DE102017005012A1

DE102017005012A1 - Einfriersicherung

Info

Publication number: DE102017005012A1
Application number: DE102017005012.0A
Authority: DE
Inventors: Volkmar Lemme
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2017-05-24
Filing date: 2017-05-24
Publication date: 2018-11-29
Also published as: WO2018215096A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verwendung eines Wärmerohrs (1) zur Einfriersicherung von Behältern (2) und/oder Pipelines mit einem Fluid (3). Weiterhin betrifft die Erfindung ein einfriergesichertes System, aufweisend ein isoliertes Gehäuse (5), eine Pipeline oder einen Behälter (2) mit einem Fluid (3) und ein Wärmerohr (1), das sich als Gravitationswärmerohr (1) unterhalb und oberhalb einer Erdoberfläche (6) erstreckt und oberhalb der Erdoberfläche (6) sich in das Innere des isolierten Gehäuses (5) erstreckt, wobei das isolierte Gehäuse (5) die Pipeline oder den Behälter (5) umgibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einfriersicherung für einen Behälter oder eine Pipeline mit einem Fluid.
Um Wasserleitungen und Wasserbehälter vor Frost zu schützen, sind sogenannte Begleitheizungen bekannt, bei denen Rohre oder Wasserbehälter mit elektrischen Heizleitungen oder über Wasserdampf-Wärmeleitungen geheizt werden. Nachteilig dabei ist, dass diese sehr wartungsintensiv sind und einen zusätzlichen Stromanschluss benötigen. Außerdem verhindert eine notwendige Isolation eine unmittelbare Inspektion. Es wird nach einer alternativen Möglichkeit gesucht, Wasserbehälter oder Wasserleitungen vor Frost zu schützen.
Diese Aufgabe wird durch die Verwendung eines Wärmerohrs zur Einfriersicherung für einen Behälter oder eine Pipeline mit einem Fluid, insbesondere Wasser, gelöst.
Wärmerohre, auch heat pipes genannt, sind aus dem Stand der Technik bekannt. Ein besonderes Beispiel für ein Wärmerohr ist ein Gravitationswärmerohr. Ein Gravitationswärmerohr ist in der Regel vertikal angeordnet und ragt beispielsweise aus der Erdoberfläche heraus, wobei das Gravitationswärmerohr mit einem Arbeitsfluid in flüssiger und gasförmiger Phase beim Sättigungsdruck gefüllt ist, wobei die flüssige Phase sich im Wesentlichen am unteren Ende in der Erde befindet und die gasförmige Phase sich im Wesentlichen oberhalb der flüssigen Phase im Gravitationswärmerohr befindet, wobei die Trippelpunkttemperatur des Arbeitsfluids vorzugsweise unterhalb einer minimalen Umgebungstemperatur ist. Dies ist vorteilhaft, da, wenn eine Temperatur unterhalb der Erdoberfläche bereits um Bruchteile eines Grades wärmer ist als eine Temperatur oberhalb der Erdoberfläche, ein Prozess in Gang gesetzt wird, durch den Wärme von dem Erdreich unterhalb der Erdoberfläche zu einem Abschnitt des Wärmetauscherrohrs, der aus der Erdoberfläche herausragt, transportiert wird. Auf diese Weise können Behälter oder Pipelines oder andere Elemente oberhalb der Erdoberfläche gewärmt und vor Frost geschützt werden.
Der Prozess funktioniert, sobald eine Temperatur unterhalb der Erdoberfläche um Bruchteile eines Grades wärmer ist als eine Temperatur oberhalb der Erdoberfläche. Solange die Temperatur unterhalb der Erdoberfläche gleich oder niedriger als die Temperatur oberhalb der Erdoberfläche ist, bleibt das Gravitationswärmerohr im Gleichgewicht. Wenn in diesem Fall die Temperatur abnimmt, sinkt sie unterhalb der Sättigungstemperatur und ein Teil der gasförmigen Phase kondensiert, wodurch der Druck absinkt, bis der Sättigungsdruck erreicht ist. Wenn die Temperatur zunimmt, verdunstet ein Teil der flüssigen Phase, wodurch der Druck zunimmt, bis der Sättigungsdruck erreicht ist. Wenn jedoch die Temperatur oberhalb der Erdoberfläche niedriger als die Temperatur unterhalb der Erdoberfläche ist, ist die Temperatur entweder am unteren Ende oberhalb der Sättigungstemperatur oder am oberen Ende unterhalb der Sättigungstemperatur. Wenn sie am oberen Ende unterhalb der Sättigungstemperatur ist, kondensiert am oberen Ende ein Teil des Arbeitsfluids in der gasförmigen Phase, wodurch am oberen Ende des Wärmetauschers Wärme an die Umgebung abgegeben wird und sich ein flüssiger Film bildet, der entlang des Gravitationswärmerohrs hinunterfließt. Dabei nimmt der Druck ab, bis der Druck am oberen Ende den Sättigungsdruck erreicht hat. Wenn der Druck am oberen Ende dem Sättigungsdruck entspricht, befindet er sich jedoch am unteren Ende unterhalb des Sättigungsdruckes, da die Temperatur am unteren Ende höher ist als am oberen Ende des Wärmetauschers. Somit verdunstet am unteren Ende ein Teil des Arbeitsfluids in flüssiger Phase, wodurch der Druck im Wärmetauscher wieder ansteigt, bis am unteren Ende der Sättigungsdruck erreicht ist. Wenn der Sättigungsdruck am unteren Ende erreicht ist, befindet sich der Druck am oberen Ende jedoch wieder oberhalb des Sättigungsdruckes, da die Temperatur am oberen Ende niedriger ist als am unteren Ende. Dadurch kondensiert wieder ein Teil des Arbeitsfluids in flüssiger Phase am oberen Ende des Wärmetauschers. Da das Arbeitsfluid permanent den Sättigungsdruck anstrebt, solange die flüssige Phase und die gasförmige Phase nebeneinander existieren, dieser jedoch nie gleichzeitig am oberen Ende und am unteren Ende des Wärmetauschers erreicht werden kann, solange die Temperatur am unteren Ende höher als die Temperatur am oberen Ende ist, verdunstet am unteren Ende permanent flüssiges Arbeitsfluid und entzieht dem Erdreich Wärme, während am oberen Ende permanent gasförmiges Arbeitsfluid kondensiert und Wärme an die Umgebung abgibt.
Vorteilhaft ist das Gravitationswärmerohr oberhalb der Erdoberfläche wärmetauschend mit dem Behälter verbunden. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein Frostschutz für den Behälter oberhalb der Erdoberfläche möglich ist, ohne dass extern erzeugte Energie zugeführt werden muss.
Vorteilhaft ist das Gravitationswärmerohr oberhalb der Erdoberfläche wärmetauschend mit der Pipeline verbunden. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise ein Frostschutz für die Pipeline oberhalb der Erdoberfläche möglich ist, ohne dass extern erzeugteEnergie zugeführt werden muss.
Vorteilhaft umgibt ein isoliertes Gehäuse den Behälter und/oder die Pipeline und einen aus der Erdoberfläche herausragenden Abschnitt des Wärmerohrs. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Behälter und/oder die Pipeline vor der Umgebung geschützt ist und besser gegen Einfrieren abgesichert werden kann.
Es ist denkbar, dass das Hüllmaterial für das Gravitationswärmerohr Aluminium, Kupfer oder Edelstahl ist. Ein mögliches Arbeitsfluid ist Ammoniak, das bei einer Arbeitstemperatur zwischen -70°C und 60°C verwendet werden kann. Ein anderes mögliches Arbeitsfluid ist Methanol, das bei einer Arbeitstemperatur zwischen -45°C und 120°C verwendet werden kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein einfriergesichertes System vorgeschlagen, aufweisend ein isoliertes Gehäuse, eine Pipeline oder einen Behälter für ein Fluid wie Wasser und ein Wärmerohr, das sich als Gravitationswärmerohr unterhalb und oberhalb einer Erdoberfläche erstreckt und sich oberhalb der Erdoberfläche in das Innere des isolierten Gehäuses erstreckt, wobei das isolierte Gehäuse die Pipeline oder den Behälter umgibt. Dabei ist denkbar, dass das isolierte Gehäuse ein Metallgehäuse mit einem wärmeisolierenden Dämmstoff ist. Dies ist vorteilhaft, da auf diese Weise die Pipeline oder der Behälter vor der Umgebung geschützt ist und aufgrund der Isolation der Raum innerhalb des Behälters durch das Gravitationswärmerohr erwärmt werden kann.
Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 zeigt schematisch ein Gravitationswärmerohr in einer erfindungsgemäßen Verwendung in einem einfriergesicherten System und
2 zeigt ein Phasendiagramm für ein Arbeitsfluid.

In 1 ist ein Gravitationswärmerohr 1 dargestellt. Das Gravitationswärmerohr 1 ist mit einem Arbeitsfluid 4, wie z.B. Methanol, in flüssiger 42 und gasförmiger Phase 43 beim Sättigungsdruck gefüllt. Eine Oberfläche 41 des Arbeitsfluids 4 in flüssiger Phase 42 ist graphisch dargestellt. Wenn ein Teil des Arbeitsfluids 4 am oberen Ende des Gravitationswärmerohrs 1 kondensiert, bildet sich am oberen Ende des Gravitationswärmerohrs 1 ein flüssiger Film 44, der entlang des Gravitationswärmerohrs 1 hinunterfließt. Oberhalb einer Erdoberfläche 6 befindet sich ein Behälter 2, der mit einer Flüssigkeit 3 wie Wasser gefüllt ist. Der Behälter 2 ist mit dem Gravitationswärmerohr 2 wärmeleitend in diesem Fall auch mechanisch verbunden und ist von einem isolierten Gehäuse 5 umgeben.
In 2 ist ein Phasendiagramm für ein typisches Arbeitsfluid dargestellt. An der Abszisse ist die Temperatur T aufgetragen und an der Ordinate der Druck p. Dabei sind qualitativ die Temperatur- und Druckbereiche angegeben, bei denen das Arbeitsfluid fest (s), flüssig (l) oder gasförmig (g) ist. Dabei ist sichtbar, dass die Sättigungstemperatur T_S oberhalb des Tripelpunktes T_T mit dem Druck zunimmt. Anhand des Phasendiagramms lässt sich nachvollziehen, dass der Sättigungsdruck an einem unteren Ende des Wärmetauschers 1 höher ist als an einem oberen Ende, wenn die Temperatur am unteren Ende höher ist.

Claims

Verwendung eines Wärmerohrs (1) zur Einfriersicherung von Behältern (2) und/oder Pipelines mit einem Fluid (3).
Verwendung eines Wärmerohrs (1) nach Anspruch 1, wobei als Wärmerohr (1) ein Gravitationswärmerohr (1) verwendet wird.
Verwendung eines Wärmerohrs (1) nach Anspruch 2, wobei das Wärmerohr (1) sich unterhalb und oberhalb einer Erdoberfäche (6) erstreckt und oberhalb der Erdoberfläche (6) mit dem Behälter (2) und/oder der Pipeline wärmeleitend verbunden ist.
Verwendung eines Wärmerohrs (1) nach Anspruch 3, wobei ein isoliertes Gehäuse (5) den Behälter (2) und/oder die Pipeline und einen aus der Erdoberfläche (6) herausragenden Abschnitt umgibt.
Einfriergesichertes System, aufweisend ein isoliertes Gehäuse (5), eine Pipeline oder einen Behälter (2) mit einem Fluid (3) und ein Wärmerohr (1), das sich als Gravitationswärmerohr (1) unterhalb und oberhalb einer Erdoberfläche (6) erstreckt und oberhalb der Erdoberfläche (6) sich in das Innere des isolierten Gehäuses (5) erstreckt, wobei das isolierte Gehäuse (5) die Pipeline oder den Behälter (2) umgibt.