DE10256553A1

DE10256553A1 - Thermische Isolation

Info

Publication number: DE10256553A1
Application number: DE10256553A
Authority: DE
Inventors: Paul Dipl.-Ing. Szasz; Robert Dipl.-Ing. Huber
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2004-06-24

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Isolation, mit einer Matrix (2) aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis oder einem Polymer, in das hohle Kugeln (3) eingebettet sind. Um eine solche Isolation auch für bauliche Einrichtungen nutzen zu können, die in unterseeischen Bereichen angeordnet sind, ist in die Matrix (2) ein Zusatz (4, 10) eingearbeitet, der wenigstens bereichsweise ein Phasenänderungsmaterial (5) enthält, das die Eigenschaft eines Latentwärmespeichers aufweist. Als Zusatz (4) sind Kugeln vorgesehen, die aus einem Polymer gefertigt sind und mit Paraffin oder einem Salzhydrat gefüllt sind. Als Zusatz (4) können auch poröse Teilchen (10) aus Diatomeenerde und/oder einem porösen Polymer verwendet werden, in deren Poren (11) ein Phasenänderungsmaterial (5) gefüllt ist. Ein Granulat, innerhalb dessen ein Phasenänderungsmaterial (5) so gebunden ist, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials (5) fest bleibt, kann ebenfalls als Zusatz (4) verwendet werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Isolation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche thermischen Isolationen kommen vorzugsweise bei baulichen Einrichtungen zur Anwendung, die unter Wasser installiert sind, und für die Förderung von Rohöl oder Erdgas vorgesehen sind.

Die Ölförderung vom Meeresboden aus erfordert eine Vielzahl von Rohrleitungen sowie Ventil- und Steuersysteme, die unterseeisch montiert werden müssen. Diese baulichen Einrichtungen müssen thermisch isoliert werden, da die Temperaturen bei regelmäßigen Unterbrechungen der Förderung hierin stark absinken. Das zu fördernde Rohöl enthält Bestandteile, die sich in den Rohrleitungen und Ventilen ablagern, wenn die Temperaturen in diesen Bauelementen unter einen definierten Wert absinken. In baulichen Einrichtungen, die über keine, oder nur eine unzureichende thermische Isolation verfügen, bilden sich Hydrat- und Wachs-Ablagerungen, deren Beseitigung aufwendig und teuer ist.

In der US-PS 6 000438 ist eine thermisch isolierte Rohrleitung für den Transport von strömenden Medien in unterseeischen Bereichen beschrieben. Die das Medium führende innere Rohrleitung ist von einer thermischen Isolierschicht umgeben, welche die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers aufweist. Diese Isolierschicht ist von einem konzentrisch zur inneren Rohrleitung angeordneten metallischen Mantelrohr umgeben. Die Speicherung von latenter Wärme in der Isolierschicht wird durch Verwendung eines Phasenänderungsmaterials erreicht, welches beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand eine hohe Schmelzenthalpie als latente Wärme aufnimmt. Wird das ge schmolzene Phasenänderungsmaterial abgekühlt, so gibt es bei der Erstarrungstemperatur die aufgenommene Schmelzenthalpie wieder ab und geht wieder in einen festen Zustand über. Durch die zusätzliche Abgabe der latenten Wärme wird die Abkühlzeit des geförderten Mediums verlängert. Doppelwandige Förderleitungen wie sie hier beschrieben sind, sind teuer und wegen ihres großen Durchmessers nicht überall nutzbar. Bei baulichen Einrichtungen in Form von Ventilen und Verteilern ist eine doppelwandige Ausführungen weder wirtschaftlich noch kann sie technisch sinnvoll ausgebildet werden.

Aus der US-PS 6058979 ist eine Isolation für bauliche Einrichtungen der eingangs genanten Art bekannt, die aus einem Polymer in Form von Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, Epoxiden und Elastomeren hergestellt wird. Eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/mK, gute mechanische Eigenschaften sowie das ebenfalls geringe Gewicht dieser Werkstoffe sind für die Verwendung als Wärmedämmmaterial von Vorteil. Die Wärmedämm-Eigenschaften und das Gewicht des Polymers wird durch den Zusatz von Hohlkugeln in Form von Glas und/oder Kunststoff noch verbessert. Die Hohlkugeln sind unterschiedlich groß, um den Füllgrad zu erhöhen, und die Wärmeleitfähigkeit zu senken. Trotz einer solchen Isolation lässt sich die Bildung von Ablagerungen in unterseeischen Einrichtung, die zur Förderung von Rohöl vorgesehen ist, nicht vollständig ausschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Isolation für unterseeische Einrichtungen zur Förderung von Rohöl und Erdgas aufzuzeigen, mit der Ablagerungen der eingangs genannten Art im Innenbereich dieser Einrichtungen vermieden werden können .

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Matrix der erfindungsgemäßen Isolation wird aus einem konventionellen Isolationsmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit von < 0,2 W/mK in Form eines Polymers hergestellt, in das hohle Kugeln aus Glas eingebettet sind. Die Matrix kann auch aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis gefertigt werden. Eine Matrix aus einem solchen Material wird aus Siliziumdioxidpartikeln gepresst, die eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen. Wird die Matrix aus einem Polymer hergestellt, kann hierfür Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, ein Epoxidharz oder ein Elastomer verwendet werden. In diese Matrix wird ein weiterer Füllstoff eingebettet, der teilweise aus einem Phasenänderungsmaterial besteht, das die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers besitzt. Als weiteren Füllstoff können Kugeln aus einem Polymer in Form eines Polyacrylats verwendet werden, die mit einem solchen Phasenänderungsmaterial gefüllt sind. Als Phasenänderungsmaterial eignen sich Paraffine oder Salzhydrate. Dieser zusätzliche Füllstoffe wird während der Herstellung der erfindungsgemäßen Isolation in das die Matrix bildende Material eingemischt.

Die mit einem Phasenäderungsmaterial gefüllten Kugeln lassen sich sehr gut in beide Materialen einarbeiten, welche für die Herstellung der Matrix genutzt werden. Der Anteil an Kugeln, die mit dem Phasenäderungsmaterial gefüllt sind, kann zwischen 10 und 70 Voiumen-% betragen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Isolation. Optimal sind Anteile zwischen 35 % und 50 %.

An Stelle der Kugeln, die mit dem Phasenänderungsmaterial gefüllt sind, können auch poröse Teilchen verwendet werden, in deren Poren ein solches Phasenänderungsmaterial eingefüllt ist. Hierfür kann beispielsweise Diatomeenerde verwendet werden, deren Teilchen eine Größe von 0,2mm bis 5mm auf weisen, und in deren Poren der Latentwärmespeicher eingefüllt wird. Poröse Polymerteilchen mit einer Größe von 0,5mm bis 20mm können ebenfalls verwendet werden. In beiden Fällen werden die Poren nicht vollständig gefüllt, so dass eine Volumenänderung von 10% des Phasenänderungsmaterials bei der Phasenumwandlung aufgenommen werden kann. Durch die Kapillarkräfte bleibt der Latentwärmespeicher immer innerhalb der Poren, so dass keine weitere Kapselung erforderlich ist.

Als Zusatz kann auch ein Granulat verwendet werden, bei dem bei dem das Paraffin oder das Salzhydrat mit Hilfe eines Bindemittels gebunden ist. Das Bindemittel wird so gewählt, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials nicht flüssig wird. Durch die Bindung im Granulat wird die Volumenänderung ähnlich wie in einem porösen Träger unterdrückt. Das Granulat weist vorzugsweise Teichen mit einer Größe zwischen 0,2mm und 5mm auf. Die Her stellung und die Eigenschaften solcher Granulate sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden deshalb hier nicht näher erläutert.

Die erfindungsgemäße Isolation wird sich beim Absinken der Temperatur der unterseeischen Einrichtungen während einer Förderpause bis zur Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials eher etwas schneller abkühlen, als konventionelle Isolationen, da die Wärmeleitfähigkeit der Isolation wegen des geringeren Luftgehalts höher ist. Aber im Bereich der Phasenumwandlungstemperatur des Latentwärmespeichers wird die Abkühlung stark verzögert, bis das gesamte, als Latentwärmespeicher genutzte Material vom flüssigen in einen festen Zustand übergegangen ist. Das als Latentwärmespeicher genutzte Material wird so gewählt, dass seine Phasenumwandlungstemperatur über der kritischen Temperatur liegt, bei der Hydrate und Wachse aus dem geförderten Medium abgeschieden werden. Dann kann das Unterschreiten der kritischen Temperatur während des Abkühlens deutlich verzögert werden.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

1 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Isolation ,

2 eine Variante der in 1 gezeigten Isolation.

1 zeigt eine Isolation 1, mit einer Matrix 2, hohlen Kugeln 3 und einem Zusatz 4. Die Matrix 2 ist aus einem konventionellen Isolationsmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit von <0,2 W/mK gefertigt. Für die Herstellung der Matrix kann ein Polymer verwendet werden, in das hohle Kugeln 3 aus Glas oder Kunststoff eingebettet sind. Für die Herstellung der Matrix wird in diesem Fall Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, ein Epoxidharz oder ein Elastomer verwendet. Der Durchmesser der Kugeln 3 liegt zwischen 50 und 500 um. Er kann in Einzelfällen aber auch bis zu 5 mm betragen. Die Kugeln 3 haben die Aufgabe, die Wärmeleitfähigkeit der Isolation 1 auf einem niedrigen Wert zu halten. Durch die großen Kugeln 3 wird zudem die Dichte der Isolation 1 und damit auch ihr Gewicht reduziert. Die Matrix 2 kann auch aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis gefertigt werden. Eine Matrix aus einem solchen Material wird beispielsweise aus Siliziumdioxidpartikeln gepresst, die eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen. In die Matrix 2 der Isolation 1 ist der Zusatz 4 eingearbeitet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Kugeln 4, die aus einem Polymer gefertigt sind. Für die Herstellung der Kugeln 4 kann beispielsweise Polyacrylat verwendet werden. Die Kugeln 4 sind mit einem Phasenänderungsmaterial 5 gefüllt, das die Funktion eines Latentwärmespeichers besitzt. Vorzugsweise enthalten diese Kugeln 4 Paraffin oder ein Salzhydrat. Sie haben einen Durchmesser zwischen 10μm und 100 um. Der Anteil an Kugeln 4 beträgt 10 bis 70 Volumen-%, vorzugsweise 35 bis 50 Volumen-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Isolation 1. Durch den zusätzlichen Füllstoff ist die Isoiation 1 besonders für in der Tiefsee installierte bauliche Einrichtungen (hier nicht dargestellt) geeignet, die heute schon mit Polymeren oder mikroporösen Isolationen gedämmt werden.

An Stelle der Kugeln 4 können auch poröse Teilchen 10 verwendet werden, in deren Poren 11 Phasenänderungsmaterial 5 mit der Eigenschaft eines Latentwärmespeichers eingefüllt wird. Hierfür können beispielsweise Teilchen aus Diatomeenerde mit einer Größe von 0,2mm bis 5mm verwendet werden. Poröse Teilchen 10, die aus einem Polymer gefertigt sind, und eine Größe von 0,2 mm bis 5 mm aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. In beiden Fällen werden die Poren 11 nicht vollständig gefüllt, so dass eine Volumenänderung des Materials von 5 bis 10% aufgenommen werden kann, die bei der Phasenumwandlung des Materials 5 auftritt. Durch die Kapillarkräfte bleibt das Phasenänderungsmaterial 5 immer innerhalb der Poren 11, so dass keine weitere Kapselung erforderlich ist.

Als Zusatz 4 kann auch ein Granulat (hier nicht dargestellt) verwendet werden, bei dem bei dem das Paraffin oder das Salzhydrat mit Hilfe eines Bindemittels gebunden ist. Das Bindemittel wird dabei so gewählt, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenurnwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials nicht flüssig wird. Durch die Bindung im Granulat wird die Volumenänderung unterdrückt. Das Granulat kann ähnlich wie die porösen Teilchen zwischen 0,2 und 5 mm groß sein.

Auf die Matrix 2 kann, falls es die Gegebenheiten erfordern, nach außen zu eine zusätzliche Schicht aus mikroporösem Material auf Silikatbasis oder ein Polymer mit eingearbeiteten hohlen Kugeln zur weiteren Verbesserung der Isolation 1 aufgetragen ist.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele der Isolation. Vielmehr umfasst sie alle Variationen der Isolation, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.

Claims

Thermische Isolation, mit einer Matrix (2) aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis oder einem Polymer, in das hohle Kugeln (3) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix (2) einen Zusatz (4, 10) eingearbeitet ist, der wenigstens bereichsweise ein Phasenänderungsmaterial (5) enthält, das die Eigenschaft eines Latentwärmespeichers aufweist.
Isolation nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatz (4) Kugeln mit einem Durchmesser zwischen 10 um und 100 um vorgesehen sind, die eine Füllung in Form eines Phasenänderungsmaterials (5) aufweisen.
Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) aus Polyacrylat gefertigt und das Phasenänderungsmaterial (5) ein Paraffin oder ein Salzhydrat ist.
Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix (2) poröse Teilchen (10) aus Diatomeenerde und/oder einem porösen Polymer eingearbeitet sind, und dass in die Poren (11) der Teilchen (10) ein Phasenänderungsmaterial (5) in Form eines Paraffins oder eines Salzhydrats eingefüllt ist.
Isolation nach Anspruch 1 nach einem der Ansprüche 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz (4) als Granulat ausgebildet ist, innerhalb dessen das Phasenänderungsmaterial (5) in Form von Paraffin oder Salzhydrat so gebunden ist, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials (5) fest ist.
Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Zusatzes (4) 10 bis 70 Volumen-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Isolation (1) beträgt.
Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, x6, dadurch gekennzeichnet, das auf die Matrix (2) nach außen zu eine zusätzliche Schicht aus mikroporösem Material auf Silikatbasis oder ein Polymer mit eingearbeiteten hohlen Kugeln (3) aufgetragen ist.