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Einleitung
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Die Erfindung betrifft ein Doppelrohr mit einer Längsachse, einem Innenrohr und einem Außenrohr, die zwischen sich einen abgeschlossenen gasgefüllten Zwischenraum begrenzen und mit an zwei entgegengesetzten Enden des Doppelrohrs angeordneten Endadaptern, an die jeweils das Außenrohr und das Innenrohr dicht angeschlossen sind. Der Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr besitzt einen ringförmigen Querschnitt und kann beispielsweise mit Luft gefüllt sein. Dadurch, dass der Zwischenraum an den beiden Enden des doppelwandigen Rohres durch die Endadapter verschlossen ist, besitzt das Doppelrohr einen Durchgangsquerschnitt, der lediglich dem Innendurchmesser des Innenrohres entspricht.
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Stand der Technik
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Doppelrohre der vorgenannten Art sind allgemein bekannt und zeichnen sich insbesondere durch eine gute Isolierwirkung aus, die auf den gasgefüllten Zwischenraum zurückzuführen ist. Beispielsweise werden Doppelrohre, also doppelwandige Rohre, zum Transport von thermischer Energie zur Bereitstellung von Fernwärme genutzt, wobei der Ringzwischenraum zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr zur Steigerung der Isolierwirkung ausgeschäumt ist. Ferner werden doppelwandige Rohre auch dort eingesetzt, wo eine Leckabsicherung erforderlich ist.
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Auch bei der regenerativen Erdwärmerückgewinnung spielt die Isolierung der ein Trägermedium führenden Rohrleitungen eine wichtige Rolle, da sie den Wirkungsgrad der Erdwärmesonde stark beeinflusst. Herkömmliche Rohre, wie PE- Rohre, die als Erdwärmesonden bis zu einer Tiefe von etwa 400 m eingesetzt werden, werden deshalb entweder mit einer Wärmedämmung ummantelt, wie beispielsweise gemäß der
DE 20 2007 006 682 U1 , oder aber mit einer Bentonit-Suspension umgeben. Ferner ist aus der
DE 30 33 255 A1 bekannt, die Isolierung durch ein doppelwandiges Innenrohr mit einem freien Zwischenraum zu verbessern.
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Weitere Möglichkeiten, den Wirkungsgrad einer Wärmerückgewinnungsanlage beziehungsweise die thermische Isolierung von Förderrohren zu erhöhen, werden in der
DE 20 2008 012 055 U1 beziehungsweise
AT 404 386 B und
DE 20 2005 011 321 U1 beschrieben.
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Allerdings wirken auf die als Erdwärmesonde verwendeten Rohre äußerst hohe Zug- und Druckkräfte, insbesondere bei Bohrungstiefen von bis zu 2500 m, bei denen ein Außendruck von 250 bar am Fuße der Bohrung vorliegt. Darüber hinaus resultieren aus Temperaturunterschieden von etwa 50°C Spannungen in den Rohren.
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Aufgabe
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Folglich ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Doppelrohr bereit zu stellen, das sich neben seiner guten Isoliereigenschaften durch eine hohe Zug- und Druckfestigkeit auszeichnet und für die Verwendung im Bereich der Geothermie geeignet ist.
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Lösung
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Ausgehend von dem eingangs beschriebenen Doppelrohr wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass sowohl das Außenrohr als auch das Innenrohr aus faserverstärktem Kunststoff, vorzugsweise aus gewickelten Fasern, die in ausgehärtetem Kunststoffharz eingebettet sind, bestehen und dass in Richtung der Längsachse betrachtet zwischen den Endadaptern und in radiale Richtung betrachtet in dem Zwischenraum mindestens ein Stützelement angeordnet ist, das sich sowohl an einer äußeren Mantelfläche des Innenrohres als auch an einer inneren Mantelfläche des Außenrohres in kraftübertragender Weise abstützt.
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Faserverstärkte Kunststoffe besitzen eine hohe Bruchfestigkeit und weisen eine hohe Elastizität und gute Wärmedämmeigenschaften auf. Darüber hinaus sind faserverstärkte Kunststoffe gegenüber Stahl leichter und resistenter in Bezug auf chemische Einflüsse. Folglich kann das erfindungsgemäße doppelwandige Rohr einer sehr hohen Belastung im Hinblick auf Zug- und Druckkräfte standhalten und ist bezüglich seiner Isolierwirkung optimiert. Als Fasern zur Herstellung des Kunststoffs können beispielsweise Kevlar®-Fasern, Glasfasern oder Kohlefasern verwendet werden.
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Die Anordnung von mindestens einem Stützelement zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr erhöht des weiteren die Stabilität eines bis zu 6 m langen Doppelrohres, das vorzugsweise bereits im Werk zusammengesetzt wurde, indem das Innenrohr mit den Stützelementen verklebt wird und anschließend das Außenrohr darauf aufgeschoben wird. Ein erfindungsgemäßes Doppelrohr erhält man schließlich, nachdem das Innen- und Außenrohr mit den beiden Endadaptern verklebt wurde.
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Bei Erdwärmesonden unterscheidet man zwei Bauformen. Zunächst einmal kann eine Erdwärmesonden-Rohranordnung aus zwei Rohren bestehen, die parallel nebeneinander verlaufen und die am Fuße der Erdbohrung über ein Verbindungsstück gekoppelt sind.
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Eines der Rohre dient als Vorlauf, d. h. das zu erwärmende Fluid wird in das Rohr gegeben, und das andere Rohr bildet den Rücklauf, aus dem das erwärmte Fluid gewonnen wird.
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Bei der zweiten bekannten Bauform werden zwei Rohre unterschiedlichen Durchmessers so angeordnet, das deren Längsachsen zusammen fallen und ein Ringraum zwischen den beiden Rohren entsteht, der als Vorlauf genutzt wird. Der Innenraum des kleineren, innen befindlichen Rohres dient dann als Rücklauf.
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Beide der vorbeschriebenen Bauformen können mit den erfindungsgemäßen Doppelrohren ausgeführt werden, wobei bei der ersten Bauform lediglich zwei Doppelrohre nebeneinander angeordnet und am Fuße verbunden werden müssen. Bei der zweiten Bauform muss um ein erfindungsgemäßes Doppelrohr, das dann das innere Rohr bildet, ein zweites Rohr größeren Durchmessers angeordnet werden, wobei hierzu beispielsweise ein einwandiges Stahlrohr dienen könnte.
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Um ein erfindungsgemäßes Doppelrohr mit einer größeren Länge zu erhalten, ist es vorgesehen, dass das Außenrohr aus mindestens zwei Außenrohrabschnitten und das Innenrohr aus mindestens zwei Innenrohrabschnitten zusammengesetzt ist, wobei sowohl benachbarte Außenrohrabschnitte als auch benachbarte Innenrohrabschnitte über einen gemeinsamen Mittenadapter miteinander verbunden sind, an dessen beiden entgegengesetzten Enden jeweils die Innenrohrabschnitte und die Außenrohrabschnitte dicht angeschlossen sind. Vereinfacht gesagt bedeutet dies, dass zwei zuvor beschriebene Doppelrohre verbunden werden, indem an den beiden Doppelrohren jeweils auf einen Endadapter verzichtet wird und an dieser Stelle ein Mittenadapter zur Verbindung der beiden Doppelrohre herangezogen wird. Besitzt ein Doppelrohr beispielsweise eine Länge von etwa 6 m, so erhält man über die vorerwähnte Kopplung ein Doppelrohr von etwa 12 m. Doppelrohre mit einer Länge von etwa 12 m können noch ohne erhöhten Aufwand zu einer Baustelle verfahren und dort gehandhabt werden.
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Vorteilhafterweise weist ein Endadapter und/oder ein Mittenadapter eine zylindrische Sitzfläche für das Außenrohr oder das Innenrohr und eine konische Sitzfläche für das jeweils andere des Innenrohres oder Außenrohres auf. Eine konische Sitzfläche ist gegenüber einer zylindrischen Sitzfläche vorteilhaft, da der Klebstoff zur Verklebung der Bauteile beim Aufeinanderschieben derselben nicht in dem Maße vorgeschoben wird wie bei einer zylindrischen Sitzfläche und somit eine bessere Verklebung der Bauteile erzielt wird. Andererseits ist es im Falle eines doppelwandigen Rohres von Nachteil, wenn der Adapter sowohl an dem Innenrohr als auch an dem Außenrohr an einer konischen Sitzfläche anliegt, weil dann die Gefahr einer Doppelpassung besteht und die Bauteile folglich nicht optimal zusammengefügt sind. Die Kombination einer konischen und einer zylindrischen Sitzfläche zur Anlage des Adapters gewährleistet demnach eine gute Verklebung und eine optimale Passung der Bauteile.
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Es ist ferner von Vorteil, wenn eine äußere Mantelfläche des Außenrohres bündig mit einer äußeren Mantelfläche des Endadapters in einem Verbindungsabschnitt und/oder des Mittenadapters in einem Mittelabschnitt ist, weil das zusammengesetzte Doppelrohr auf diese Weise über seine gesamte Länge eine ebene äußere Mantelfläche aufweist. Diese ebene äußere Mantelfläche ist insbesondere wichtig für eine gleichmäßige Anlage des Doppelrohres im Erdreich oder Gestein, durch die die Gefahr von zusätzlich auftretenden punktuellen Spannungen im Doppelrohr vermieden werden. Wird das erfindungsgemäße Doppelrohr für die zweite vorbeschriebene Bauweise einer Erdwärmesonde als inneres Rohr genutzt, ist die ebene äußere Mantelfläche für eine gleichmäßige Strömung im Vorlauf wichtig.
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Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn eine innere Mantelfläche des Innenrohres bündig mit einer inneren Mantelfläche des Endadapters und/oder des Mittenadapters ist, da auf diese Weise eine gleichmäßige Strömung des Wassers im Rücklauf gewährleistet ist.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Innenrohr eine größere axiale Länge aufweist als das Außenrohr und an beiden Enden axial über das jeweilige Ende des Außenrohres vorsteht, wodurch das Aufschieben eines Mitten- oder Endadapters vereinfacht wird.
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Ist mindestens ein Endadapter mit einem Muffenabschnitt versehen, in den ein Nippelab schnitt eines Verbindungsnippels oder ein Nippelabschnitteines weiteren Doppelrohrs dichtend einschiebbar ist, so können zwei erfindungsgemäße Doppelrohre zur Bildung eines längeren Doppelrohres miteinander verbunden werden. Dergestalt können die erfindungsgemäßen Doppelrohre zu beliebigen Längen zusammengesetzt werden.
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In diesem Zusammenhang ist es insbesondere von Vorteil, wenn zwei miteinander verbundene Doppelrohre formschlüssig so miteinander verbindbar sind, dass ein axiales Entfernen verhindert ist.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die formschlüssige Verbindung von einem flexiblen Riegelstab gebildet ist, der durch eine in dem Muffenabschnitt des Endadapters befindliche Einführöffnung in einen Blockierkanal einschiebbar ist, der sich zwischen dem Muffenabschnitt und dem Nippelabschnitt eines Verbindungsnippels oder dem Nippelabschnitt eines weiteren Doppelrohrs befindet und von umlaufenden sich gegenüberliegenden Nuten in dem Muffenabschnitt und dem Nippelabschnitt begrenzt wird.
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Um die Dichtigkeit der Verbindung zu gewährleisten kann ein Dichtungsring vorgesehen werden, der sich in einem Zwischenraum zwischen dem Muffenabschnitt des Endadapters eines Doppelrohres und dem Nippelabschnitt eines Endadapters eines weiteren Doppelrohres oder eines Verbindungsnippels befindet und vorzugsweise zumindest teilweise in einer umlaufenden Nut in dem Muffenabschnitt und/oder dem Nippelabschnitt angeordnet ist.
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Dabei sollten die Nuten für die Dichtungsringe näher an der jeweils zugeordneten Stirnfläche des Verbindungsnippels angeordnet sein als die Nuten für die Riegelstäbe.
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Hinsichtlich der Stabilität des erfindungsgemäßen Doppelrohres ist es von Vorteil, wenn eine Mehrzahl von Stützelementen äquidistant in Längsrichtung des Doppelrohres verteilt angeordnet ist, wobei sich jeweils ein Stützelement in geringem Abstand zu einem Endadapter und/oder dem Mittenadapter befindet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bestehen die Stützelemente aus faserverstärktem Kunststoff und/oder weisen jeweils einen sich in axiale Richtung über den gesamten Querschnitt des Stützelements erstreckenden Schlitz auf, wodurch sie radial aufweitbar und auf das Innenrohr aufklipsbar sind.
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Wenn die Stützelemente – in axiale Richtung betrachtet – an beiden Enden einen abgeschrägten und/oder abgerundeten Übergangsbereich zwischen einer Stirnfläche und einer äußeren Mantelfläche des Stützelements aufweisen, ist die Montage des Doppelrohres insofern erleichtert, als dass sich das Außenrohr leichter über die Stützelemente schieben lässt. Zwar müsste das Stützelemente hierzu nur auf einer Seite eine Abschrägung aufweisen, jedoch müsste dann darauf geachtet werden, wie rum der Stützring auf das Innenrohr aufgeklebt werden muss.
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In Bezug auf die Festigkeit des Doppelrohres ist es schließlich von Vorteil, wenn das Innenrohr und/oder das Außenrohr in axiale Richtung verlaufende und sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Innenrohres und/oder Außenrohres erstreckende Fasern enthält und des Weiteren wendelförmig gewickelte und einen Winkel zu einer senkrecht zu der Längsachse ausgerichteten Ebene von maximal 3° einschließenden Fasern aufweist, wobei die als parallel verlaufenden Fasern von den wendelförmig gewickelten Fasern umgeben sind und/oder umgekehrt. Hierdurch erfolgt eine Aufteilung beziehungsweise eine Trennung der axialen und der radialen Festigkeit des Doppelrohres, wobei die in Längsrichtung des Doppelrohres verlaufenden Fasern die Zugkräfte und die wendelförmig gewickelten Fasern die Druckkräfte aufnehmen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Figuren dargestellt sind, näher erläutert.
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Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Doppelrohr;
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2 einen Längsschnitt durch zwei verbundene Doppelrohre im Bereich eines Verbindungsnippels,
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3 eine Draufsicht auf die Einführöffnung aus 2,
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4 einen Längsschnitt durch den Verbindungsnippel aus 2 und
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5 einen Längsschnitt durch einen Mittenadapter.
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In der 1 ist ein erfindungsgemäßes Doppelrohr 1 aus glasfaserverstärktem Kunststoff mit einem Innenrohr 2 und einem Außenrohr 3 in einem Längsschnitt dargestellt, wobei aus Platzgründen lediglich ein Ende 4 des Doppelrohrs 1 gezeigt ist. Das Innenrohr 2 und das Außenrohr 3 sind axial zueinander angeordnet, so dass deren Längsachsen 5 zusammenfallen. An seinen beiden entgegengesetzten Enden, von denen nur ein Ende 4 gezeigt ist, ist das Doppelrohr 1 mit jeweils einem Endadapter 6 versehen, an denen sowohl das Innenrohr 2 als auch das Außenrohr 3 dicht angeschlossen sind. Zwischen dem Innenrohr 2 und dem Außenrohr 3 verbleibt ein abgeschlossener Zwischenraum 7, der im Querschnitt kreisringförmig und mit Luft gefüllt ist. Dadurch, dass der Zwischenraum 7 verschlossen ist, weist das erfindungsgemäße Doppelrohr 1 einen Durchgangsquerschnitt 8 auf, der dem Innendurchmesser des Innenrohres 2 entspricht und im vorliegenden Fall ca. 50 mm beträgt.
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Im Zwischenraum 7 sind in einem Abstand von etwa 400 mm Stützelemente 9 in Form von Stützringen 10 aus glasfaserverstärktem Kunststoff angeordnet, die den Zwischenraum 7 in radiale Richtung vollkommen ausfüllen und mit der äußeren Mantelfläche des Innenrohres 2 verklebt sind. Dabei sind die Stützringe 10 geschlitzt und können zum Aufklemmen auf das Innenrohr 2 aufgebogen werden. Die Herstellung des Doppelrohrs 1 erfolgt so, dass zunächst die Stützringe 10 auf das Innenrohr 2 geklemmt werden, wo sie verklebt werden. Anschließend wird das Außenrohr 3 über die Stützringe 10 geschoben, wobei letztgenannte an ihren dem Außenrohr zugewandten Ecken jeweils einen abgeschrägten Übergangsbereich 11 besitzen. Hierdurch wird das Aufschieben des Außenrohrs 3 erleichtert, wobei die Stützringe 10 an beiden Seiten eine Abschrägung aufweisen, damit beim Aufklemmen auf das Innenrohr 2 nicht darauf geachtet werden muss, wie rum die Stützringe 10 aufgeklemmt werden müssen. Die Verwendung von umlaufenden Stützringen 10 ist möglich, da der Zwischenraum 7 nicht zur Förderung von Wasser dient.
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Der Endadapter 6 weist einen Vorsprung 12 auf, mit dem er in den Zwischenraum 7 zwischen Innenrohr 2 und Außenrohr 3 hineinragt, wobei der Vorsprung 12 den Zwischenraum 7 vollständig ausfüllt und jeweils mit der inneren Mantelfläche des Außenrohrs 3 und der äußeren Mantelfläche des Innenrohres 2 verklebt ist. Dabei weist das Innenrohr 2 eine größere axiale Länge auf als das Außenrohr 3 und steht über das Ende des Außenrohrs 3 vor. Das Ende des Innenrohres 2, das eine konisch verlaufende äußere Mantelfläche 13 besitzt, bildet eine Art Führung für das Aufschieben des Endadapters 6, der wiederum eine zu der äußeren Mantelfläche des Innenrohres 3 korrespondierende konische Sitzfläche 14 aufweist. Das Außenrohr 3 hingegen weist einen durchgehenden zylindrischen Querschnitt auf, wobei die innere Mantelfläche desselben mit einer ebenfalls zylindrisch ausgebildeten Sitzfläche 15 des Endadapters 6 verklebt ist.
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Der Endadapter 6 stützt sich im montierten Zustand mit einer dem Außenrohr 3 zugewandten Stirnfläche 16 gegen das Außenrohr 3 ab, wohingegen zwischen einer Stirnfläche 17 des Innenrohres 2 und einer dieser zugewandten Stirnfläche 18 des Endadapters 6 ein Freiraum 19 verbleibt. Auf diese Weise ist eine Doppelpassung zwischen den beiden Rohren 2, 3 und dem Endadapter 6 ausgeschlossen.
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Die Länge des Außenrohres 3 beziehungsweise die Länge des Innenrohres 2, die jeweils mit dem Endadapter 6 verklebt ist, wird als Verbindungsabschnitt 20, 21 der Rohre 3, 2 bezeichnet.
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Die äußere Mantelfläche des Endadapters 6 verläuft bündig mit der äußeren Mantelfläche des Außenrohres 2, so dass das erfindungsgemäße Doppelrohr 1 eine ebene äußere Oberfläche aufweist.
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Auf seiner den Rohren 2, 3 abgewandten Seite weist der Endadapter 6 einen Muffenabschnitt 22 zur Aufnahme eines Nippelabschnitts 23 eines Verbindungsnippels 24 auf, der in der 2 dargestellt ist, wobei die 2 zwei miteinander verbundene Doppelrohre 1 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. Die beiden Doppelrohre 1 sind an ihren zueinander gewandten Enden jeweils mit einem Endadapter 6 versehen, in deren Muffenabschnitt 22 jeweils die Hälfte des Verbindungsnippels 24 einliegt, wobei die innere Mantelfläche des Verbindungsnippels 24 mit den inneren Mantelflächen der angrenzenden Endadapter 6 beziehungsweise der Innenrohre 2 bündig verläuft.
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Auf seiner äußeren Mantelfläche besitzt der Verbindungsnippel 24 an seinen beiden Enden jeweils eine umlaufende Nut 25, in denen sich zu Dichtungszwecken jeweils ein O-Ring 26 befindet, der an der zugehörigen inneren Mantelfläche des Muffenabschnitts 22 anliegt. Neben den beiden Nuten 25 für die O-Ringe 26 besitzt der Verbindungsnippel 24 jeweils eine weitere umlaufende Nut 27, die jeweils mit einer gegenüberliegenden umlaufenden Nut 28 im Endadapter 6 einen Blockierkanal 29 zur Aufnahme eines flexiblen, aus Kunststoff gefertigten Riegelstabs 30 bildet. Zur Einführung des Riegelstabs 30 sind die Endadapter 6 jeweils mit einer Einführöffnung 31 versehen, die in der 3 in einer Draufsicht zu erkennen ist.
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Die 4 zeigt einen Längsschnitt durch den Verbindungsnippel 24 mit seinen verschiedenen Nuten 25, 27 an der äußeren Mantelfläche. Die Nuten 25 für die O-Ringe 26 besitzen eine größere Tiefe als die Nuten 27, die als halbe Nuten für den Riegelstab 30 dienen, was bedeutet, dass der Nutgrund 32 der Nuten 25 näher an der inneren Mantelfläche des Verbindungsnippels 24 liegen als der Nutgrund 33 der Nuten 27.
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In der 5 ist ein Mittenadapter 34 im Längsschnitt dargestellt, der zwei Außenrohrabschnitte 35 und zwei Innenrohrabschnitte 36 miteinander verbindet, wobei jeweils ein Außenrohrabschnitt 35 mit einem Innenrohrabschnitt 36 als doppelwandiges Rohr analog zu den 1 und 2 zusammengesetzt sind.
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Der Mittenadapter 34 ist sowohl um seine Längsachse als auch um seine Querachse symmetrisch aufgebaut und ragt an seinen Enden jeweils mit einem Vorsprung 37 in den Zwischenraum 7 der beiden doppelwandigen Rohre hinein, wobei der Mittenadapter 34 jeweils in dem Bereich, mit dem er an dem doppelwandigen Rohr anliegt, identisch zu dem Endadapter 6 aufgebaut ist.
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Die äußere Mantelfläche des Mittenadapters 34 verläuft bündig mit der äußeren Mantelfläche der Außenrohre 3 und die innere Mantelfläche des Mittenadapters 34 verläuft bündig mit der inneren Mantelfläche der Innenrohre 2, so dass das aus Rohrabschnitten zusammengesetzte Doppelrohr 1' sowohl eine ebene äußere als auch eine ebene innere Mantelfläche besitzt. Der Bereich des Mittenadapters 34, der sich zwischen den Stirnflächen der Außenrohre befindet, wird hier als Mittelabschnitt 38 verstanden.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 1'
- Doppelrohr
- 2
- Innenrohr
- 3
- Außenrohr
- 4
- Ende
- 5
- Längsachse
- 6
- Endadapter
- 7
- Zwischenraum
- 8
- Durchgangsquerschnitt
- 9
- Stützelement
- 10
- Stützring
- 11
- Abgeschrägter Übergangsbereich
- 12
- Vorsprung
- 13
- Konische Mantelfläche
- 14
- Konische Sitzfläche
- 15
- Zylindrische Sitzfläche
- 16
- Stirnfläche
- 17
- Stirnfläche des Innenrohres
- 18
- Stirnfläche
- 19
- Freiraum
- 20
- Verbindungsabschnitt
- 21
- Verbindungsabschnitt
- 22
- Muffenabschnitt
- 23
- Nippelabschnitt
- 24
- Verbindungsnippel
- 25
- Nut für O-Ring
- 26
- O-Ring
- 27
- Nut für Riegelstab
- 28
- Nut
- 29
- Blockierkanal
- 30
- Riegelstab
- 31
- Einführöffnung
- 32
- Nutgrund
- 33
- Nutgrund
- 34
- Mittenadapter
- 35
- Außenrohrabschnitt
- 36
- Innenrohrabschnitt
- 37
- Vorsprung
- 38
- Mittelabschnitt
