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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation von Längenänderungen
in Rohrleitungen gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische
Schaltanlage mit einer Vorrichtung zur Kompensation von Längenänderungen
in Rohrleitungen gemäß Anspruch
12.
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In
gasisolierten elektrischen Schaltanlagen kann die Verbindung zwischen
zwei Betriebsmitteln, beispielsweise zwischen einem Schaltfeld und
einem Transformator, mit Hilfe von gasisolierten Rohrleitungen vorgenommen
werden, welche eine Länge
von 100 Meter und mehr aufweisen können. Abhängig von der Spannungsebene
haben diese Rohrleitungen große
Nennweiten und sind unter verhältnismäßig hohem
Druck von beispielsweise 6 bar mit einem Isoliergas gefüllt. Nehmen
diese Rohrleitungen im Betrieb unterschiedliche Temperaturen an,
müssen die
temperaturbedingten Längenänderungen
mit einem Kompensator ausgeglichen werden.
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Innerhalb
solcher Rohrleitungen verlaufen in axialer Richtung elektrische
Leiter, welche die elektrische Verbindung der Betriebsmittel herstellen.
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Eine
Kompensation kann beispielsweise mit Dehnungsbögen in U-Form, mit Langmuffen
oder mit einem Wellrohr vorgenommen werden. Während Dehnungsbögen einen
vergleichsweise großen
Bauraum erfordern, können
Langmuffen kompensatoren und Wellrohrkompensatoren einfacher Bauart
in Längsrichtung
der Rohrleitung axial eingesetzt werden.
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Langmuffenkompensatoren
bestehen aus zwei teleskopartig verschiebbaren Rohren, die mittels
einer Gleitdichtung abgedichtet sind. Die Längenänderung entspricht der Einschubtiefe
der Rohre. Nachteilig wirkt sich hier aus, dass durch Fremdpartikel
Längsriefen
entstehen können,
die zu Undichtigkeiten führen.
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Wellrohrkompensatoren
bestehen aus einem Wellrohr mit Flanschen an den stirnseitigen Enden,
an welchen die Rohrabschnitte einer Rohrleitung anschließen. Der
von dem Wellrohr umschlossene Raum wird als Kompensationsraum bezeichnet.
Durch Verschiebung der Rohrabschnitte aufeinander zu, beziehungsweise
voneinander weg, wird das Wellrohr gestaucht, beziehungsweise gedehnt. Dabei
wird das Volumen des Kompensationsraums verändert.
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Werden
Wellrohrkompensatoren einfacher Bauart in gas- oder fluidgefüllten Rohrleitungen
hohen Drucks zum Ausgleich von temperaturbedingten Längenänderungen
eingesetzt, müssen
entsprechende Armaturen, beispielsweise von außen, bei jeder Temperatur eine
dem Gasdruck proportionale Gegenkraft aufbringen. Diese kann, abhängig von Nennweite
und Gasdruck, mehrerer 100 kN betragen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Kompensation von Längenänderungen
in Rohrleitungen zum kraftkompensierten Ausgleich von Längen- und/oder Winkeländerungen
in Rohrleitungen anzugeben.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Kompensation von Längenänderungen
in Rohrleitungen gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein
Expansionsraum vorgesehen, dessen Volumen durch eine Längenänderung
der Rohrleitung veränderlich
ist. Dieser Expansionsraum ist so angeordnet und mit dem Kompensationsraum
verbunden, dass bei einer Längenänderung
der Rohrleitung die Summe der Volumina von Kompensationsraum und
Expansionsraum annähernd
konstant bleibt.
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Wird
der Kompensationsraum komprimiert, so wird der Expansionsraum in
gleichem Maß expandiert
und umgekehrt. Die durch den Gasdruck im Inneren des Kompensationsraums
und des Expansionsraums in axialer Richtung wirkenden Kräfte heben
sich dabei gegenseitig auf. Das heißt, die nach außen in axialer
Richtung wirkende Kraft ist praktisch Null.
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Eine
zusätzliche
Kompensation von axialen Kräften
ist somit nicht nötig.
Auch eine temperaturabhängige
Kompensation des Innendrucks ist nicht notwendig.
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Vorteilhaft
ist, dass eine ortsfeste Einspannung der Rohrleitung auf einem Traggerüst möglich ist,
wobei praktisch keine axiale Kraft auf das Traggerüst wirkt.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung
im Vergleich zum Rohrleitungsdurchmesser verhältnismäßig geringe Abmessungen aufweist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung
dehnt sich in radialer Richtung nur unwesentlich über die
Rohrleitung hinaus aus.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Kompensationsraum
und der Expansionsraum von einem Verbindungselement zusammen gehalten.
Dieses Verbindungselement verhindert, dass der Kompensationsraum
und/oder der Expansionsraum sich infolge des Gasdrucks im Inneren
in axialer Richtung ausdehnen.
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Das
Verbindungselement kann auch als Kapselung ausgebildet sein, welche
den Kompensationsraum und den Expansionsraum umgibt. Diese Kapselung
schützt
die erfindungsgemäße Vorrichtung
vor äußeren Einflüssen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der Kompensationsraum und/oder
der Expansionsraum von je einem Wellrohr umschlossen. Hierdurch
ergibt sich der Vorteil, dass neben einem Ausgleich von Längenänderungen auch
ein Ausgleich von Winkeländerungen
in der Rohrleitung möglich
ist.
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Anhand
der Zeichnung, in denen ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt ist, werden die Erfindung, vorteilhafte
Ausgestaltungen und Verbesserungen der Erfindung, sowie weitere
Vorteile näher
erläutert
und beschrieben.
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Es
zeigt:
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Einzige
Fig.: eine erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung.
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In
der einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung
dargestellt, welche an einer Rohrleitung 20 angebracht
ist. Die Rohrleitung 20 umfasst einen ersten Rohrabschnitt 40 und einen
zweiten Rohrabschnitt 42, wobei die Kompensationsvorrichtung
zwischen den Rohrabschnitten 40, 42 angeordnet
ist.
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Die
Rohrleitung 20 ist dabei Teil einer gasisolierten, dreiphasig
gekapselten Hochspannungsschaltanlage und verbindet ein Schaltfeld
mit einem Transformator. Selbstverständlich ist auch eine Verbindung
mit einem anderen Betriebsmittel, beispielsweise einem Freileitungsanschluss
oder einem Generator denkbar. Innerhalb der Rohrleitung 20 verlaufen
in axialer Richtung drei hier nicht dargestellte elektrische Leiter,
welche die elektrische Verbindung zwischen dem Schaltfeld und dem
Transformator herstellen. Die Hochspannungsschaltanlage kann auch
einphasig gekapselt sein, in diesem Fall verläuft nur ein Leiter innerhalb
der Rohrleitung 20 in axialer Richtung.
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Der
erste Rohrabschnitt 40 ist an der dem zweiten Rohrabschnitt 42 zugewandten
Stirnseite durch einen ersten Schottisolator 30 verschlossen. Ebenso
ist der zweite Rohrabschnitt 42 an der dem ersten Rohrabschnitt 40 zugewandten
Stirnseite durch einen zweiten Schottisolator 32 verschlossen.
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Ein
erstes Wellrohr 6 umschließt einen Kompensationsraum 8,
welcher stirnseitig durch einen ersten Flansch 24 und einen
zweiten Flansch 26 begrenzt ist. Der erste Flansch 24 ist
dabei an dem ersten Schottisolator 30 des ersten Rohrabschnitts 40 der
Rohrleitung 20 befestigt.
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An
das erste Wellrohr 6 ist in axialer Richtung ein Expansionsrohr 22 angesetzt,
welches an dem zweiten Flansch 26 befestigt ist. Die dem
zweiten Flansch 26 abgewandte Stirnseite des Expansionsrohrs 22 ist
an dem zweiten Schottisolator 32 des zweiten Rohrabschnitts 42 der
Rohrleitung 20 befestigt.
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Der
Kompensationsraum 8 und das Expansionsrohr 22 sind
also axial zwischen dem ersten Rohrabschnitt 40 und dem
zweiten Rohrabschnitt 42 der Rohrleitung 20 angeordnet.
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Die
innerhalb der Rohrleitung 20 verlaufenden und hier nicht
dargestellten elektrischen Leiter verlaufen dabei in dem ersten
Rohrabschnitt 40, durchgreifen den ersten Schottisolator 30,
verlaufen weiter durch den Kompensationsraum 8 und das
Expansionsrohr 22, durchgreifen den zweiten Schottisolator 32 und
verlaufen weiter in dem zweiten Rohrabschnitt 42.
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Das
Expansionsrohr 22 kann auch entfallen. In diesem Fall erstreckt
sich der zweite Rohrabschnitt 42 mit dem zweiten Schottisolator 32 bis
zu dem zweiten Flansch 26. Das Expansionsrohr 22 bietet aber
den Vorteil, dass die Montage einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zwischen zwei Rohrabschnitten 40, 42 einer Rohrleitung 20 vereinfacht
ist. Insbesondere kann ein beliebiger Abstand zwischen dem ersten
Schottisolator 30 des ersten Rohrabschnitts 40 und
dem zweiten Schottisolator 32 des zweiten Rohrabschnitts 42 durch
geeignete Wahl der Länge des
Expansionsrohrs 22 ausgeglichen werden.
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Der
erste Schottisolator 30 dichtet den Kompensationsraum 8 von
dem Hohlraum im Inneren des ersten Rohrabschnitts 40 der
Rohrleitung 20 ab. Ebenso dichtet der zweite Schottisolator 32 den Hohlraum
im Inneren des Expansionsrohrs 22 von dem Hohlraum im Inneren
des zweiten Rohrabschnitts 42 der Rohrleitung 20 ab.
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Konzentrisch
um das Expansionsrohr 22 ist ein zweites Wellrohr 4 angeordnet.
Zwischen dem Expansionsrohr 22 und dem zweiten Wellrohr 4 ist ein
drittes Wellrohr 14 angeordnet. Zwischen dem zweiten Wellrohr 4 und
dem dritten Wellrohr 14 ist so ein Expansionsraum 2 gebildet,
welcher auf einer Stirnseite durch den zweiten Flansch 26 und
auf der gegenüberliegenden
Stirnseite durch einen ringförmigen
Dichtungsflansch 12 abgeschlossen ist.
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Das
gezeigte dritte Wellrohr 14 kann entfallen, in diesem Fall
erstreckt sich der Expansionsraum 2 radial von dem Expansionsrohr 22 bis
zu dem zweiten Wellrohr 4. In diesem Fall muss der Dichtungsflansch 12 eine
Gleitdichtung aufweisen, mittels welcher der Dichtungsflansch 12 auf
der Oberfläche
des Expansionsrohrs 22 verschiebbar ist. Durch die Anordnung
des dritten Wellrohrs 14 an der besagten Position wird
die Gleitdichtung nicht benötigt.
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Der
Expansionsraum 2 und der Kompensationsraum 8 sind
durch Verbindungskanäle 18 miteinander
verbunden, welche den zweiten Flansch 26 durchbrechen,
und durch welche Gas strömen
kann. Anstelle der Verbindungskanäle ist es auch denkbar, eine
Schlauch oder mehrere Schläuche
zur Verbindung des Expansionsraums 2 und des Kompensationsraums 8 vorzusehen.
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Der
Kompensationsraum 8 ist annähernd zylinderförmig und
besitzt in diesem Beispiel kreisförmige Stirnseiten. Die dem
ersten Rohrabschnitt 40 zugewandte Stirnseite des Kompensationsraums 8 ist von
dem ersten Schottisolator 30 und dem ersten Flansch 24 gebildet.
Die dem zweiten Rohrabschnitt 42 zugewandte Stirnseite
des Kompensationsraums 8 ist von dem zweiten Flansch 26 und
der Stirnseite des Hohlraums im Inneren des Expansionsrohrs 22 gebildet.
Der Mantel des Kompensationsraums 8 ist von dem ersten
Wellrohr 6 gebildet.
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Der
Expansionsraum 2 hat annähernd die Form eines Hohlzylinders
und besitzt in diesem Beispiel kreisringförmige Stirnseiten. Die dem
ersten Rohrabschnitt 40 zugewandte Stirnseite des Expansionsraums 2 ist
von dem zweiten Flansch 26 gebildet. Die dem zweiten Rohrabschnitt 42 zugewandte Stirnseite
des Expansionsraums 2 ist von dem Dichtungsflansch 12 gebildet.
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Der äußere Mantel
des Expansionsraums 2 ist von dem zweiten Wellrohr 4 gebildet.
Als äußerer Mantel
wird hier die Fläche
bezeichnet, welche den Expansionsraum 2 in radialer Richtung
nach außen hin
begrenzt.
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Der
innere Mantel des Expansionsraums 2 ist hier von dem dritten
Wellrohr 14 gebildet. Bei einer Ausführungsform ohne das dritte
Wellrohr 14, wie weiter oben beschrieben, ist der innere
Mantel des Expansionsraums 2 von der Oberfläche des Expansionsrohres 22 gebildet.
Als innerer Mantel wird hier die Fläche bezeichnet, welche den
Expansionsraum 2 in radialer Richtung nach innen hin begrenzt.
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Die
Durchmesser der Wellrohre 4, 6, 14 sind dabei
so gewählt,
dass die Fläche
einer kreisförmigen
Stirnseite des Kompensationsraums 8 annähernd gleich der Fläche einer
ringförmigen
Stirnseite des Expansionsraums 2 ist.
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Die
Stirnseiten des Kompensationsraum 8 können anstelle der Kreisform
auch eine andere Form aufweisen, beispielsweise die eines Ovals,
eines Dreiecks, eines Vierecks oder eines anderen Polygons. Entsprechend
können
die Stirnseiten des Expansionsraums 2 anstelle der Kreisringform
eine andere Form aufweisen. Die Fläche einer Stirnseite des Kompensationsraums 8 ist
in jedem Fall annähernd gleich
der Fläche
einer Stirnseite des Expansionsraums 2.
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Ein
Verbindungselement 10 fixiert den ersten Flansch 24 und
den Dichtungsflansch 12. Der Abstand zwischen dem ersten
Flansch 24 und dem Dichtungsflansch 12 ist somit
konstant. Der zweite Flansch 26 ist relativ zu dem ersten
Flansch 24 und relativ zu dem Dichtungsflansch 12 beweglich.
Das Expansionsrohr 22 ist damit relativ zu dem Dichtungsflansch 12 beweglich.
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Der
Kompensationsraum 8 und der Expansionsraum 2 sind
somit von dem Verbindungselement 10 zusammen gehalten.
Das Verbindungselement 10 ist beispielsweise als Klammer
oder als Spangenkonstruktion ausgeführt. Auch eine mit dem ersten Flansch 24 und
den Dichtungsflansch 12 verschraubte Gewindestange ist
denkbar.
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In
der gezeigten Darstellung ist nur ein Verbindungselement 10 dargestellt.
Zur Erhöhung
der Stabilität
können
auch mehrere Verbindungselemente 10 entlang des Umfangs
der Flansche 12, 24 angebracht werden. Wenn diese
Verbindungselemente 10 miteinander verbunden sind, ist
die Stabilität
der Kompensationsvorrichtung weiter erhöht. Das Verbindungselement 10 kann
auch als Kapselung ausgebildet sein und die Flansche 12, 24 umfänglich umschließen.
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Erfolgt
eine Längenänderung
der Rohrleitung 20, beispielsweise eine Ausdehnung bedingt durch
eine Erwärmung,
so bewegen sich der erste Rohrabschnitt 40 und der zweite
Rohrabschnitt 42 aufeinander zu. Dabei drückt das
Expansionsrohr 22 den zweiten Flansch 26 in Richtung
auf den ersten Flansch 24 zu.
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Das
Volumen des Kompensationsraums 8 wird dadurch verkleinert,
während
das Volumen des Expansionsraums 2 vergrößert wird. Dabei strömt in dem
Kompensationsraum 8 befindliches Gas durch die Verbindungskanäle 18 in
den Expansionsraum 2.
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Die
Volumenabnahme des Kompensationsraums 8 entspricht dabei
etwa der Volumenzunahme des Expansionsraums 2. Die Summe
der Volumina des Kompensationsraums 8 und des Expansionsraums 2 bleibt
annähernd
gleich. Das Volumen im Inneren des Expansionsrohres 22 bleibt
konstant.
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In
dem Kompensationsraum 8 und in dem Expansionsraum 2 herrscht
dabei ständig
der gleiche Gasdruck.
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Dieser
Gasdruck in dem Kompensationsraum 8 übt auf den zweiten Flansch 26 und
damit auf das Expansionsrohr 22, welches mit dem zweiten Flansch 26 fest
verbunden ist, eine Kraft in axialer Richtung aus, und zwar in Richtung
auf den zweiten Rohrabschnitt 42 hin.
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Der
Gasdruck in dem Expansionsraum 2 übt auf den zweiten Flansch 26 und
damit auf das Expansionsrohr 22 eine gleichgroße Kraft
in entgegen gesetzter Richtung aus, nämlich von dem zweiten Rohrabschnitt 42 weg.
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Diese
beiden auf den zweiten Flansch 26 wirkenden Kräfte heben
sich gegenseitig auf. Die aus diesen Kräften resultierende Kraft ist
null. Auf das Expansionsrohr 22 und auf den zweiten Rohrabschnitt 42 der
Rohrleitung 20 wirkt keine durch den Gasdruck in dem Kompensationsraum 8 und
in dem Expansionsraum 2 bedingte resultierende axiale Kraft.
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Der
Gasdruck in dem Kompensationsraum 8 übt weiterhin auf den ersten
Flansch 24 eine Kraft in axialer Richtung aus, und zwar
in Richtung auf den ersten Rohrabschnitt 40 hin.
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Ebenso übt der Gasdruck
in dem Expansionsraum 2 auf den Dichtungsflansch 12 eine
gleichgroße
Kraft in entgegen gesetzter Richtung aus, nämlich von dem ersten Rohrabschnitt 40 weg.
Diese auf den Dichtungsflansch 12 wirkende Kraft wird durch
das Verbindungselement 10 auf den ersten Flansch 24 übertragen.
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Auch
diese beiden Kräften
heben sich gegenseitig auf. Die aus diesen Kräften resultierende Kraft ist
null. Auf den ersten Rohrabschnitt 40 der Rohrleitung 20 wirkt
keine durch den Gasdruck in dem Kompensationsraum 8 und
in dem Expansionsraum 2 bedingte resultierende axiale Kraft.
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Die
durch den Gasdruck in dem Kompensationsraum 8 auf den ersten
Flansch 24 in Richtung auf den ersten Rohrabschnitt 40 hin
ausgeübte
Kraft sowie die durch den Gasdruck in dem Expansionsraum 2 auf
den Dichtungsflansch 12 in Richtung von dem ersten Rohrabschnitt 40 weg
ausgeübte
Kraft wirken auf das Verbindungselement 10. Das Verbindungselement 10 erfährt dadurch
eine Zugbeanspruchung. Das Verbindungselement 10 ist entsprechend steif
ausgeführt,
so dass es durch diese Zugbeanspruchung keine Verformung erfährt.
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Der
Expansionsraum 2 und der Kompensationsraum 8 sind
also derart angeordnet und mit dem Verbindungselement 10 zusammen
gehalten, dass die aufgrund des Gasdrucks in dem Expansionsraum 2 in
axialer Richtung wirkende Kräfte
und die aufgrund des Gasdrucks in dem Kompensationsraum 8 in
axialer Richtung wirkende Kräfte
sich gegenseitig aufheben.
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In
dem hier dargestellten Beispiel sind drei Wellrohre 4, 6, 14 vorgesehen.
Anstelle eines Wellrohres ist auch eine andere Ummantelung für den Kompensationsraum 8 oder
den Expansionsraum 2 denkbar, beispielsweise ein Faltenbalg.
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Die
gewählte
Ummantelung muss in radialer Richtung starr sein und somit eine
Ausdehnung des Kompensationsraums 8 sowie des Expansionsraums 2 in
radialer Richtung verhindern. In axialer Richtung muss die gewählte Ummantelung
flexibel sein und eine Verformung in axialer Richtung zulassen.
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In
diesem Beispiel ist ein einziger Expansionsraum 2 vorgesehen,
welcher konzentrisch um das Expansionsrohr 22, beziehungsweise
um den zweiten Rohrabschnitt 42 herum angeordnet ist. Anstelle
eines solchen einzigen Expansionsraums ist es auch denkbar, mehrere
Expansionsräume
vorzusehen, die nebeneinander angeordnet sind und die miteinander
und/oder mit dem Kompensationsraum 8 durch Verbindungskanäle und/oder
Schläuche
verbunden sind. Die Stirnseiten dieser Expansionsräume können dabei
eine beliebige Form aufweisen, beispielsweise die eines Kreises,
eines Ovals, eines Dreiecks, eines Vierecks oder eines anderen Polygons.
Die Fläche
einer Stirnseite des Kompensationsraums 8 ist in jedem
Fall annähernd
gleich der Summe der Flächen
je einer Stirnseite der Expansionsräume.
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In
dem hier gezeigten Beispiel herrscht in der Rohrleitung 20 sowie
in dem Expansionsraum 2 und in dem Kompensationsraum 8 ein Überdruck,
das heißt,
der Druck im Inneren ist höher
als der umgebende Luftdruck. Die erfindungsgemäße Kompensationsvorrichtung
ist aber auch auf Rohrleitungen anwendbar, in welcher ein Unterdruck
herrscht, beispielsweise ein Vakuum. In diesem Fall herrscht in dem
Expansionsraum 2 sowie in dem Kompensationsraum 8 ebenfalls
ein Unterdruck.
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Im
dem Fall, dass in dem Expansionsraum 2 sowie in dem Kompensationsraum 8 ein
Unterdruck herrscht, erfährt
das Verbindungselement 10 eine Druckbeanspruchung. Das
Verbindungselement 10 ist dann entsprechend steif ausgeführt, so
dass es durch diese Druckbeanspruchung keine Verformung erfährt.
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- 2
- Expansionsraum
- 4
- zweites
Wellrohr
- 6
- erstes
Wellrohr
- 8
- Kompensationsraum
- 10
- Verbindungselement
- 12
- Dichtungsflansch
- 14
- drittes
Wellrohr
- 18
- Verbindungskanäle
- 20
- Rohrleitung
- 22
- Expansionsrohr
- 24
- erster
Flansch
- 26
- zweiter
Flansch
- 30
- erster
Schottisolator
- 32
- zweiter
Schottisolator
- 40
- erster
Rohrabschnitt
- 42
- zweiter
Rohrabschnitt