gases due to turbulence introduction into channel of catalytic converter. 8 cl, 7 dwg

Description

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию каталитических преобразователей, в которых оптимизировано отношение между падением давления и массопередачей газов за счет ввода турбулентности в канал каталитического преобразователя. The present invention relates to the creation of catalytic converters in which the relationship between the pressure drop and the mass transfer of gases is optimized by introducing turbulence into the channel of the catalytic converter.

Обычно каталитический преобразователь содержит подложку, образованную из значительного числа небольших смежных каналов, через которые протекает газ или смесь газов, которые должны быть преобразованы за счет катализатора, нанесенного на подложку в виде покрытия. Для конструирования каталитических преобразователей могут быть использованы различные материалы, такие как керамические материалы или металл, например нержавеющая сталь или алюминий. Typically, the catalytic converter comprises a substrate formed of a significant number of small adjacent channels through which a gas or mixture of gases flows, which must be converted by a catalyst applied to the substrate in the form of a coating. Various materials can be used to design the catalytic converters, such as ceramic materials or metal, for example stainless steel or aluminum.

Поперечное сечение каналов подложки керамического каталитического преобразователя обычно является прямоугольным или многоугольным, например шестиугольным. Этот тип каталитического преобразователя изготавливают экструзией, которая позволяет получить каналы, имеющие одинаковое поперечное сечение вдоль их полной длины, причем стенки каналов являются гладкими и ровными. The cross section of the channels of the substrate of the ceramic catalytic converter is usually rectangular or polygonal, for example hexagonal. This type of catalytic converter is made by extrusion, which makes it possible to obtain channels having the same cross section along their full length, the channel walls being smooth and even.

При изготовлении подложек каталитических преобразователей из металла рифленые полосы или фольга чередуются с плоскими полосами или фольгой, причем указанная конструкция обернута (намотана) относительно оси. Поперечное сечение полученного канала является треугольным или трапецеидальным. Имеющиеся на рынке металлические каталитические преобразователи содержат каналы с одинаковым размером поперечного сечения по их полной длине, причем подобно керамическим каталитическим преобразователям, стенки указанных каналов являются гладкими и ровными. In the manufacture of substrates of catalytic converters from metal, corrugated strips or foil alternate with flat strips or foil, and this design is wrapped (wound) about the axis. The cross section of the resulting channel is triangular or trapezoidal. The metal catalytic converters available on the market contain channels with the same cross-sectional size along their full length, and like ceramic catalytic converters, the walls of these channels are smooth and even.

Важнейшей характеристикой каталитического преобразователя является массопередача, которая имеет место между газом (или смесью газов, протекающей через каналы) и стенками канала каталитического преобразователя. Коэффициент массопередачи, который является мерой скорости массопередачи, должен быть высоким для достижения высокой эффективности каталитического преобразования. The most important characteristic of the catalytic converter is the mass transfer that takes place between the gas (or a mixture of gases flowing through the channels) and the channel walls of the catalytic converter. The mass transfer coefficient, which is a measure of the mass transfer rate, must be high in order to achieve high catalytic conversion efficiency.

В каталитических преобразователях упомянутого типа, которые используются в двигателях внутреннего сгорания или в промышленности, каналы имеют относительно малое поперечное сечение и газ, при тех скоростях протекания, которые обычно используются, протекает в виде относительно регулярных слоев в направлении длины каналов. Таким образом, течение газа является главным образом ламинарным. Только на небольшой длине вблизи впускного отверстия канала имеет место поперечный поток, направленный к стенке канала. Для того, чтобы характеризовать газовый поток, используется так называемое число Рейнольдса, значение которого для данного вида применений лежит в диапазоне от 100 до 600. До тех пор пока числа Рейнольдса остаются ниже ориентировочно 2000, поток остается ламинарным. In the catalytic converters of the mentioned type, which are used in internal combustion engines or in industry, the channels have a relatively small cross section and gas, at those flow rates that are commonly used, flows in the form of relatively regular layers in the direction of the length of the channels. Thus, the gas flow is mainly laminar. Only at a small length near the channel inlet there is a transverse flow directed to the channel wall. In order to characterize the gas flow, the so-called Reynolds number is used, the value of which for this type of application is in the range from 100 to 600. As long as the Reynolds numbers remain below approximately 2000, the flow remains laminar.

В рассматриваемой технической области хорошо известно, что в ламинарных газовых потоках образуется вблизи от стенок канала граничный слой, причем в этом граничном слое скорость протекания газа практически равна нулю. Указанный граничный слой существенно снижает коэффициент массопередачи, прежде всего в случае так называемого полностью развитого потока. Для того чтобы увеличить коэффициент массопередачи, газ должен быть направлен к поверхности канала, что приводит к уменьшению граничного слоя и увеличивает передачу от одного слоя к другому. Это может быть осуществлено за счет использования турбулентных потоков. В гладких и ровных каналах ламинарный поток становится турбулентным в том случае, когда число Рейнольдса достигает значений выше ориентировочно 2000. Если желают достичь указанных значений числа Рейнольдса в каналах каталитических преобразователей того типа, о котором здесь идет речь, то требуется обеспечить скорости протекания газа, существенно превышающие те, которые обычно применяются. Поэтому в упомянутых ранее каталитических преобразователях, имеющих низкое число Рейнольдса, требуется создавать турбулентность искусственным образом, например за счет установки специальных генераторов турбулентности внутри каналов. In the technical field under consideration, it is well known that in the laminar gas flows a boundary layer is formed near the walls of the channel, and in this boundary layer the gas flow rate is practically zero. The specified boundary layer significantly reduces the mass transfer coefficient, especially in the case of the so-called fully developed flow. In order to increase the mass transfer coefficient, the gas should be directed to the surface of the channel, which leads to a decrease in the boundary layer and increases the transfer from one layer to another. This can be accomplished through the use of turbulent flows. In smooth and even channels, the laminar flow becomes turbulent when the Reynolds number reaches values above approximately 2000. If you want to achieve the indicated values of the Reynolds number in the channels of the catalytic converters of the type in question, it is necessary to ensure the gas flow rates exceeding those that are commonly used. Therefore, in the previously mentioned catalytic converters having a low Reynolds number, it is required to create turbulence artificially, for example by installing special turbulence generators inside the channels.

Уже известно большое число различных генераторов турбулентности. Например, в публикации SE-B-461018 описан каталитический преобразователь, имеющий каналы с выполненными в них генераторами турбулентности в виде поперечных рифлений. В публикации GB-A-2001547 описан каталитический преобразователь, имеющий каналы с выполненными в них генераторами турбулентности в виде поперечных перфорированных металлических заслонок из конструкционного материала. Известны также комбинации этих двух типов генераторов турбулентности. A large number of different turbulence generators are already known. For example, SE-B-461018 describes a catalytic converter having channels with transverse corrugations made in them by turbulence generators. GB-A-2001547 describes a catalytic converter having channels with turbulence generators made in them in the form of transverse perforated metal shutters made of structural material. Combinations of these two types of turbulence generators are also known.

Общей характеристикой генераторов турбулентности указанных типов является их способность существенно увеличивать массопередачу. Однако при этом также происходит критическое увеличение падения давления. В действительности увеличение падения давления превышает увеличение массопередачи. Падение давления зависит от конфигурации, размеров и геометрии генераторов турбулентности. Однако хорошо известно, что указанные генераторы турбулентности создают слишком сильное падение давления, которое совершенно не позволяет использовать их в коммерческих применениях. A common characteristic of these types of turbulence generators is their ability to significantly increase mass transfer. However, a critical increase in pressure drop also occurs. In fact, the increase in pressure drop exceeds the increase in mass transfer. The pressure drop depends on the configuration, size and geometry of the turbulence generators. However, it is well known that these turbulence generators create too strong a pressure drop, which completely does not allow their use in commercial applications.

Настоящее изобретение основано на понимании того факта, что генераторы турбулентности должны иметь такую конфигурацию и должны быть установлены в каналах каталитического преобразователя таким образом, чтобы получить оптимальное отношение падения давления к массопередаче. В рассматриваемых здесь применениях используется концепция гидравлического диаметра, который равен отношению площади поперечного сечения канала со сквозным течением к периметру канала. У впускных отверстий каналов каталитического преобразователя коэффициент массопередачи достаточно высок, так как граничный слой является очень тонким. Толщина граничного слоя постепенно возрастает в направлении основного потока, при этом коэффициент массопередачи, а именно, отношение массопередачи к площади поверхности, уменьшается. The present invention is based on an understanding of the fact that turbulence generators must be configured and installed in the channels of the catalytic converter in such a way as to obtain the optimum ratio of pressure drop to mass transfer. The applications discussed here use the concept of hydraulic diameter, which is equal to the ratio of the cross-sectional area of the channel with the through flow to the perimeter of the channel. At the inlet channels of the catalytic converter, the mass transfer coefficient is quite high, since the boundary layer is very thin. The thickness of the boundary layer gradually increases in the direction of the main flow, while the mass transfer coefficient, namely, the ratio of mass transfer to surface area, decreases.

Для того чтобы увеличить массопередачу и, следовательно, эффективность каталитического преобразования, генераторы турбулентности в стенках канала не должны быть установлены слишком близко к впускным отверстиям, так как массопередача в этой зоне и так уже достаточно высока. Поэтому установка генераторов турбулентности в этой зоне в целом будет приводить только к увеличению падения давления, что нежелательно. In order to increase mass transfer and, consequently, the efficiency of catalytic conversion, turbulence generators in the channel walls should not be installed too close to the inlet openings, since the mass transfer in this zone is already quite high. Therefore, the installation of turbulence generators in this zone as a whole will only lead to an increase in pressure drop, which is undesirable.

В соответствии с настоящим изобретением предусматривается создание каталитического преобразователя, который содержит канал для пропускания газового потока в продольном направлении, покрытый катализатором и содержащий по меньшей мере первый и второй генераторы турбулентности, расположенные на расстоянии друг от друга в продольном направлении и от впускного отверстия канала и предназначенные для создания турбулентного потока газа, причем каждый генератор турбулентности содержит первую краевую грань, обращенную в сторону, противоположную направлению потока, и вторую краевую грань, обращенную в сторону направления потока, а свободные кромки краевых граней соединены между собой плоской соединительной гранью, отстоящей от основания канала на величину, определяющую ее высоту. Первая краевая грань наклонена на угол от 35 до 60^o относительно основания канала, первый генератор турбулентности расположен ближе к впускному отверстию канала, чем второй генератор турбулентности, при этом продольный центр первого генератора турбулентности смещен продольно от впускного отверстия канала на расстояние X₁ определяемое выражением
0,01 < [X₁/(D_h • R_e • S_c)] > 0, 015,
где D_h - гидравлический диаметр канала;
R_e - число Рейнольдса;
S_c - число Шмидта 1 для газа,
при этом:
отношение высоты e к гидравлическому диаметру D_h составляет от 0,35 до 1,0;
отношение расстояния P между продольными центрами первого и второго генераторов турбулентности к указанной высоте e составляет от 20 до 50; и
отношение длины B соединительной грани к высоте e составляет от 1,5 до 4,0.In accordance with the present invention, there is provided a catalytic converter that comprises a channel for passing a gas stream in the longitudinal direction, coated with a catalyst and containing at least first and second turbulence generators located at a distance from each other in the longitudinal direction and from the channel inlet and designed to create a turbulent gas flow, and each turbulence generator contains a first edge face facing to the side, opposite ozhnuyu flow direction and a second boundary face facing towards the flow direction, and the free edges of the boundary faces interconnected by a flat connecting face, spaced apart from the base of the channel by an amount determined by its height. The first edge face is inclined at an angle of 35 to 60 ^o relative to the base of the channel, the first turbulence generator is located closer to the channel inlet than the second turbulence generator, while the longitudinal center of the first turbulence generator is offset longitudinally from the channel inlet by a distance X ₁ defined by the expression
0.01 <[X ₁ / (D _h • R _e • S _c )]> 0.015,
where D _h is the hydraulic diameter of the channel;
R _e is the Reynolds number;
S _c - Schmidt number 1 for gas,
wherein:
the ratio of height e to hydraulic diameter D _h is from 0.35 to 1.0;
the ratio of the distance P between the longitudinal centers of the first and second turbulence generators to the indicated height e is from 20 to 50; and
the ratio of the length B of the connecting face to the height e is from 1.5 to 4.0.

Канал может иметь треугольное или трапецеидальное поперечное сечение. Он также может иметь расширения напротив каждого генератора турбулентности. The channel may have a triangular or trapezoidal cross section. It may also have extensions opposite each turbulence generator.

Вторая краевая кромка может быть также как и первая выполнена наклонной в направлении к основанию, причем предпочтительный угол наклона этих кромок составляет от 35 до 50 градусов. The second edge edge can also be made inclined toward the base, as well as the first, the preferred angle of inclination of these edges is from 35 to 50 degrees.

На фиг. 1 показан схематично вид в перспективе, с вырывом, канала каталитического преобразователя, причем вырыв в канале позволяет рассмотреть генераторы турбулентности в соответствии с настоящим изобретением. In FIG. 1 is a schematic perspective view, with a cut-out, of a channel of a catalytic converter, wherein a cut-out in a channel allows turbulence generators in accordance with the present invention to be considered.

На фиг. 2 показано схематично продольное сечение канала, изображенного на фиг. 1. In FIG. 2 is a schematic longitudinal section of the channel of FIG. 1.

На фиг. 3 показан развернутый вид в перспективе элементов из фольги (фольговых элементов), использованных для образования каталитического преобразователя, построенного на принципах, объясненных со ссылкой на фиг. 1. In FIG. 3 shows a detailed perspective view of the foil elements (foil elements) used to form a catalytic converter constructed on the principles explained with reference to FIG. 1.

На фиг. 4 показано продольное сечение развернутых элементов из фольги, изображенных на фиг. 3. In FIG. 4 shows a longitudinal section of the expanded foil elements shown in FIG. 3.

На фиг. 5 показано поперечное сечение по линии 5-5 фиг. 4. In FIG. 5 shows a cross section along line 5-5 of FIG. 4.

На фиг. 6 показано поперечное сечение, аналогичное показанному на фиг. 5, собранных вместе в пакет элементов из фольги. In FIG. 6 shows a cross section similar to that shown in FIG. 5, assembled together in a package of foil elements.

На фиг. 7 показано поперечное сечение, аналогичное показанному на фиг. 6, для альтернативного варианта настоящего изобретения. In FIG. 7 shows a cross section similar to that shown in FIG. 6, for an alternative embodiment of the present invention.

Обратимся теперь к рассмотрению фиг. 1, на которой схематично показано впускное отверстие 1 канала 2 и остальная часть канала 2 каталитического преобразователя, который содержит множество таких каналов, как это будет объяснено ниже. В канале в продольном направлении (то есть направо на фиг. 1) протекает поток газа. На чертеже показан первый генератор турбулентности 3, установленный ближе к впускному отверстию 1, и второй генератор турбулентности 4, смещенный от него в продольном направлении. Могут быть также предусмотрены и дополнительные генераторы турбулентности. Канал 2 имеет высоту h. Генераторы турбулентности выступают из основания 8 канала. Расстояние X₁ от впускного отверстия до продольного центра первого генератора турбулентности 3 определяется следующим выражением
0,01 < [X₁/(D_h • R_e • S_c)] > 0,015,
где D_h - гидравлический диаметр канала, который равен учетверенной площади поперечного сечения канала, поделенной на упомянутый периметр;
R_e - число Рейнольдса (ulρ/μ, где u равно скорости газа, 1 представляет собой характеристический размер канала, то есть гидравлический диаметр D_h, ρ является плотностью массы газа, а μ представляет собой скорость газа).Turning now to the consideration of FIG. 1, which schematically shows the inlet 1 of channel 2 and the rest of channel 2 of a catalytic converter, which comprises a plurality of such channels, as will be explained below. In the channel in the longitudinal direction (that is, to the right in Fig. 1), a gas stream flows. The drawing shows a first turbulence generator 3, mounted closer to the inlet 1, and a second turbulence generator 4, offset from it in the longitudinal direction. Additional turbulence generators may also be provided. Channel 2 has a height h. Turbulence generators protrude from the base of the 8th channel. The distance X ₁ from the inlet to the longitudinal center of the first turbulence generator 3 is determined by the following expression
0.01 <[X ₁ / (D _h • R _e • S _c )]> 0.015,
where D _h is the hydraulic diameter of the channel, which is equal to four times the cross-sectional area of the channel divided by the perimeter;
R _e is the Reynolds number (ulρ / μ, where u is the gas velocity, 1 is the characteristic size of the channel, that is, the hydraulic diameter D _h , ρ is the gas mass density, and μ is the gas velocity).

S_c - число Шмидта для газа, а более конкретно, число Шмидта 1 (также известное как число Прандта), которое равно кинематической вязкости газа, поделенной на коэффициент диффузии. Кинематическая вязкость равна динамической вязкости, поделенной на плотность.S _c is the Schmidt number for a gas, and more specifically, the Schmidt number 1 (also known as the Prandt number), which is equal to the kinematic viscosity of the gas divided by the diffusion coefficient. Kinematic viscosity is equal to dynamic viscosity divided by density.

Из приведенного выражения ясно, что X₁ зависит от числа Рейнольдса и, следовательно, от скорости газа. Таким образом, оптимальное положение первого генератора турбулентности 3 зависит от преобладающих рабочих условий.From the above expression it is clear that X ₁ depends on the Reynolds number and, therefore, on the gas velocity. Thus, the optimal position of the first turbulence generator 3 depends on the prevailing operating conditions.

Как становится ясно из рассмотрения фиг. 2, каждый генератор турбулентности 3, 4 имеет специфическую геометрическую конфигурацию. Так, например, каждый генератор турбулентности имеет обращенную назад первую краевую грань с косым наклоном 5, причем эта грань обращена в сторону, противоположную направлению протекания потока, плоскую соединительную грань 6 и обращенную вперед вторую краевую грань с косым наклоном 7, причем эта грань обращена в ту же сторону, что и направление протекания потока. Соединительная грань 6 осуществляет соединение между собой свободных кромок 9, 10 наклонных граней 7, 5. As becomes clear from a consideration of FIG. 2, each turbulence generator 3, 4 has a specific geometric configuration. So, for example, each turbulence generator has a first backward facing edge with an oblique slope 5, and this face facing the opposite direction to the flow direction, a flat connecting face 6 and a second edge facing forward with an oblique inclination 7, and this face facing the same side as the flow direction. The connecting face 6 connects the free edges 9, 10 of the inclined faces 7, 5 to each other.

В соответствии с настоящим изобретением соблюдаются следующие условия:
Угол Θ, определяющий наклон первой краевой грани 5 относительно основания 8 канала 2 каталитического преобразователя, должен составлять от 35 до 60 градусов (а предпочтительно, от 35 до 50 градусов), а отношение (i) высоты e верхней грани 6 относительно основания 8 к (ii) гидравлическому диаметру D_h канала 2 должно составлять от 0,35 до 1,0. Кроме того, отношение (i) расстояния P между продольными центрами первого и второго генераторов турбулентности 3 и 4 к (ii) указанному значению высоты e должно составлять от 20 до 50. Отношение (i) продольной длины B грани 6 каждого генератора турбулентности 3, 4 к (ii) высоте e должно составлять от 1,5 до 4,0.In accordance with the present invention, the following conditions are met:
The angle Θ defining the inclination of the first edge face 5 relative to the base 8 of the channel 2 of the catalytic converter should be from 35 to 60 degrees (and preferably from 35 to 50 degrees), and the ratio (i) of the height e of the upper face 6 relative to the base 8 to ( ii) the hydraulic diameter D _{h of the} channel 2 should be from 0.35 to 1.0. In addition, the ratio (i) of the distance P between the longitudinal centers of the first and second turbulence generators 3 and 4 to (ii) the indicated value of height e must be from 20 to 50. The ratio (i) of the longitudinal length B of face 6 of each turbulence generator 3, 4 to (ii) the height e should be between 1.5 and 4.0.

Область канала, расположенная напротив каждого из генераторов турбулентности, преимущественно расширена в положении 12 для сведения к минимуму падения давления, вызванного наличием генератора турбулентности. Однако поток газа в расширенной области 12 не участвует в основном потоке газа; скорее он медленно движется в завихрениях и поэтому оказывает минимальное влияние на турбулентность. Обычно размер e составляет ориентировочно 50-60% высоты канала h, причем активная зона поперечного сечения для потока газа в той области, где расположен генератор турбулентности, составляет около одной четвертой активной зоны поперечного сечения для потока газа в местоположении выше по течению относительно генератора турбулентности. Таким образом, скорость газа, перемещающегося после генератора турбулентности, будет ориентировочно в 4 раза выше скорости газа в месте, расположенном выше по потоку относительно генератора турбулентности. The channel region located opposite each of the turbulence generators is advantageously expanded at position 12 to minimize the pressure drop caused by the presence of a turbulence generator. However, the gas flow in the expanded region 12 is not involved in the main gas flow; rather, it moves slowly in turbulences and therefore has a minimal effect on turbulence. Typically, the size e is approximately 50-60% of the height of the channel h, and the active cross-sectional area for the gas flow in the region where the turbulence generator is located is about one fourth of the active cross-sectional area for the gas flow at a location upstream of the turbulence generator. Thus, the speed of the gas moving after the turbulence generator will be approximately 4 times higher than the gas velocity in a place located upstream of the turbulence generator.

Предпочтительной формой поперечного сечения каналов в соответствии с настоящим изобретением является треугольная или трапецеидальная. За счет придания генераторам турбулентности 3, 4 специфической геометрической конфигурации в соответствии с настоящим изобретением и за счет их расположения на заданном расстоянии друг от друга и от впускного отверстия 1 в канале 2, имеющем поперечное сечение преимущественно треугольной или трапецеидальной формы, достигнута увеличенная массопередача и, следовательно, увеличенное каталитическое преобразование, но которое сопровождается только весьма умеренным увеличением падения давления. Когда поток газа приближается к генератору турбулентности 3, скорость потока увеличивается локально в результате уменьшенной зоны поперечного сечения. Когда после этого газ проходит через генератор турбулентности 3 и покидает кромку 9, образованную на стыке между гранью 6 и второй краевой гранью 7, возникает сильное турбулентное движение за счет такого разделения и за счет сильно расширяющейся зоны поперечного сечения, в которую теперь поступает газ. Этот процесс очень эффективно увеличивает массопередачу. The preferred cross-sectional shape of the channels in accordance with the present invention is triangular or trapezoidal. By giving the generators of turbulence 3, 4 a specific geometric configuration in accordance with the present invention and by arranging them at a predetermined distance from each other and from the inlet 1 in the channel 2 having a cross section of a predominantly triangular or trapezoidal shape, increased mass transfer is achieved and, therefore, increased catalytic conversion, but which is accompanied only by a very moderate increase in pressure drop. When the gas flow approaches the turbulence generator 3, the flow velocity increases locally as a result of the reduced cross-sectional zone. When after that the gas passes through the turbulence generator 3 and leaves the edge 9 formed at the junction between the face 6 and the second edge face 7, a strong turbulent movement arises due to this separation and due to the greatly expanding cross-sectional zone into which the gas now enters. This process increases mass transfer very efficiently.

Второй генератор турбулентности 4 расположен на вычисленном расстоянии P от первого генератора турбулентности 3, что позволяет по мере возможности наиболее полно использовать созданную описанным выше образом турбулентность, а также позволяет образовать зону повторного контактирования, обозначенную 0 на фиг. 1, до того как газ достигнет второго генератора турбулентности 4. Указанным образом предотвращается ненужное избыточное падение давления без существенного снижения массопередачи в потоке газа, который уже стал турбулентным. В зоне повторного контактирования 0 газ опять будет в значительной степени протекать вблизи гладкой поверхности, перед тем как он достигнет второго генератора турбулентности 4. The second turbulence generator 4 is located at a calculated distance P from the first turbulence generator 3, which allows the fullest possible use of the turbulence created in the manner described above, and also allows the formation of a re-contacting zone, designated 0 in FIG. 1 before the gas reaches the second turbulence generator 4. In this way, an unnecessary excessive pressure drop is prevented without significantly reducing mass transfer in the gas stream, which has already become turbulent. In the re-contacting zone 0, the gas will again largely flow near a smooth surface before it reaches the second turbulence generator 4.

Важно, что кромки 9, 10 генераторов турбулентности 3, 4 являются достаточно острыми для того, чтобы создавать точки разделения (точки сдвига). Радиус r кромок (см. фиг. 2) должен быть таким, чтобы обеспечивать отношение r к D_h, в диапазоне от 0,04 до 0,2.It is important that the edges 9, 10 of the turbulence generators 3, 4 are sharp enough to create separation points (shear points). The radius r of the edges (see FIG. 2) must be such as to provide a ratio of r to D _h in the range from 0.04 to 0.2.

За счет придания генераторам турбулентности определенной конфигурации в соответствии с настоящим изобретением, они становятся эффективными также при более высоких скоростях протекания газа, при которых турбулентный поток может быть также создан в гладком канале. Турбулентность, которая образуется естественным образом, усиливается за счет эффекта схождения/расхождения, а также за счет механизма разделения и повторного контактирования газа. By imparting a specific configuration to the turbulence generators in accordance with the present invention, they also become effective at higher gas flow rates, at which a turbulent flow can also be created in a smooth channel. Naturally generated turbulence is enhanced by the convergence / divergence effect, as well as by the gas separation and re-contacting mechanism.

Увеличение массопередачи в соответствии с настоящим изобретением может быть использовано следующим образом. Массопередачу j обычно определяют в соответствии с выражением
j = ρ•h_m•A(w_1s-w_1w),
в котором
ρ плотность газа,
h_m - коэффициент массопередачи,
A - площадь поверхности передачи
w_1s - массовая фракция субстанции (вещества) 1 в газе (объемное значение),
w_1w - массовая фракция субстанции 1 у поверхности.The increase in mass transfer in accordance with the present invention can be used as follows. Mass transfer j is usually determined in accordance with the expression
j = ρ • h _m • A (w _1s -w _1w ),
in which
ρ gas density
h _m - mass transfer coefficient,
A - transmission surface area
w _1s - mass fraction of the substance (substance) 1 in the gas (volume value),
w _1w is the mass fraction of substance 1 at the surface.

Член выражения (w_1s - w_1w) служит мерой концентрации непреобразованного газа. Если h_m увеличивается, то, при постоянной площади поверхности A, увеличивается также каталитическое преобразование. С другой стороны, если нет необходимости в увеличении j и, вместо этого, массопередача поддерживается постоянной, то может быть сокращена площадь поверхности канала. В этом случае также становится возможно уменьшить количество несущего материала (нержавеющей стали или алюминия в случае каталитических преобразователей из металла, и покрытия промывки (washcoat)), а также очень дорогостоящих благородным металлов, используемых в каталитическом преобразователе, при этом может быть получен существенный экономический выигрыш.The term expression (w _1s - w _1w ) serves as a measure of the concentration of the unconverted gas. If h _m increases, then, with a constant surface area A, the catalytic conversion also increases. On the other hand, if there is no need to increase j and, instead, the mass transfer is kept constant, then the channel surface area can be reduced. In this case, it also becomes possible to reduce the amount of carrier material (stainless steel or aluminum in the case of metal catalytic converters, and washcoat), as well as the very expensive noble metals used in the catalytic converter, and substantial economic benefits can be obtained. .

Если же, вместо этого, для данной фронтальной площади каталитического преобразователя желательно сократить площадь поверхности канала, то такое уменьшение площади может быть достигнуто за счет увеличения гидравлического диаметра. Это приводит к уменьшению падения давления, что может быть использовано для снижения избыточного падения давления, возникающего от создания турбулентности. При этом возрастание падения давления может быть ограничено, несмотря на увеличение массопередачи (увеличение h_m). Следовательно, более высокий коэффициент массопередачи компенсируется уменьшением площади поверхности канала. И в данном случае возможно уменьшить количество несущего материала и покрытия промывки, а также очень дорогостоящих благородным металлов, используемых в каталитическом преобразователе, что приводит к получению существенного экономического выигрыша.If, instead, for a given frontal area of the catalytic converter, it is desirable to reduce the surface area of the channel, then such a reduction in area can be achieved by increasing the hydraulic diameter. This leads to a decrease in pressure drop, which can be used to reduce the excess pressure drop resulting from the creation of turbulence. Moreover, the increase in pressure drop can be limited, despite the increase in mass transfer (increase in h _m ). Therefore, a higher mass transfer coefficient is compensated by a decrease in the surface area of the channel. And in this case, it is possible to reduce the amount of carrier material and flushing coatings, as well as the very expensive noble metals used in the catalytic converter, which leads to a significant economic gain.

Что касается так называемой области полностью развитого потока в прямом канале заданных размеров, то падение давления (для данной скорости газа) обратно пропорционально гидравлическому диаметру. В случае увеличения гидравлического диаметра, например, в 2 раза, происходит соответствующее падение давления. В случае полностью развитого потока и наличия областей фракций массы, поверхность массопередачи также обратно пропорциональна гидравлическому диаметру. Таким образом, при увеличении гидравлического диаметра массопередача уменьшается. Если относительно широкий канал снабдить генераторами турбулентности в соответствии с настоящим изобретением, то падение давления и массопередача будут возрастать. При этом без снижения массопередачи падение давления может быть увеличено до значений, применимых для канала меньшего размера. Точное цифровое значение массопередачи зависит от геометрии генераторов турбулентности. Когда коэффициент массопередачи достигает значения, которое в 2 раза превышает значение, применимое для канала меньшего размера, тогда может быть обеспечено такое же самое каталитическое преобразование, но при использовании половинного количества материалов (несущего материала, покрытия промывки и благородных металлов). As for the so-called region of a fully developed flow in a direct channel of a given size, the pressure drop (for a given gas velocity) is inversely proportional to the hydraulic diameter. In the case of an increase in hydraulic diameter, for example, by 2 times, a corresponding pressure drop occurs. In the case of a fully developed flow and the presence of regions of mass fractions, the mass transfer surface is also inversely proportional to the hydraulic diameter. Thus, with an increase in hydraulic diameter, mass transfer decreases. If a relatively wide channel is provided with turbulence generators in accordance with the present invention, then the pressure drop and mass transfer will increase. At the same time, without reducing mass transfer, the pressure drop can be increased to values applicable for a smaller channel. The exact digital mass transfer value depends on the geometry of the turbulence generators. When the mass transfer coefficient reaches a value that is 2 times the value applicable for a smaller channel, then the same catalytic conversion can be achieved, but using half the amount of materials (carrier material, wash coating and noble metals).

Были проведены испытания варианта осуществления настоящего изобретения с треугольным каналом высотой 2,6 мм и длиной основания канала b, равной 3,7 мм, при этом были получены следующие параметры: X₁ = 15 мм; Θ = 45^o ; e = 1,4 мм; D_h = 1,86 мм; P = 25 мм и B = 2 мм.Tests of an embodiment of the present invention with a triangular channel 2.6 mm high and a channel base length b equal to 3.7 mm were performed, and the following parameters were obtained: X ₁ = 15 mm; Θ = 45 ^o ; e = 1.4 mm; D _h = 1.86 mm; P = 25 mm and B = 2 mm.

Техника образования каналов в соответствии с настоящим изобретением показана на фиг. 3 - 6. Серии рифленых и плоских фольговых элементов 20, 22 (например, из нержавеющей стали или алюминия), укладываются поочередно в пакеты. Каждый рифленый фольговый элемент имеет трапецеидальные выемки 24 (на фиг. 3 показана только одна выемка), идущие насквозь в направлении, перпендикулярном рифлениям, причем напротив каждой выемки имеются расширения 12. Плоские фольговые элементы 22 в действительности не полностью плоские, так как они содержат трапецеидальные выступы 26 для образования генераторов турбулентности. При этом каждый выступ 26 имеет описанные выше грани 5, 6 и 7. Выступ 26 заходит в соответствующую выемку 24 (см. фиг. 6), при этом плоский фольговый элемент 22 образует основание 8 каждого треугольного канала 2, а выступы 26 каждого плоского фольгового элемента образуют генераторы турбулентности 3, 4. Следует также иметь в виду, что между смежными треугольными каналами 2 предусмотрен еще один канал 30, для которого плоские фольговые элементы 22 также образуют генераторы турбулентности 32. The channeling technique of the present invention is shown in FIG. 3 - 6. A series of corrugated and flat foil elements 20, 22 (for example, stainless steel or aluminum) are stacked alternately in packages. Each corrugated foil element has trapezoidal recesses 24 (only one recess is shown in FIG. 3) extending through in the direction perpendicular to the corrugations, and there are extensions 12 opposite each recess. Flat foil elements 22 are not really completely flat, since they contain trapezoidal protrusions 26 for the formation of turbulence generators. Moreover, each protrusion 26 has the above-described faces 5, 6 and 7. The protrusion 26 enters the corresponding recess 24 (see Fig. 6), while the flat foil element 22 forms the base 8 of each triangular channel 2, and the protrusions 26 of each flat foil turbulence generators 3, 4 form the element. It should also be borne in mind that between adjacent triangular channels 2 there is another channel 30, for which flat foil elements 22 also form turbulence generators 32.

На фиг. 7 показана конструкция, аналогичная фиг. 6, однако каналы 2 являются не треугольными, а трапецеидальными. In FIG. 7 shows a design similar to FIG. 6, however, the channels 2 are not triangular, but trapezoidal.

После сборки в пакет рифленых и плоских фольговых элементов, этот пакет известным образом оборачивают (наматывают) относительно оси, параллельной рифлениям. Фольговые элементы покрывают катализатором либо перед сборкой в пакет и намоткой, либо после осуществления этих операций. After assembly of corrugated and flat foil elements into a bag, this bag is wrapped (wound) in a known manner about an axis parallel to the corrugations. The foil elements are coated with a catalyst either before being assembled into a bag and wound, or after performing these operations.

Несмотря на то, что были описаны предпочтительные варианты осуществления изобретения, совершенно ясно, что в них специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, а также могут быть осуществлены замены компонентов и их удаление, которые не выходят, однако, за рамки приведенной далее формулы изобретения и соответствуют его сущности. Despite the fact that the preferred embodiments of the invention have been described, it is clear that they can be amended and supplemented by those skilled in the art, as well as components can be replaced and removed, which does not, however, go beyond the scope of the following. claims and correspond to its essence.

Claims (8)

1. Каталитический преобразователь, содержащий покрытый катализатором канал, имеющий впускное отверстие для пропускания газового потока в продольном направлении и по меньшей мере первый и второй генераторы турбулентности, предназначенные для создания турбулентного потока газа и расположенные на расстоянии друг от друга и от впускного отверстия, при этом каждый генератор турбулентности содержит первую краевую грань, обращенную в сторону, противоположную направлению протекания потока, и вторую краевую грань, обращенную в сторону, совпадающую с направлением протекания потока, свободные кромки краевых граней соединены между собой плоской соединительной гранью, отстоящей от основания на величину, определяющую ее высоту, отличающийся тем, что первая краевая грань наклонена к основанию канала под углом 35 - 60^o, причем первый генератор турбулентности расположен ближе к впускному отверстию канала, чем второй генератор турбулентности, при этом продольный центр первого генератора турбулентности смещен продольно от впускного отверстия канала на расстояние Х₁, определяемое выражением
0,01<[X₁/(D_h•R_e•S_c)]>0,015,
где D_h - гидравлический диаметр канала;
R_e - число Рейнольдса;
S_c - число Шмидта 1 для газа,
при этом отношение высоты соединительной грани относительно основания канала к гидравлическому диаметру канала составляет от 0,35 до 1,0, отношение расстояния между продольными центрами первого и второго генераторов турбулентности к указанной высоте - от 20 до 50, а отношение длины соединительной грани к ее высоте составляет от 1,5 до 4,0.1. A catalytic converter containing a channel coated with a catalyst having an inlet for passing a gas stream in the longitudinal direction and at least first and second turbulence generators designed to create a turbulent gas stream and located at a distance from each other and from the inlet, each turbulence generator contains a first edge face facing to the side opposite to the direction of flow, and a second edge face facing towards the same ayuschuyu with the direction of flow of the flow, the free edges of the boundary faces interconnected by a flat coupling face, spaced from the base by an amount determined by its height, characterized in that the first edge face inclined to the channel bottom at an angle of 35 - 60 ^o, wherein the first turbulence generator located closer to the channel inlet than the second turbulence generator, while the longitudinal center of the first turbulence generator is offset longitudinally from the channel inlet by a distance X ₁ determined by rage
0.01 <[X ₁ / (D _h • R _e • S _c )]> 0.015,
where D _h is the hydraulic diameter of the channel;
R _e is the Reynolds number;
S _c - Schmidt number 1 for gas,
the ratio of the height of the connecting face relative to the base of the channel to the hydraulic diameter of the channel is from 0.35 to 1.0, the ratio of the distance between the longitudinal centers of the first and second turbulence generators to the specified height is from 20 to 50, and the ratio of the length of the connecting face to its height ranges from 1.5 to 4.0. 2. Каталитический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что канал имеет треугольное поперечное сечение. 2. The catalytic converter according to claim 1, characterized in that the channel has a triangular cross section. 3. Каталитический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что канал имеет трапецеидальное поперечное сечение. 3. The catalytic converter according to claim 1, characterized in that the channel has a trapezoidal cross section. 4. Каталитический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что каждый канал имеет расширение, расположенное напротив каждого генератора турбулентности. 4. The catalytic converter according to claim 1, characterized in that each channel has an extension located opposite each turbulence generator. 5. Каталитический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что вторая краевая грань наклонена в направлении к основанию. 5. The catalytic converter according to claim 1, characterized in that the second edge is inclined towards the base. 6. Каталитический преобразователь по п.5, отличающийся тем, что вторая краевая грань образует с основанием угол от 30 до 60^o.6. The catalytic converter according to claim 5, characterized in that the second edge face forms an angle from 30 to 60 ^o with the base. 7. Каталитический преобразователь по п.6, отличающийся тем, что угол составляет от 35 до 50^o.7. The catalytic converter according to claim 6, characterized in that the angle is from 35 to 50 ^o . 8. Каталитический преобразователь по п.1, отличающийся тем, что угол наклона первой краевой грани составляет от 35 до 50^o.8. The catalytic converter according to claim 1, characterized in that the angle of inclination of the first boundary face is from 35 to 50 ^o .

Images