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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum peripheren Einfrieren
des Inhalts von flüssigkeitsführenden
Rohrleitungen unterschiedlichen Durchmessers unter Verwendung eines
Kältemittels
mittels einer wärmeisolierten
Kunststoffmanschette, die aus zwei einen Rohrleitungsabschnitt gänzlich umschließenden Halbschalen
ausgebildet ist, wobei an der Kunststoffmanschette mindestens ein
Hohlraum zur Aufnahme des Kältemittels
vorgesehen ist.
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Zur
Reparatur und Installationsarbeiten von/an Rohrleitungen erlauben
derartige Vorrichtungen das automatisch kontrollierte Einfrieren
der in einer Rohrleitung befindlichen Flüssigkeit ohne die Notwendigkeit, die
Rohrleitung vor der Reparatur zu entleeren, wodurch sich Reparaturen
und Installationsarbeiten in kritischen Bereichen schnell durchführen lassen.
Wo der Dauerbetrieb von Wasser- oder
anderen Flüssigkeitssystemen
nicht unterbrochen werden darf, können diese Systems aufgebaut,
die Reparatur oder der Austausch durchgeführt und die Rohrleitung – in einem
Bruchteil der zum kompletten Entleeren eines Systems benötigten Zeit – wieder
in Normalbetrieb genommen werden. Hierzu wird die flüssigkeitsführende Rohrleitung
an einem bestimmten Abschnitt nahe der Reparaturstelle unter Verwendung
eines Kältemittels
mittels einer Manschette ganz oder teilweise umschlossen und peripher
eingefroren.
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Aus
dem Stand der Technik sind Vorrichtungen zum Einfrieren von Rohrleitungen
bzw. Rohrleitungsabschnitten in zahlreichen Ausführungen bekannt, wovon letztlich
zwei wesentliche Modelle voneinander zu unterscheiden sind:
Gemäß der ersten
Ausführung
sind solche Vorrichtungen bekannt, die die Rohrleitungen nahezu
komplett umschließen.
FR94489E ,
DE4227874C1 und
DEOS390502A9 beschreiben
Manschetten, die aus halbschalenförmigen Gehäuseteilen bestehen. Wegen der
relativ hohen Elastizität
dieser Manschetten hat man die Möglichkeit,
diese in einem Bereich von bis zu 360° um die Rohrleitung zu spannen.
Das Kältemittel
(z. B. flüssige Kohlensäure, flüssiger Stickstoff,
flüssiges
Kohlendioxid) wird als Wärmeträger über einen
Kältemitteleingang auf
der einen Seite des Gehäuses
in das innere der Manschette eingespritzt und bewirkt beim Einfrieren
eine Phasenverschiebung vom flüssigen
in gasförmigen
Zustand, so dass das Kältemittel über eine
Austrittsöffnung auf
der anderen Seite der Manschette wieder an die Atmosphäre austritt.
Neben den umwelttechnischen Aspekten (CO2-Ausstoß etc.) besteht der Nachteil
dieser Ausführungen
darin, dass sie trotz eines relativ hohen Einsatzes von Kältemitteln
nur einen geringen Wirkungsgrad erzielen. Einen weiteren Nachteil
betrifft das hohe Tragegewicht der Flüssiggas-Flaschen und ferner
der Umstand, dass während
der Arbeit Flüssiggas
unerwartet ausgehen könnte.
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Die
zweite Variante betrifft die Möglichkeit,
Rohrleitungen mittels des Einsatzes eines Kältemittelaggregats einzufrieren,
welches in einem geschlossenen Kältemittelkreislauf
bei gleichseitiger Anwendung eines Aluminium Gefrierkopfes arbeitet
(siehe
DE19617619C2 ;
DE19960126A1 ).
Diese Gefrierköpfe
sind in der Regel diametral mit entsprechenden Vertiefungen versehen,
die dem halben Umfang der üblichen
Rohrdurchmesser entsprechen. Im Inneren des Gefrierkopfes befindet
sich ein Hohlraum, in dem Kältemittel
verdampft und den Gefrierkopf entsprechend unterkühlt. Zum
Einfrieren hat man hier den Gefrierkopf „nackt” auf die Rohrhälfte geklemmt.
Der Hohlraum im Gefrierkopf wird über einen Kältemittelschlauch (mit Kapillarrohr)
direkt mit einem elektrisch (220 V) betriebenen Kältemittelaggregat
verbunden. In dieser Anwendung treten keine Gase nach draußen. Der
Nachteil dieser Einfriertechnik besteht darin, dass bei dem Wär meaustausch
viel Wärme
an die Umgebung verloren geht, da die Rohrleitungen nur um eine
Rohrhälfte
umschlossen sind. In Folge dessen sind die Einfrierzeiten verhältnismäßig hoch,
vor allem bei größeren Rohrdurchmessern.
Der Bereichs des Rohrumfangs, der nicht umschlossen ist durch den
Gefrierkopf, wird lediglich durch die Konvektionsübertragung
der entstandenen Wärme
vom Gefrierkopf eingefroren und bewirkt einen entsprechend höheren Zeit-
und Energieaufwand als eine theoretisch komplette Rohrumschließung nach
den obigen Ausführungen.
Ein großer
Teil der eingesetzten Energie kommt daher nicht dem Einfrieren zu
Gute, sondern wird an die Umgebung abgegeben.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung
zum Einfrieren von Rohrleitungen zu schaffen, die die oben genannten
Nachteile beseitigt. Die Erfindung bezweckt den gesamten Einfriervorgang
wesentlich zu optimieren und/oder zu verbessern in Hinblick auf
den Zeitaufwand des Einfrierens und den Verbrauch an Energie, indem
die entstehende Kälteentwicklung
im Gefrierkopf zu nahezu 100% an die Rohrleitungsoberfläche weitergeleitet
wird.
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Erfindungsgemäß wird die
voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
ist eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet,
dass die Halbschalen innen beidseitig Kühlkörper aus Aluminium aufweisen,
die aus halbkreisförmigen
Abschnitten bestehen und so ausgebildet sind, dass sie sowohl Rohrleitungsabschnitt
als auch den mindestens einen Hohlraum nahezu umfassend umschließen. Ferner
sollten die Halbschalen aus Kunststoff gefertigt sein und eine hohe
Wärmedämmungseigenschaft
sowie eine hohe Widerstandfähigkeit
im Hinblick auf die erzeugte Niedrigtemperatur aufweisen.
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Beim
Einsatz dieser neu entwickelten Kunststoffmanschette haben die Halbschalen
gleichseitig die Funktion, als Kältebrücke zu fungieren.
Der wesentliche und entscheidende Vorteil der vorgeschlagenen Vorrichtung
besteht somit darin, dass die beiden Aluminium-Kühlkörper sowie
der Gefrierkopf in einer äußerlich alles
umfassenden Kunststoffmanschette integriert und somit nahezu vollständig von
der Außenluft
isoliert innerhalb der wärmeisolierenden
Kunststoffschicht der beiden Halbschalen angeordnet sind. Durch
die hohe Wärmedämmungseigenschaft
des sowohl Rohr und Gefrierkopf umgebenden Kunststoffes wird mittels
der vorgeschlagenen Integration bei der Wärmeübertragung im Gefrierkopf ein übermäßiger Wärmeverlust
nach draußen
minimalisiert. Der Einfriervorgang wird hierdurch trotz geringeren
Energieeinsatzes deutlich beschleunigt.
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Weitere
Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten Vorrichtung ergeben
sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder
bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von der Zusammenfassung
in einzelnen Ansprüchen
oder deren Rückbeziehung.
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In
den Zeichnungen zeigen
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1 die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum peripheren Einfrieren des Inhalts von flüssigkeitsführenden Rohrleitungen 2 in
einer bevorzugten Ausführung,
teilweise aufgebrochen, wobei die in der 1 (Schnitt A/Schnitt
B) dargestellten Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b zur
Veranschaulichung zwei unterschiedliche Rohrgrößen aufweisen,
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2 die
Vorrichtung wie in 1 in der Seitenansicht,
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3 die
Kunststoffmanschette 1 als (Festklemm-)Zange.
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Wie
aus 1 ersichtlich, besteht die Kunststoffmanschette 1 aus
zwei gleichen Kunststoffhalbschalen 10a und 10b,
in die innen beidseitig die Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b sowie
ein Gefrierkopf 30 im Hohlraum 30 integriert sind.
Die Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b werden
an einer Seite der Kunststoffmanschette 1 mittels der Scharnierkonstruktion 40 fest
miteinander verbunden. Die Scharnierkonstruktion 40 besteht
vorzugsweise aus zwei Teilen, den Gewerben 41, die unlösbar mit
einem Stift 42 verbunden sind. Als Material für die Gewerbe 41 und
den Stift 42 kann Stahl, Edelstahl oder vorzugsweise Messing
verwendet werden.
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Abweichend
dieser Ausführung
können
auch mehrere Hohlräume 31 bzw.
Gefrierköpfe 30 innerhalb der
Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b nebeneinander
oder übereinander
angeordnet sein. In diesem Fall weisen die Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b statt
zwei drei oder mehr halbkreisförmige
Vertiefungen 21a und 21b auf.
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Auf
der gegenüberliegenden
Seite des Gelenks 40 werden die Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b mittels
eines reversiblen Verbindungselements 50 verspannt. Als
Verbindungselement 50 kommen jegliche Arten von kraftschlüssigen (Schrauben,
Klemmen) oder formschlüssigen
(z. B. Schnapp-)Verbindungen in Betracht, sofern diese lösbar ausgestaltet
sind und eine gewisse Festigkeit aufweisen, die geeignet ist, die
Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b mit den integrierten
Aluminium-Kühlkörpern 20a und 20b im
Bereich der Vertiefungen 21a und 21b auf dem Rohrleitungsabschnitt
haltend zu fixieren.
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In
die entsprechenden Vertiefungen 11a und 1lb der
Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b werden die Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b in
vorteilhafter Ausführung
während
des Spritzgussverfahrens in Größe und Form
entsprechend der in Tabelle 1 aufgeführten Rohrmaße irreversibel
eingebettet. Durch die feste Einbindung der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b in
die wärmeisolierten
Kunststoff- Halbschalen
kann eine hohe Wärme-/Kälteisolierung
nach außen
gewährleistet
werden. Außerdem
erleichtert die feste Einbettung der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b eine
einfachere Handhabung und hohe Stabilität der Gesamtmanschette.
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Die
entsprechenden Vertiefungen 22a und 22b der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b sind
vorgesehen für
die Aufnahme des Gefrierkopfes 30. Durch die Einbindung
und erfindungsgemäße Anordnung
des Gefrierkopfes 30 innerhalb der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b,
die diesen nahezu komplett umgeben, wird gewährleistet, dass während des
gesamten Einfriervorgangs nahezu der gesamte Kältefluss im Gefrierkopf auf die
Rohrleitungsoberfläche 2 weitergeleitet
wird.
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Es
sind gemäß der folgenden Übersicht
(Tabelle 1) insgesamt 10 × 2
Größen von
Kunststoffmanschetten
1 vorgesehen. Hierbei sind die Halbschalenmaße ausschlaggebend
für die
Anfertigung der Kunststoff-Halbschalen
10a und
10b bzw.
dessen Vertiefungen
11a und
11b sowie der Aluminium-Kühlkörper
20a und
20b und
dessen Vertiefungen
21a und
21b, da je nach Ausmaß der Radien
der Vertiefungen
21a und
21b auch die Größe der Kunststoff-Halbschalen
10a und
10b und
dessen Vertiefungen
11a und
11b sowie auch der
Aluminium-Kühlkörper
20a und
20b variiert. Tabelle
1
| Nr. | Kühlkörper (Innendurchmesser) | Rohrmaße (Außendurchmesser) |
| | Zoll | mm | Fe | mm | Cu |
| Zoll | mm |
| 10 | 2'' | 60,3 | 2'' | 60,3 | 60 |
| 9 | | 54 | | 54 | |
| 8 | 1½'' | 48,3 | 1½'' | 48,3 | |
| 7 | 1¼'' | 42,4 | 1¼'' | 42,4 | 42 |
| 6 | 1'' | 35 | 1'' | 35 | 33,7 |
| 5 | ¾ | 28 | ¾ | 28 | 28 |
| 4 | ½'' | 22 | ½'' | 22 | 21,3 |
| 3 | 3/8'' | 18 | 3/8'' | 18 | 17,2 |
| 2 | ¼'' | 15 | ¼'' | 15 | 13,5 |
| 1 | 1/8'' | 12 | 1/8'' | 12 | 10,2 |
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Um
auch die übrigen
Rohrdurchmesser einfrieren zu können,
ist weiterhin vorgesehen, dass die Unterschiede von Rohrmaß und gegebenen
Halbschalenmaß der
Vertiefungen 21a und 21b in dem Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b mittels
Eingabe einem diesen Zwischenraum füllenden wasserähnlichen
Fluid beim Einfrieren ausgeglichen werden. Ferner wird hierdurch
der Kältefluss
zwischen Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b und
einzufrierender Rohrleitung zusätzlich
optimiert. So kann bspw. bei einer Rohrgröße 7 sowohl das Zollmaß 1¼'' = 42,4 mm als auch das Kupferrohrmaß von 42
mm eingefroren werden.
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Die
Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b sollten
bei den angegebenen unterschiedlichen Weiten in jedem Fall eine
Wandstärke
aufweisen, die gewährleistet,
dass der Wärmetransport über die
ganze Peripherie des Rohres beim Einfrierprozess gleichmäßig schnell
verteilt wird.
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Vorzugsweise
sind an der Kunststoffmanschette 1 die Öffnungen 60a und 60b vorgesehen,
um ebenfalls während
des Einfrierens mit dem wasserähnlichen
Fluid den Zwischenraum zu benetzen, wodurch der Kältefluss
zwischen Aluminium Kühlkörper 20a und 20b und
einzufrierender Rohrleitung zusätzlich
optimiert wird, wobei im Hinblick auf Energieaufwand und Einfrierzeit
des Rohrleitungsabschnitts eine Optimierung des Einfrierens erzielt
wird.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Installation der Kunststoffmanschette wie folgt: Zunächst wird
in die Vertiefungen 21a und 21b der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b der
vorzugsweise reversibel anzuordnende Gefrierkopf 30 eingelegt.
Im weiteren Verlauf wird die Kunststoffmanschette 1 bzw.
werden die Kunststoffmanschetten 1 um das abschnittsweise
einzufrierende Rohr 2 verlegt und mittels des reversiblen
Verbindungselements 50 um das Rohr verklemmt. Dass Kältemittelaggregat
ist mit je einem Gefrierkopf 30 fest verbunden mittels
flexibler Kältemittelschläuche 32.
Vorzugsweise ist das Verbindungselement 50 als Schraubverbindung ausgestaltet,
um eine optimale Umklemmung um das Rohr mit einer hohe Oberflächenspannung
zwischen der Rohroberfläche 2 und
den beiden Aluminium-Kühlkörpern 20a und 20b mit
den Vertiefungen 21a und 21b sowie eine optimale
Wärmübertragung
zu erzielen.
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Das
Material des Gefrierkopfes 30 sollte in bevorzugter Ausführung dieselben
Wärmeleitfähigkeitseigenschaften
aufweisen wie die Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b.
Die Form des Gefrierkopfes 30 ist vorzugsweise rund oder
oval ausgebildet. Es sind jedoch auch andere Formen des Gefrierkopfes 30 in
vier-, sechs- oder achteckiger Form mit oder ohne abgerundete Ecken
denkbar, sofern sie eine optimale Übertragung gewährleisten.
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Im
Zentrum des Gefrierkopfes 30 ist ein Hohlraum 31 vorgesehen,
der ungefähr
80% des Gesamtvolumens des Gefrierkopfes 30 ausmacht. Dieser
Hohlraum 31 sorgt während
der Kältemittelexpansi on
durch das eingebrachte Kältemittel
für den
Wärmetransport
in Richtung der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b und anschließend zum
Rohrleitungsabschnitt 2. Der Hohlraum 31 wird
an einer Seite verriegelt durch den Deckel 33 und anschließend verschlossen
mittels eines Aluminium-Schweißverfahrens
(Aluminium-Schweißnaht (36)).
Dieser Deckel 33 hat in etwa die gleiche Wandstärke und
weist das gleiche Material auf wie Gefrierkopf 30 und Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b.
Auf der gegenüberliegenden
Seite vom Gefrierkopf 30 wird ein Anschluss 35 hergestellt,
mit einem Spezialgewinde, welcher üblicherweise in der Kältetechnik
verwendet wird und für
den Anschluss 35 der Kältemittelschläuche 32 dient
(siehe 2).
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An
der Anschlussstelle des Schlauches 32 ist ein kapillarartiges
Rohr 35 in einer bestimmten Tiefe in den Hohlraum 31 eingeführt, so
dass das unter hohem Druck stehende Kältemittel im Hohlraum 31 expandieren
kann. Die anschließende
Verdampfung des Kältemittels
auf der ganzen Innenoberfläche
des Hohlraums 31 im Gefrierkopf 30 erzeugt durch
die hohe Wärmeleitfähigkeit
des Aluminiums einen optimalen Wärmeaustausch
in Richtung der Aluminium-Kühlkörper 20a und 20b und
wird anschließend
weitergeführt
in Richtung des einzufrierenden Rohrleitungsabschnitts 2,
wobei das Fluid im Rohr einfriert und die komplette Rohrleitung blockiert.
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Im
weiteren Kältemittelverlauf
werden die entstehenden Kühlmitteldämpfe im
Hohlraum 31 wiederum durch den Saugdruck des Kompressors
um das kapillarartige Rohr 34 herum abgeführt. Anschließend erreichen
die Kühlmitteldämpfe in
dem geschlossenen Kältemittelkreis
wiederum den Kompressor im Kältemittelaggregat,
wo diese verdichtet werden und der Kreislauf sich schließt und anschließend wiederholt.
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Der
Kältemittelschlauch 32 sollte
ausreichend flexibel ausgestaltet sein, um die Arbeit für den Fachmann
in der Handhabung zu vereinfachen. Der Innendurchmesser des Schlauches 32 sollte
so be messen sein, dass sowohl das kapillarartige Rohr 34 aufgenommen
als auch ferner genügend
Rauminhalt geschaffen wird, um die Kühlmitteldämpfe außerhalb des kapillarartige
Rohrs 34 wiederum in Richtung des angeschlossenen Kompressors
im Kälteaggregat
zurückführen zu
können.
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Wie 3 zeigt,
ist die Kunststoffmanschette 1 in einer besonders vorteilhaften
Ausführung
als (Festklemm-)Zange ausgestaltet. Hierbei bilden die Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b ein
zweischenkliges Greifwerkzeug. Unterhalb der Scharnierkonstruktion 40,
welche als Gelenk 40 ausgestaltet ist, sind die Griffe 60 angeordnet,
so dass im Sinne des Hebelprinzips die zwei zweiseitigen Hebel (Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b und
Griffe 60) miteinander durch das Gelenk 40 verbunden
sind. Die Griffe 60 sind dabei vorzugsweise so ausgestaltet,
dass diese die längeren
Hebelarme, und die kürzeren
Hebelarme (Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b)
den Zangenkopf bilden, der das Rohrleitungsstück 2 umklammert. Je
länger
die Griffe 60 ausgestaltet sind, je weniger Kraft muss
der Anwender zum Öffnen
der Zange für
die Gesamtumklemmung mit der Hand aufwenden.
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Die
Umklemmung des Rohrleitungsabschnitts 2 kann dabei auf
unterschiedliche Weise erfolgen. In einer vorteilhaften Ausführung ist
am Gelenk 40 eine Feder 43 vorgesehen, mittels
der die Kunststoff-Halbschalen 10a und 10b zusammengedrückt werden.
Hier gibt allein die Feder 43 im Gelenk 40 vor,
mit welchem Druck das Rohr umschlossen wird, wodurch die Installation
der Kunststoffmanschette 1 erheblich erleichtert wird.
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Statt
einer Feder 43 kann auch ähnlich dem Prinzip einer Gripzange
ein Klemmmechanismus Anwendung finden, mit dem die Kunststoffmanschette
in einer bestimmten Position am Rohr festgeklemmt wird. Aufgrund
der Kniehebel-Mechanik ließen
sich mit diesem Zangentyp sehr hohe Kräfte aufbringen. Durch den Klemmeffekt braucht
man bis zu einem gewissen Grad die Zange nicht zuzudrücken, sondern
nur die gewünschte
Bewegung auszuführen,
was die Installation erheblich erleichtert. Gelöst werden kann die Zange, indem
man einen vorgesehenen Hebel zurückdrückt, welcher
wiederum den Totpunkt überwindet
und das Rohrleitungsstück
freigibt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
beschränkt
sich in ihrer Ausführung
nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Vielmehr sind eine Vielzahl von Ausgestaltungsvariationen denkbar,
welche von der dargestellten Lösung
auch bei grundsätzlich
anders gearteter Ausführung
Gebrauch machen.
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- A
- Längsschnitt
- B
- Längsschnitt
(Rohrmaß kleiner
als in A)
- A-A
- Querschnitt
A
- B-B
- Querschnitt
B
- 1
- Kunststoffmanschette
- 2
- Rohrleitungsabschnitt
- 10a
- Kunststoff-Halbschale
- 10b
- Kunststoff-Halbschale
- 11a
- Vertiefung
in 10a
- 11b
- Vertiefung
in 10b
- 20a
- Aluminium-Kühlkörper
- 20b
- Aluminium-Kühlkörper (Rohrmaß kleiner
als 20a)
- 21a
- Vertiefung
in 20a
- 21b
- Vertiefung
in 20b
- 22a
- Vertiefungen
in 20a für 30
- 22b
- Vertiefungen
in 20b für 30
- 30
- Gefrierkopf
- 31
- Hohlraum
- 32
- flexibler
Kältemittelschlauch
- 33
- Deckel
- 34
- kapillarartiges
Rohr
- 35
- Anschluss
- 36
- Aluminium-Schweißnaht
- 40
- Scharnierkonstruktion/Gelenk
- 41
- Gewerben
- 42
- Stift
- 43
- Feder
- 50
- reversibles
Verbindungselement
- 60
- Griffe
- 60a,
60b
- Öffnungen