ES2555460T3 - Mezclador estático para el tratamiento de gases de escape y método de fabricación del mismo - Google Patents

Abstract

Mezclador estático (11) para el tratamiento de gases de escape, que comprende una zona de soporte anular (13) y una pluralidad de paletas radiales (15) sustancialmente coplanares que se disponen radialmente con su zona posterior o base (17) asociada con dicha zona de soporte (13) y la zona frontal o punta radial (19a) convergiendo hacia el centro ("G") del mezclador, caracterizado por que el cuerpo de las paletas (15) comprende al menos tres líneas de doblado, que definen respectivamente zonas (15a, 15b, 15c) dispuestas sobre planos no paralelos y que definen superficies de impacto (A, B, C) correspondientes para los gases de escape.

Description

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DESCRIPCION

Mezclador estatico para el tratamiento de gases de escape y metodo de fabricacion del mismo Campo tecnico

La presente invencion se refiere a un mezclador estatico para el tratamiento de gases de escape y al metodo de fabricacion del mismo.

Mas precisamente, la invencion se refiere a un mezclador estatico para el tratamiento de gases de escape de motores de combustion interna, mezclador que se puede incorporar en un sistema para la reduccion catalttica selectiva (SCR, del ingles “Selective Catalytic Reduction”) de oxidos de nitrogeno.

Tecnica antecedente

Los mezcladores estaticos se usan comunmente para facilitar la mezcla de los gases de escape con el agente reductor, introducido en estado gaseoso o lfquido dentro de los sistemas de escape de los motores de combustion interna.

En este contexto, el mezclador estatico esta dirigido principalmente a activar la formacion de una mezcla altamente homogenea y a hacer que el agente reductor introducido en el sistema de escape se vaporice tanto como sea posible.

Para cumplir este requisito, los mezcladores estaticos producidos hasta el momento, comprenden un conjunto de paletas con varias orientaciones dentro del conducto en donde fluye la mezcla de gases de escape y del agente reductor.

Las paletas se asocian generalmente con un marco anular dirigido a adherirse a las paredes internas del conducto que aloja el mezclador, que generalmente se dispone transversalmente al conducto de modo que el flujo de gases de escape sea interceptado por dichas paletas.

El mezclador estatico facilita la mezcla de los gases con el agente reductor, gracias generalmente al incremento del fenomeno de turbulencia dentro del flujo del gas de escape.

Ademas, la provision de un mezclador estatico en la zona en donde fluyen los gases provoca un incremento de presion dentro del sistema de escape. Dicho incremento de presion es un inconveniente, dado que es perjudicial para la descarga de los gases de escape y, en general, puede ser mas o menos significativo dependiendo de la disposicion del mezclador y del sistema de escape.

Mas aun, la superficie de un mezclador puede provocar condensacion de la mezcla de reduccion, con la formacion consiguiente de una pelfcula lfquida que se adhiere a las paletas, provocando de ese modo una reduccion de la efectividad del mismo mezclador.

Por ello, han de ser contrastados dos fenomenos cuando se disena un mezclador de la clase mencionada anteriormente.

El primer fenomeno es el determinado por el incremento excesivo de presion en el sistema de escape que aloja el mezclador. El segundo fenomeno es el determinado por la reduccion de la capacidad de mezcla, resultante de la formacion de condensado del agente reductor sobre las superficies del mezclador.

En un intento de conseguir el mejor compromiso entre los requisitos opuestos de alcanzar una buena mezcla e impedir la aparicion de los inconvenientes anteriores, se han propuesto hasta el momento diferentes soluciones.

Algunas soluciones usan una matriz de paletas en las que la densidad, la inclinacion y el tamano se eligen para tener en cuenta los requisitos anteriores. El documento US 2007/0204751 desvela un ejemplo de dicha clase de mezclador.

Otras soluciones usan un conjunto de paletas, que se disponen en general radialmente dentro del conducto en donde fluye el gas y se orientan de modo que provoquen la mezcla de dichos gases con la mezcla de agente reductor. Los mezcladores estaticos de este segundo tipo se desvelan por ejemplo en los documentos US 7.533.520, US 2009/0320453 y US 2009/0266064.

En todas las soluciones mencionadas anteriormente, el esfuerzo para hallar el mejor compromiso entre los requisitos de mezcla y flujo libre para los gases de escape es claramente evidente.

A pesar de esos esfuerzos, los mezcladores de la tecnica anterior sin embargo no resuelven totalmente el problema

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de como obtener la mejor mezcla, mientas al mismo tiempo minimizan los inconvenientes anteriores.

Mas aun, los esfuerzos realizados hasta el momento dan como resultado soluciones que son cada vez mas elaboradas, complejas y caras de fabricar.

En el campo, existe por lo tanto aun una intensa necesidad de tener a disposicion un mezclador estatico que sea altamente eficiente, no provoque incrementos de presion significativos, sea escasamente proclive a promover la formacion de condensado y no tenga los inconvenientes anteriores relacionados con la complejidad y costes de fabricacion.

Por ello, es un primer objetivo de la invencion conseguir dicho resultado, proporcionando un dispositivo mezclador estatico para tratamiento de gases de escape, que permita una mejor mezcla con respecto a los dispositivos de la tecnica anterior y provoque un incremento de presion reducido y una capacidad reducida para formar condensado.

Es otro objetivo de la invencion proporcionar un mezclador estatico de la clase explicada anteriormente, que se pueda fabricar industrialmente de una manera mas simple y a costes mas bajos que los mezcladores de la tecnica anterior.

Es un objetivo adicional, pero no el ultimo de la invencion proporcionar un mezclador de la clase explicada anteriormente, que se pueda aplicar sustancialmente en cualquier sistema de escape en el que se aproveche la tecnologfa de reduccion catalttica selectiva (SCR).

El anterior y otros objetivos se consiguen por medio del mezclador estatico para el tratamiento de gases de escape y del metodo de fabricacion del mismo tal como se reivindica en las reivindicaciones adjuntas.

Descripcion de la invencion

Una primera ventaja de la invencion es el resultado de la disposicion de una pluralidad de paletas radiales, instaladas en el interior de un penmetro anular, que convergen hacia el centro del mezclador y que comprenden al menos tres lmeas de doblado, que definen un numero igual de partes de paleta dispuestas sobre planos no paralelos y que definen superficies de impacto correspondientes para los gases de escape.

Gracias a dicha disposicion, el mezclador es capaz de provocar la formacion de un flujo turbulento con un torbellino en el flujo de gas y de urea que fluye a traves de el y en consecuencia de provocar una mezcla efectiva de la urea con los gases de escape.

La pluralidad de lmeas de doblado y las superficies de impacto correspondientes asf formadas sobre las paletas del mezclador ayudan ventajosamente a incrementar la superficie global contra la que incide el rociado de urea, determinando de ese modo una alta nebulizacion. Mas aun dicha disposicion contribuye a reducir el fenomeno de creacion de una pelmula lfquida aguas abajo del mezclador, pelmula que, como es conocido, reduce el rendimiento del mezclador.

Otra ventaja de la invencion es el resultado de la disposicion, en el mezclador, de una zona central libre, que es una zona que no tiene obstaculos para el flujo libre de los gases de escape, hacia la que convergen las paletas radiales. Gracias a dicha zona central libre y a la forma de las paletas radiales, es posible obtener un efecto de mezcla efectiva de los gases de escape con la mezcla de agente reductor. Dicho efecto de mezcla es facilitado por la presencia de dicho orificio central, que, por otro lado, contribuye a impedir un incremento excesivo de la presion debida a la colocacion del mezclador. Realmente, en correspondencia con el orificio central, tiene lugar un incremento en la velocidad del gas y un empuje hacia adelante intenso consiguiente de los gases, dando como resultado un movimiento turbulento ventajoso aguas abajo del mezclador.

Una ventaja adicional de la invencion es el resultado de la posibilidad de fabricacion del mezclador por medio de una sucesion de simples operaciones de corte y doblado.

Breve descripcion de las figuras

Algunas realizaciones preferidas de la invencion se describiran en el presente documento a continuacion con referencia a las figuras adjuntas, en las que:

- la Fig. 1 es una vista en perspectiva frontal del mezclador de acuerdo con la invencion;

- la Fig. 2 es una vista en planta del mezclador mostrado en la Fig. 1;

- la Fig. 3 es una vista lateral del mezclador mostrado en la Fig. 1;

- la Fig. 4 es una vista en seccion transversal tomada a lo largo de la lmea IV-IV de la Fig. 2;

- la Fig. 5 es una vista esquematica de un sistema de escape que incorpora el mezclador;

- la Fig. 6 es una vista en planta del mezclador, en una primera etapa de mecanizado;

- la Fig. 7 es una vista en seccion transversal tomada a lo largo de un plano longitudinal del mezclador, en una

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segunda etapa de mecanizado;

- la Fig. 8 es una vista en perspectiva frontal del mezclador, en una tercera etapa de mecanizado.

Descripcion de una realizacion preferida

Con referencia las figuras 1 a 4, el mezclador estatico para el tratamiento de gases de escape de acuerdo con la invencion se ha indicado en general por el numero de referencia 11.

El mezclador 11 incluye una zona de soporte anular 13 y una pluralidad de aletas radiales 15 sustancialmente coplanares, que se disponen radialmente y que tienen sus extremos posteriores o bases 17 asociadas con dicha zona de soporte 13 y sus extremos frontales o puntas radiales 19 convergiendo hacia el centro “G” de mezclador.

De acuerdo con la invencion, el cuerpo de cada paleta 15 comprende al menos tres lmeas de doblado I1, I2, I3, que definen un numero igual de zonas 15a, 15b, 15c dispuestas sobre planos no paralelos y que definen superficies de impacto A, B, C correspondientes para los gases de escape. Mas aun preferiblemente dichas superficies de impacto A, B, C son sustancialmente planas.

Siguiendo de acuerdo con la invencion, las puntas radiales 19 de las paletas 15 rodean una zona central 21 del mezclador. Dicha zona 21, que es sustancialmente circular en el ejemplo ilustrado, es libre, esto es, no esta ocupada por las paletas u otras partes del mezclador y define una via de paso, libre de interferencias, para los gases de escape.

Siempre de acuerdo con la invencion, la superficies de impacto A, B, C para los gases de escape se disponen sobre planos no paralelos con respecto a un plano transversal “P” sobre el que se dispone el mezclador y que corresponde sustancialmente al plano de la hoja que comprende la Fig. 2. Dichos planos sobre los que se disponen las superficies de impacto son por ello no perpendiculares a la direccion del flujo de los gases de escape que pasan a traves del mezclador, siendo indicada dicha direccion por la fecha “F” en la Fig. 3. Mas aun, los planos sobre los que se disponen las superficies impacto A, B, C no son paralelos entre sf e interceptan el flujo de gas y la mezcla reductora de acuerdo con diferentes angulos. Preferiblemente, dichos angulos disminuyen desde la base 17 de la paleta hacia la periferia.

En una realizacion preferida de la invencion, una primera superficie de impacto A adyacente a la base 17 de la paleta 15 esta inclinada en un angulo en el intervalo de 30° a 60° con respecto a dicho plano P transversal del mezclador. En la realizacion ilustrada, la primera superficie de impacto A tiene ademas sustancialmente la forma de un trapezoide rectangular.

Siempre de acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, una segunda superficie de impacto B adyacente a la primera superficie de impacto A esta inclinada en un angulo en el intervalo de 40° a 70° con respecto a la primera superficie de impacto A. En la realizacion ilustrada, la segunda superficie impacto B es ademas sustancialmente rectangular.

Aun de acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, una tercera superficie de impacto C adyacente a la segunda superficie de impacto B esta inclinada en un angulo en el intervalo de 20° a 50° con respecto a la segunda superficie de impacto. En la realizacion ilustrada, la tercera superficie de impacto C es sustancialmente triangular y define ademas una punta axial 19b longitudinalmente dirigida hacia la zona frontal del mezclador 11, desde la que llegan los gases de escape.

Preferiblemente, de acuerdo con la invencion, las superficies de impacto A, B, C definen en conjunto una zona concava para cada paleta, con la concavidad girada en direccion opuesta con respecto a la direccion del flujo de gas “F”.

La zona de soporte anular 13 incluye una corona 13a, preferiblemente cerrada para formar un anillo, que en el ejemplo ilustrado define un penmetro interno circular 13b y un penmetro externo circular 13c para el mezclador 11. Seran posibles sin embargo otras realizaciones, en las que el penmetro interno 13b y/o el penmetro externo 13c tengan una forma diferente de la circular, por ejemplo una forma octagonal, hexagonal, cuadrada o rectangular. En otras realizaciones mas, las paletas 15 podnan dirigirse asociadas con la pared interior del conducto del sistema de escape que aloja el mezclador. En dicho caso, el soporte anular 13 sera una zona integral del conducto.

De acuerdo con una realizacion preferida de la invencion, las paletas 15 estan espaciadas angularmente de forma regular a lo largo del penmetro interno 13b de la zona de soporte anular 13.

Siempre con referencia a una realizacion preferida de la invencion, se proporcionan ocho paletas radiales 15. El numero optimo de paletas 15 puede elegirse sin embargo dependiendo de las caractensticas del sistema de escape dentro del que se incorpora el mezclador, y en general se puede proporcionar cualquier numero de paletas. De ese modo, seran posibles otras realizaciones del mezclador, en las que el numero de paletas sea diferente de ocho. Un numero de paletas que vane desde cuatro a dieciseis se ha demostrado que proporciona el mejor rendimiento.

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Mas aun, en una realizacion preferida, el diametro de la zona central circular 21 es de aproximadamente 1/4 del diametro del penmetro interior 13b del mezclador.

En conjunto, dentro del penmetro interno 13b, el mezclador 11 tiene una zona ocupada por la pluralidad de paletas 15 que interceptan los gases de escape y la mezcla de agente reductor, y una zona libre formada por las zonas incluidas entre las paletas e indicada por el numero de referencia 23, asf como por la parte zona central 21.

Con referencia a la Fig. 5, se muestra allf esquematicamente una unidad 111 para el tratamiento de los gases de escape de un motor de combustion interna, en donde se usa la tecnologfa SCR. Dicha unidad 111 comprende un conjunto de conductos para los gases de escape, alojados dentro de una carcasa 113. El mezclador estatico 11 de acuerdo con la invencion se aloja en uno de los conductos, indicado en la figura por el numero de referencia 115, en el que los gases de escape fluyen en la direccion indicada por la flecha “F”. En el ejemplo ilustrado, el mezclador 11 se dispone transversalmente dentro del conducto 115, en la zona inmediatamente aguas abajo 117 de donde la mezcla de agente reductor se introduce. Siempre con referencia al ejemplo ilustrado, la mezcla de agente reductor se introduce mediante la inyeccion por los medios 119 que incluyen preferiblemente una tobera o una valvula adecuada y dispuestos axialmente en el comienzo del conducto 115, en la direccion del flujo de gases de escape. Dicho conducto 115 comprende adicionalmente, entre los medios 119 y el mezclador 11, una entrada de gases de escape 121 orientada radialmente, formada por una zona correspondiente del conducto 115 provisto con orificios radiales 123.

De acuerdo con la configuracion anterior, que corresponde a la disposicion preferida pero no exclusiva, los gases de escape entran radialmente en el conducto 115 y son interceptados por el agente reductor que llega en direccion axial, esto es a 90° con respecto a la direccion de entrada del gas. Por ello, el flujo de gases de escape llega en la direccion axial, es decir desviado en aproximadamente 90° con respecto a la direccion de entrada al interior del conducto 115, en el mezclador 11, que sustancialmente ocupa la seccion transversal completa del conducto 115.

Ventajosamente, de acuerdo con la invencion, el mezclador 11 puede fabricarse por medio de una sucesion de simples operaciones de mecanizado.

De acuerdo con un metodo preferido de fabricacion, el mezclador se obtiene a partir de un cuerpo de chapa metalica que tiene un grosor que vana preferiblemente desde 0,8 a 2,0 mm, y mas preferiblemente de 1,5 mm. Las paletas 15 tendran por lo tanto sustancialmente una consistencia laminar.

Preferiblemente, tal como se explicara posteriormente en el presente documento, el mezclador se fabrica por medio de operaciones de corte y doblado mecanicos. En la alternativa, el mezclador se podna fabricar tambien por otros trabajos de mecanizado, por ejemplo laminado o mecanizado por descarga de electrones.

En una realizacion preferida del metodo de fabricacion del mezclador, que se explica posteriormente en el presente documento, se realiza el mecanizado de un cuerpo metalico laminar plano, por ejemplo una lamina de chapa metalica.

Con referencia a la Fig. 6, se muestra el producto de inicio que comprende un cuerpo plano 11' obtenido por ejemplo mediante corte o recorte de una lamina plana de chapa metalica.

En el ejemplo ilustrado, el cuerpo 11' tiene forma de disco con un diametro exterior de aproximadamente 140 mm y comprende ocho paletas 15' angularmente separadas de forma regular. En esta etapa del mecanizado del mezclador, y siempre con referencia al ejemplo ilustrado, las paletas 15' tienen una forma sustancialmente plana, triangular y uno de sus vertices esta dirigido hacia el centro “G” del cuerpo con forma de disco. Mas precisamente, siempre con referencia al ejemplo ilustrado, las paletas 15' se conforman como triangulos isosceles con los angulos base de aproximadamente 70° y el angulo del vertice de aproximadamente 45°.

Las paletas en bruto 15' se doblan posteriormente a lo largo de las lmeas de doblado I1, I2, I3, por ejemplo por medio de un manipulador robotizado, obteniendo de ese modo el producto final correspondiente al mezclador 11 descrito con referencia a las Figs. 1 a 4.

En una realizacion preferida de la invencion, para realizar el doblado de las paletas 15' mas facil y para reducir la extension de la superficie de impacto de las paletas cuando se finaliza el mezclador, y por ello para limitar el incremento de presion dentro del conducto que alojara el mezclador, el cuerpo 11' se somete a la retirada de material en una banda mas o menos ancha alrededor de las paletas. Dicha banda se indica por el numero de referencia 10 en la Fig. 6 y se extiende alrededor de las paletas, con la excepcion del apendice 17' que conecta las paletas a la zona de soporte 13'.

La Fig. 7 muestra una etapa posterior de la fabricacion del mezclador, en la que se han obtenido las paletas 15'' mediante el doblado de las paletas 15' mostradas en la Fig. 6 alrededor de la primera lmea de doblado I1. Un segundo doblado a lo largo de la segunda lmea de doblado I2 permite la obtencion del cuerpo 11''' mostrado en la Fig. 8, y un tercer doblado a lo largo de la tercera lmea de doblado I3 permite la obtencion del mezclador 11 en su

forma final, mostrada en las Figs. 1 a 4.

Se ha de apreciar que tambien la zona de soporte 13 del mezclador puede someterse a un mecanizado, por ejemplo, una extraccion, comenzando desde la zona plana 13' para obtener la seccion con forma de “L” mostrada en 5 la Fig. 4.

En conjunto, el metodo de acuerdo con la invencion comprende las etapas de:

- el suministro de un cuerpo metalico laminar 11' sustancialmente plano;

10 - la formacion sobre dicho cuerpo de chapa metalica, por ejemplo mediante el corte de la chapa metalica, de una

pluralidad de paletas radiales 15' dispuestas radialmente y sustancialmente coplanares;

- el doblado de las paletas 15' alrededor de una primera lmea de doblado I1, obteniendo de ese modo las paletas dobladas 15'';

- el doblado de las paletas dobladas 15'' alrededor de una segunda lmea de doblado I2, obteniendo de ese modo 15 las paletas doblemente dobladas 15''';

- el doblado de las paletas doblemente dobladas 15''' alrededor de una tercera lmea de doblado I3, obteniendo de ese modo el mezclador 11.

Se pueden realizar varios cambios y modificaciones, incluidas dentro del mismo principio inventivo, al mezclador 20 estatico tal como se ha descrito y mostrado.

Claims (10)

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   REIVINDICACIONES

   1. Mezclador estatico (11) para el tratamiento de gases de escape, que comprende una zona de soporte anular (13) y una pluralidad de paletas radiales (15) sustancialmente coplanares que se disponen radialmente con su zona posterior o base (17) asociada con dicha zona de soporte (13) y la zona frontal o punta radial (19a) convergiendo hacia el centro (“G”) del mezclador, caracterizado por que el cuerpo de las paletas (15) comprende al menos tres lmeas de doblado, que definen respectivamente zonas (15a, 15b, 15c) dispuestas sobre planos no paralelos y que definen superficies de impacto (A, B, C) correspondientes para los gases de escape.
2. 2. Mezclador de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que dichas superficies de impacto (A, B, C) para los gases de escape se disponen sobre planos no paralelos con respecto al plano transversal medio del mezclador (11) y por ello no son perpendiculares a la direccion del flujo (“F”) de los gases de escape que pasan a traves del mezclador.
3. 3. Mezclador de acuerdo con la reivindicacion 2, en el que una primera superficie de impacto (A) adyacente a la base de la paleta esta inclinada en un angulo comprendido entre 30° y 60° con respecto al plano transversal medio del mezclador.
4. 4. Mezclador de acuerdo con la reivindicacion 3, en el que una segunda superficie de impacto (B) adyacente a la primera superficie de impacto (A) esta inclinada en un angulo comprendido entre 40° y 70° con respecto a la primera superficie de impacto (A).
5. 5. Mezclador de acuerdo con la reivindicacion 4, en el que una tercera superficie de impacto (C) adyacente a la segunda superficie de impacto esta inclinada en un angulo comprendido entre 20° y 50° con respecto a la segunda superficie de impacto.
6. 6. Mezclador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dichas superficies de impacto definen una zona concava para cada paleta (15).
7. 7. Mezclador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las puntas radiales (19a) de las paletas (15) rodean una zona central libre (21) del mezclador para el paso de los gases.
8. 8. Mezclador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las paletas (15) estan espaciadas angularmente de una forma regular.
9. 9. Mezclador de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que las paletas (15) son de cuatro a dieciseis en numero.
10. 10. Metodo de fabricacion de un mezclador estatico de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones desde la 1 a la 9, en el que se proporcionan las etapas de:

    - proporcionar un cuerpo laminar (11') sustancialmente plano hecho de metal;

    - proporcionar sobre dicho cuerpo metalico, por ejemplo mediante corte del cuerpo laminar, una pluralidad de paletas radiales (15') dispuestas radialmente y sustancialmente mutuamente coplanares;

    - el sometimiento de las paletas (15') a una operacion de doblado a lo largo de una primera lmea de doblado (I1) obteniendo de ese modo paletas dobladas (15'');

    - el sometimiento de las paletas dobladas (15'') a una operacion de doblado a lo largo de una segunda lmea de doblado (I2) obteniendo de ese modo paletas doblemente dobladas (15''');

    - el sometimiento de las paletas (15''') a una operacion de doblado a lo largo de una tercera lmea de doblado (I3) obteniendo de ese modo el mezclador (11).