DE3630399C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren, Behältern oder von Wärmeisolationselementen gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Verfahren sowie ein danach hergestelltes Rohr sind aus der EP-PS 00 17 095 bekannt, wobei sich die Anwendung jedoch auf Hoch­ druckbehälter oder Röhren mit innenliegender Wärmeisolation beschränkt. Um sowohl gute Isolationseigenschaften als auch große Maßhaltigkeit und Steifigkeit bei hohen Temperatur- und Druckbelastungen sicherzustellen wird die Innenwand der Hülle nach dem Evakuieren mit einem hohen Druck beaufschlagt und dadurch irreversibel verformt, wobei das Isolationsma­ terial in der Hülle nachkomprimiert wird. Der aufgebrachte Druck wird mindestens so hoch gewählt wie der zu erwartende, maximale Betriebs­ druck. Hinsichtlich des Druckverhaltens ist zu erwarten, daß die plasti­ sche Verformung der Innenwand tatsächlich dazu führt, daß die auftreten­ den Betriebsdrücke keine merklichen Form- bzw. Maßänderung mehr zur Fol­ ge haben. Hinsichtlich des Temperaturverhaltens sind jedoch derartige Verbesserungen kaum zu erwarten. Die bleibende Dehnung der Innenwand in Umfangsrichtung führt infolge der Querkontraktion auch zu einer bleiben­ den, axialen Längenänderung der Wand. Da diese Längenänderung während des Verformungsvorganges aber nicht behindert wird, entstehen in der Wand primär Zugspannungen in Umfangsrichtung, in axialer Richtung ist die Wand auch nach der Verformung weitgehend spannungsfrei. Wird diese Wand nun im Betrieb einer höheren Temperatur ausgesetzt als beim Verfor­ mungsvorgang, so möchte sie sich ausdehnen. In Umfangsrichtung wird die Wärmedehnung durch den Abbau der in der Wand vorhandenen Zugspannungen weitgehend kompensiert. In axialer Richtung wird die Wärmedehnung durch Reibungsvorgänge zwischen der Wand und dem komprimierten Isoliermaterial behindert. Dabei kann es zu örtlichen Relativverschiebungen und Ablö­ sungserscheinungen kommen, was seitens der Wand zu Beulen und Falten, seitens des Isoliermaterials zu Abrieb, Rissen und Lunkern führen kann. All dies wirkt sich negativ auf die Isolationswirkung sowie insbesondere auf die Lebensdauer der gesamten Anordnung aus. Somit führen die in der EP-PS 00 17 095 beschriebenen Maßnahmen zwar zu einem guten Hochdruck­ verhalten aber nicht zu einem befriedigenden Temperaturverhalten.

Aus der DE-PS 28 24 906 ist ein Verfahren zur Herstellung von wärmeiso­ lierten Leitungsrohren bekannt, welche im wesentlichen aus einem medien­ führenden, im Betrieb wärmeren Innenrohr, aus einem in radialem Abstand dazu konzentrisch angeordneten Außenrohr sowie aus einer den Zwischen­ raum ausfüllenden Schaumstoffisolierung bestehen. Bei der Herstellung dieser Rohre wird vor und/oder während des Ausschäumens das Innenrohr gelängt und bis nach dem Aushärten des Schaumes im gelängten Zustand ge­ halten. Durch die mechanische Festigkeit des ausgehärteten Schaumes so­ wie durch seine klebende Haftung am Innen- und Außenrohr bleibt der axi­ ale Vorspannungszustand des Innenrohres für den späteren Betrieb erhal­ ten. Dies hat zur Folge, daß eine Erwärmung des Innenrohres im Betrieb zu keiner spürbaren Längenausdehnung führt, weil diese durch den Abbau der inneren Zugspannung kompensiert wird. In Leitungssystemen aus derar­ tigen Rohren kann man auf Kompensationselemente weitgehend verzichten. Nachteilig ist jedoch, daß die Isolationswirkung und die Druckfestigkeit von Schaumstoffisolationen nicht optimal sind.

Gegenüber diesen bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, mit dem Prinzip der plastisch nachverdichteten Vakuum­ isolation überdurchschnittliche Steifigkeit, Formbeständigkeit, Isola­ tionswirkung und Lebensdauer sowohl unter druck- als auch unter tempera­ turbedingten Belastungen sicherzustellen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkma­ le gelöst.

Bei Vakuumisolationen ist es üblich, pulverförmige oder körnige, druck­ feste Isoliermaterialien als Füllstoff zu verwenden, einerseits, um die Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion zu reduzieren, anderer­ seits, um die Hüllenwände gegen den Umgebungsdruck auf Distanz zu halten bzw. um Kräfte von einer Wand auf die jeweils gegenüberliegende Hand zu übertragen. Ein hierfür besonders geeignetes Material ist natürliche oder synthetische Kieselgur. Kieselgur und vergleichbare Isoliermateria­ lien haben mechanische Eigenschaften, auf denen die vorliegende Er­ findung zu einem wesentlichen Teil beruht. Derartige Isoliermaterialien verhalten sich beim Einfüllen in die Vakuumhülle sowie beim Verdichten gleichsam wie eine - in gewissen Grenzen - komprimierbare Flüssigkeit, im stark verdichteten Zustand hingegen eher wie ein elastischer Festkör­ per. Die Erfindung beruht auf der überraschenden Eigenschaft, daß diese Isoliermaterialien im komprimierten Zustand hohe Druck- und Schubkräfte aufnehmen und insbesondere große Reibungskräfte auf benachbarte Wandflä­ chen übertragen können. Erfindungsgemäß wird die im Betrieb wärmere Wand der Vakuumhülle in eingespanntem Zustand im ganzen oder stellenweise elastisch und plastisch so stark gegen das Isoliermaterial verformt, daß die Zugspannungen infolge der reibschlüssigen Verbindung zum Isolierma­ terial auch nach der Verformung, d.h. nach dem Lösen der Einspannung, größtenteils aufrechterhalten bleiben. Auf diese Weise werden Dehnungen beim Erwärmen der Wand durch Abbau der Zugspannungen weitgehend ohne Maß- und Formänderungen kompensiert, beim Abkühlen nehmen die Zugspan­ nungen dann wieder ihre - höheren - Ausgangswerte an. Durch den intensi­ ven Kontakt von Wand und Isoliermaterial werden auch Druckkräfte weitge­ hend ohne Verformung auf das Isoliermaterial und auf die gegenüberlie­ gende Wand übertragen. Zum Zweck des Einspannens ist die Wand außerhalb ihrer funktionsbedingten Kontur mit Einspannflächen versehen, welche nach dem Verformen entfernt werden, z.B. durch mechanisches Abtrennen.

Die Unteransprüche 2 bis 6 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Ver­ fahrens nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 ein druckfestes, wärmeisoliertes Rohr mit Innenisolierung,

Fig. 2 ein druckfestes, wärmeisoliertes Rohr mit Außenisolierung,

Fig. 3 ein dünnwandiges, wärmeisoliertes Rohr in einer steifen Stütz­ form,

Fig. 4 ein gekrümmtes, plattenförmiges Isolationselement, dessen konka­ ve Wand bleibend verformt ist,

Fig. 5 ein gekrümmtes, plattenförmiges Isolationselement, dessen konve­ xe Wand bleibend verformt ist.

Das wärmeisolierte Rohr 1 in Fig. 1 ist zur Aufnahme von Medien gedacht, welche eine gegenüber der Umgebung höhere Temperatur aufweisen. Dabei bildet die dünnere, innere Wand 7 den Strömungskanal, die äußere, dicke­ re Hand 6 stellt einen stabilen, druckfesten Mantel dar. Die Wände 6 und 7 sind mittels umlaufender, flexibler Stirnwände 15 vakuumdicht verbun­ den, der von den Wänden 6, 7 und 15 eingeschlossene Hohlraum ist mit ei­ nem schüttfähigen, druckfesten und temperaturbeständigen Isoliermate­ rial, z.B. mit Kieselgur, gefüllt. Fig. 1 zeigt mit durchgezogenen Li­ nien sowohl den betriebsbereiten Zustand des Rohres 1 als auch mit strichpunktierten Linien den Zustand vor Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens. Es ist zu erkennen, daß die im Betrieb wärmere Wand 7 im Ausgangszustand einen kleineren Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesserunterschied der Deutlichkeit halber übertrieben groß gezeich­ net ist. Außerdem ist die Wand 7 über ihre funktionsbedingte Länge hin­ aus mit zwei umlaufenden Flanschen 17 versehen, welche vor Inbetriebnah­ me wieder abgetrennt werden.

Die Vorgehensweise bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man sich etwa folgendermaßen vorstellen:

Es werden die Wände 6, 7 und 15 vakuumdicht zusammengefügt, z.B. ver­ schweißt. Die zu verformende Wand 7 weist dabei noch den strichpunktiert dargestellten, kleineren Durchmesser auf und ist an ihren Stirnseiten mit den beiden Flanschen 17 versehen. Nunmehr wird das Innere der Vaku­ umhülle möglichst dicht und gleichmäßig mit dem schüttfähigen Isolierma­ terial, z.B. mit Kieselgur gefüllt. Es empfiehlt sich, die Vakuumhülle und das Isoliermaterial 20 auszuheizen, damit das zu erzeugende Vakuum nicht durch verdampfende Flüssigkeitsanteile später ungewollt reduziert wird. Noch während des Ausheizens oder unmittelbar danach wird die ge­ füllte Vakuumhülle evakuiert. Anschließend wird der Evakuierungsan­ schluß bzw. werden die Evakuierungsanschlüsse vakuumdicht verschlossen. Das evakuierte Rohr 1 wird nunmehr an den Flanschen 17 fest eingespannt, das Innere des Rohres 7 mit einer unter hohem Druck stehenden Flüssigkeit beaufschlagt. Durch diesen Druck wird die Wand 7 unter Verdichtung des Isoliermaterials 20 elastisch und plastisch auf ihren Betriebsdurchmes­ ser aufgeweitet. Die axiale Einspannung sorgt dafür, daß sie sich dabei nicht infolge Querkontraktion verkürzen kann, wodurch ein relativ gleichmäßiger Zugspannungszustand in der Wand 7 entsteht. Die starken Reibungskräfte des komprimierten Isoliermaterials 20 sorgen dafür, daß die Zugspannungen auch nach dem Lösen der Einspannung (Flansche 17) weitgehend erhalten bleiben. Nach dem Entfernen der Flansche 17 haben die Wände 6 und 7 die gleiche Länge, das Rohr 1 ist somit einbaufertig.

Aus mehreren derartigen Rohren 1 lassen sich wärmeisolierte Leitungssy­ steme herstellen, wobei zumindest die Wände 7 aneinandergrenzender Rohre dicht miteinander verbunden, z.B. verschweißt werden müssen. Hierbei empfiehlt es sich, die zwischen einander gegenüberliegenden Stirnwänden 15 benachbarter Rohre 1 vorhandenen, torusförmigen Hohlräume mit Iso­ liermaterial auszufüllen.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 eignet sich beispielsweise ausgezeichnet für das Herstellen von Fernwärmeleitungen, wobei aufgrund des vorteil­ haften Dehnungsverhaltens weitgehend auf Kompensationselemente verzich­ tet werden kann.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist für Medien mit gegenüber der Umge­ bung niedrigerer Temperatur gedacht. Demzufolge ist die zu verformende, im Betrieb wärmere Wand 9 außen angeordnet, der Strömungskanal ist als konzentrische, druckfeste Wand 8 ausgeführt. Im Vergleich zu Fig. 1 ist hier - wie auch in Fig. 5 - ein prinzipieller Unterschied zu beachten. Es wäre nicht sinnvoll, eine konvex gekrümmte Wand, wie beispielsweise die äußere, zylindrische Wand 9, unter Verdichtung des auf ihrer konka­ ven Innenseite anliegenden Isoliermaterials 20 im ganzen stauchend zu verformen. Anstelle der erwünschten Zugspannungen würden dabei Druck­ spannungen in der Wand entstehen. Stattdessen wird die Hand 9 im axial eingespannten Zustand an mehreren, einzelnen Stellen örtlich bleibend verformt und dabei mit in das Isoliermaterial 20 eindringenden Sicken 18, Rillen oder Noppen versehen. Zur Erzeugung axialer Zugspannungen sind die Sicken 18 primär in Umfangsrichtung verlaufend angeordnet. Das radiale Dehnungsverhalten des Rohres 2 läßt sich, falls erforderlich, durch axial verlaufende Sicken verbessern. Auch bei stellenweiser Ver­ formung bleibt das Erfindungsprinzip der Dehnungskompensation durch in­ nere Zugspannungen gewahrt.

Das Rohr 3 nach Fig. 3 ist für Anwendungsfälle gedacht, in denen nur kleine Druckbelastungen auftreten, oder für Fälle, in denen das Rohr 3 als separates Isolationselement in ein vorhandenes Rohr gesteckt bzw. über ein vorhandenes Rohr gestülpt wird. Das Rohr 3 besteht ausschließ­ lich aus dünnen, nachgiebigen Wänden 7, 10 und 15, wobei die innere Wand 7 für den erfindungsgemäßen Verformungsvorgang vorgesehen ist. Um wäh­ rend des Verdichtens des Isoliermaterials 20 einen ausreichenden Gegen­ druck auszuüben, liegt die äußere Wand 10 dabei flächig an einer steifen Stützform 21 an.

Die Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3 (Rohre) gelten sinngemäß auch für wärmeisolierte Behälter. Diese können einteilig ausgeführt oder aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein. Bei mehrteiliger Ausführung ist es am günstigsten, den Behälter aus rotationssymmetrischen Hüllenelemen­ ten zusammenzusetzen, z. B. aus zwei topfförmigen Hälften oder aus Bo­ den, Hand und Decke.

Die Fig. 4 und 5 betreffen gekrümmte, plattenförmige Wärmeisolationsele­ mente 4 und 5. Diese können beispielsweise auf vorhandene Behälter als zusätzliche Außen- oder Innenisolation aufgebracht werden, wobei es dann sinnvoll ist, in Anlehnung an Fig. 3 alle Wände dünn und nachgiebig aus­ zuführen. Die Wärmeisolationselemente 4 und 5 können aber auch unmittel­ bar zu Behältern mit Innen- oder Außenisolation zusammengefügt werden, wobei die konkaven Wände 11 oder 14 mit dem zu speichernden Medium in direktem Kontakt stehen, also den Innenbehälter bilden. In Anlehnung an die Fig. 1 und 2 gilt auch hier das Prinzip, daß die konkaven Innenwände 11 im ganzen, die konvexen Außenwände 13 in Form von Sicken 19 nur stel­ lenweise verformt werden. Bei ebenen Isolationselementen (nicht darge­ stellt) erfolgt die Verformung bevorzugt ebenfalls nur stellenweise, ähnlich wie in Fig. 5.

Ungeachtet der Tatsache, daß nur in Fig. 1 Flansche 17 zum Einspannen der Wand 7 dargestellt sind, müssen die zu verformenden Wände praktisch in allen Fällen mit entsprechenden Einspannflächen versehen sein, z.B. in Form von Winkeln, Ösen, Laschen o. ä.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren, Behäl­ tern oder von Wärmeisolationselementen, bei welchen eine vakuumdichte Hülle aus im wesentlichen zwei ebenen oder gekrümmten, in etwa konstan­ tem Abstand zueinander angeordneten Wänden mit schüttfähigem, porösem und druckfestem Isoliermaterial gefüllt, zusammen mit dem Isoliermate­ rial gasfrei ausgeheizt, evakuiert und vakuumdicht verschlossen wird, wobei mindestens diejenige Wand, welche im Betrieb wärmer ist, relativ dünn und nachgiebig ausgeführt ist und - vor Inbetriebnahme - im Bereich ihrer Ränder eingespannt, unter Verdichtung des Isoliermaterials blei­ bend verformt und somit in der Wandebene unter Zugspannungen gesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Betrieb wärmere Wand (7, 9, 11, 13) im ganzen oder stellenweise elastisch und plastisch verformt wird und daß die Verformung so groß ist, daß das verdichtete Isoliermate­ rial (20) sich wie ein elastischer Festkörper verhält und so große Rei­ bungskräfte auf die Wand (7, 9, 11, 13) überträgt, daß die Zugspannungen in der Wand auch nach dem Lösen der Einspannung weitgehend erhalten bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern für die Aufnahme von Medien mit gegenüber der Um­ gebung höherer Temperatur, bei welchen die später die innere Rohr- oder Behälterwand bildende, innere Wand der evakuierten Hülle nachgiebig, die später die äußere Rohr- oder Behälterwand bildende äußere Hand vorzugs­ weise steif ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand (7) durch direkte Einwirkung eines unter hohem Druck stehenden Fluides, vorzugsweise einer Flüssigkeit, im ganzen bleibend gedehnt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern für die Aufnahme von Medien mit gegenüber der Um­ gebung niedrigerer Temperatur, bei welchen die später die äußere Rohr- oder Behälterwand bildende, äußere Wand der evakuierten Hülle nachgie­ big, die später die innere Rohr- oder Behälterwand bildende, innere Wand vorzugsweise steif ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (9) stellenweise mechanisch verformt und dabei mit in das Isoliermaterial (20) eindringenden Sicken (18), Rillen, Noppen o.ä. ver­ sehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von plattenförmigen, gekrümmten Wärmeisolationselementen, bei welchen die im Betrieb wärmere Wand nachgiebig, die kältere Wand vorzugsweise steif ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verformung der Wand (11) mit konkaver Außenkontur des Wärmeisolationselementes (4) diese im ganzen bleibend gedehnt wird, und daß bei Verformung der Wand (13) mit konvexer Außen­ kontur diese stellenweise verformt und dabei mit in das Isoliermaterial eindringenden Sicken (19), Rillen, Noppen o.ä. versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von plattenförmigen, ebenen Wärmeeisolationselementen, bei welchen die im Betrieb wärmere Wand nachgiebig, die kältere Wand vorzugssweise steif ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die im Betrieb wärmere Wand stellenweise verformt und dabei mit in das Isoliermaterial eindringenden Sicken, Ril­ len, Noppen o.ä. versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern bzw. von Wärmeisolationselementen, bei welchen al­ le Wände der evakuierten Hülle dünn und nachgiebig ausgeführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die der zu verformenden Wand (7) gegen­ überliegende Wand (10) während des Verformungsvorganges großflächig an einer steifen Stützform (21) anliegt.