DE102017207254A1 - Abdichtkupplung between at least two mutually storable pipes of an electrolysis plant and use - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Rohrkupplungen eingerichtet zur Verwendung in Elektrolyseanlagen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Abdichtkupplung (10) zwischen wenigstens zwei aneinander lagerbaren Rohren (11, 13) einer Elektrolyseanlage, wobei die Abdichtkupplung an aneinander anliegenden Mantelflächen (11.3, 13.1) gebildet ist, wobei die Rohre (11, 13) relativ zueinander in axialer Richtung ineinander abdichtend an einer Dichtfläche (11.31) mit unabhängig von einer axialen Relativbewegung oder Relativposition der Rohre größenkonstantem Flächeninhalt loslagerbar sind. Dies ermöglicht zusätzlich zu hoher Betriebssicherheit auch eine Vereinfachung des Montagevorganges. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Rohr-in-Rohr-Anordnung als wärmedehnungstolerante Rohrkupplung in einer Elektrolyseanlage. The invention relates to pipe couplings set up for use in electrolysis plants. In particular, the invention relates to a Abdichtkupplung (10) between at least two mutually storable pipes (11, 13) of an electrolysis plant, wherein the Abdichtkupplung formed on abutting lateral surfaces (11.3, 13.1), wherein the tubes (11, 13) relative to each other in axial Direction into one another sealingly on a sealing surface (11.31) with independent of an axial relative movement or relative position of the tubes size constant surface area are releasable. This allows in addition to high reliability and simplification of the assembly process. Furthermore, the invention relates to the use of a tube-in-tube arrangement as a heat-expansion-tolerant pipe coupling in an electrolysis plant.
Description
Die Erfindung betrifft abdichtende Vorrichtungen an oder zwischen zwei Rohren, die mit einem gewissen axialen Spiel relativ zueinander aneinander gelagert werden sollen. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Rohr-in-Rohr-Anordnung zum Bereitstellen einer solchen abdichtenden Vorrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Abdichtkupplung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to sealing devices on or between two tubes to be stored with a certain axial play relative to each other. Furthermore, the invention relates to the use of a tube-in-tube arrangement for providing such a sealing device. In particular, the invention relates to a sealing coupling according to the preamble of
Abdichtende Rohr-in-Rohr-Verbindungen werden insbesondere in Elektrolyseanlagen benötigt. Es gibt Elektrolyseanlagen zur Gewinnung von Chlor, Wasserstoff oder Natronlauge. Die jeweiligen Stoffe werden dabei innerhalb von Zellen der Elektrolyseanlagen gewonnen, und müssen für die weitere Verwendung aus den Zellen heraus gefördert werden. Üblicherweise werden dazu Sammelkanäle aus Metall eingesetzt, welche über Standrohre aus Kunststoffen eine Verbindung zur jeweiligen Zelle herstellen.Sealing tube-in-tube connections are required in particular in electrolysis systems. There are electrolysis systems for the production of chlorine, hydrogen or caustic soda. The respective substances are thereby obtained within cells of the electrolysis plants, and must be promoted for further use out of the cells. Usually, collecting ducts made of metal are used, which produce a connection to the respective cell via standpipes made of plastics.
Bedingt durch enge Platzverhältnisse und Kostendruck muss die Verbindung zwischen Sammelkanälen und Standrohr zum einen eine schnelle und zuverlässige Montage und zum anderen auch eine dichte Verbindung über die gesamte Betriebszeit der Zelle ermöglichen. Hinderlich für eine gute Abdichtung können insbesondere die folgenden Faktoren sein: unterschiedliche Ausdehnungen bei Sammelkanal und Standrohr, insbesondere bei Temperaturen bis knapp 100°C; größere Fertigungstoleranzen bei Kunststoff im Vergleich zu Metall. Dabei wird insbesondere auch nach einer universellen Verbindung bei unterschiedlichen Geometrien der Standrohre gestrebt.Due to the tight space and cost pressure, the connection between the collecting ducts and the standpipe must, on the one hand, enable fast and reliable assembly and, on the other hand, a tight connection over the entire service life of the cell. In particular, the following factors can be a hindrance to a good seal: different expansions in the collecting channel and standpipe, in particular at temperatures of up to almost 100 ° C; greater manufacturing tolerances in plastic compared to metal. In this case, the aim is in particular for a universal connection with different geometries of the stanchions.
Um möglichst vielen dieser Anforderungen gerecht werden zu können, wird z.B. ein konischer Stutzen am Sammelkanal vorgesehen, auf welchen das Standrohr geschoben werden kann. Aufgrund einer axialen Vorspannung kann eine gute Dichtigkeit bei einer einfachen Montage erzielt werden. Allerdings hat sich gezeigt, dass diese Art der Kupplung insbesondere bei Temperaturschwankungen Nachteile mit sich bringt. Bei erhöhten Temperaturen dehnt sich das Standrohr aus Kunststoff stärker aus als die metallischen Bauteile der Zelle, so dass sich die axiale Vorspannung erhöht. In manchen Fällen kann dann nicht vermieden werden, dass ab einer kritischen Vorspannung ein Verbiegen des Standrohres erfolgt. Dies bringt das Risiko mit sich, dass es zu unerwünschtem Kontakt zwischen Standrohr und Elektrode kommen, mit der Folge einer Unterversorgung der Elektrode mit Elektrolyten und/oder zu hohem Druck auf die Membrane der Anlage. Damit einher gehende Fehlfunktionen und verkürzte Lebensdauer sollten jedoch vermieden werden.In order to meet as many of these requirements as possible, e.g. a conical nozzle provided on the collecting channel, on which the standpipe can be pushed. Due to an axial preload, a good tightness can be achieved with a simple assembly. However, it has been shown that this type of coupling brings disadvantages, in particular with temperature fluctuations. At elevated temperatures, the plastic standpipe expands more than the metallic components of the cell, increasing the axial preload. In some cases, it can not be avoided that bending of the standpipe occurs from a critical preload. This entails the risk of undesirable contact between the standpipe and the electrode, with the result that the electrode is undersupplied with electrolyte and / or the pressure on the membrane of the system is too high. However, associated malfunction and shortened life should be avoided.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, womit bei Rohren, die mit gewissem axialem Spiel relativ zueinander aneinander gelagert werden sollen, eine Abdichtung mit guter Betriebssicherheit sichergestellt werden kann. Insbesondere ist es Aufgabe, eine Kupplung bereitzustellen, welche auch hinsichtlich thermisch begründeter Relativbewegungen oder bei unterschiedlichen Materialien der Kupplungselemente eine zuverlässige Abdichtung sicherstellen kann, insbesondere mit hoher Betriebssicherheit über eine lange Lebensdauer.The object of the invention is to provide a device, which with pipes to be stored with some axial play relative to each other to each other, a seal with good reliability can be ensured. In particular, it is an object to provide a coupling which can ensure reliable sealing even with regard to thermally induced relative movements or with different materials of the coupling elements, in particular with high operational reliability over a long service life.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abdichtkupplung zwischen wenigstens zwei aneinander lagerbaren/gelagerten Rohren einer Elektrolyseanlage, insbesondere zwischen wenigstens einem mit einer Zelle der Elektrolyseanlage verbundenen Standrohr und wenigstens einem Sammelrohr, wobei die Abdichtkupplung an wenigstens einem Rohrpaar der Rohre an aneinander anliegenden Mantelflächen gebildet ist, wobei die Rohre des (jeweiligen) Rohrpaares relativ zueinander in axialer Richtung ineinander abdichtend an einer Dichtfläche mit unabhängig von einer axialen Relativbewegung oder Relativposition der Rohre größenkonstantem Flächeninhalt losgelagert/loslagerbar sind. Dies liefert eine vergleichsweise exakt vordefinierbare Flächenpressung bzw. Dichtwirkung. Es kann sichergestellt werden, dass sich die Bedingungen und damit die Flächenpressung lokal an der Dichtfläche bei Relativbewegungen nicht mehr oder nicht spürbar ändern. Es kann ein quasi-statischer Abdicht-Zustand sichergestellt werden.This object is achieved by a Abdichtkupplung between at least two mutually storable / mounted pipes of an electrolysis, in particular between at least one connected to a cell of the electrolysis plant standpipe and at least one manifold, wherein the Abdichtkupplung is formed on at least one pair of tubes of the tubes against abutting lateral surfaces , wherein the tubes of the (respective) pair of tubes relative to each other in the axial direction sealingly abutted against each other on a sealing surface with independent of an axial relative movement or relative position of the tubes size constant surface area / are releasable. This provides a comparatively exactly predefinable surface pressure or sealing effect. It can be ensured that the conditions and thus the surface pressure do not change any more or not perceptibly locally at the sealing surface during relative movements. A quasi-static sealing condition can be ensured.
Die axiale Loslagerung ermöglicht eine relative Verschiebung, z.B. bei Temperaturschwankungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten. Dies ermöglicht, die Spannungen im jeweiligen Rohr zu minimieren. Dabei kann die Dichtwirkung insbesondere durch elastisches Aufweiten des äußeren Rohres (Standrohres) und die damit einher gehende Flächenpressung sichergestellt werden.The axial floating allows relative displacement, e.g. with temperature fluctuations due to different thermal expansion coefficients. This makes it possible to minimize the stresses in the respective tube. In this case, the sealing effect can be ensured in particular by elastic expansion of the outer tube (standpipe) and the associated surface pressure.
Insbesondere kann sichergestellt werden, dass Spannungen im jeweiligen Rohr, speziell auch im Standrohr, bei Relativbewegungen gleich bleiben, sodass ein Knicken des Rohres (
Die Dichtfläche kann dabei auch bei einer Relativbewegung gleichbleibend groß bleiben. Die Dichtfläche kann auch bei einer Relativbewegung exakt an derselben Axialposition angeordnet bleiben. Beide Effekte wirken sich vorteilhaft auf die Betriebssicherheit und die Auslegung der Dichtung aus.The sealing surface can remain consistently large even with a relative movement. The sealing surface can remain arranged at a relative movement exactly at the same axial position. Both effects have an advantageous effect on the reliability and the design of the seal.
Beispielsweise kann vollständig auf eine Konizität an den Rohren verzichtet werden. Damit kann auch das Risiko minimiert werden, dass bei besonders hohen Spannungen ein Verkeilen oder Knicken erfolgt. Überproportional ansteigende (Vorspann-)Kräfte können vermieden werden. Vielmehr kann eine Verbindung/Kupplung mit unabhängig von den Betriebsbedingungen konstanter axialer Vorspannung auf die Rohre realisiert werden. Die Größe (der Flächeninhalt) der Dichtfläche kann konstant bleiben, und damit auch die Flächenpressung und die wirkenden Anpresskräfte. Die Dichtwirkung kann auf vergleichsweise exakte Weise vordefiniert werden, unabhängig von Lagetoleranzen oder Längendehnungen. Längendehnungen können ohne signifikante Erhöhung axialer Spannungen im jeweiligen Rohr ausgeglichen werden. For example, it is entirely possible to dispense with a conicity on the tubes. This also minimizes the risk of wedging or kinking at particularly high stresses. Disproportionately increasing (biasing) forces can be avoided. Rather, a compound / coupling can be realized with independent of the operating conditions constant axial preload on the pipes. The size (the surface area) of the sealing surface can remain constant, and thus also the surface pressure and the acting contact forces. The sealing effect can be predefined in a relatively exact manner, regardless of positional tolerances or elongations. Longitudinal expansions can be compensated for without significant increase in axial stresses in the respective tube.
Insbesondere kann eine zuverlässige, betriebssichere Kupplung zwischen Sammelkanal einem (collecting channel) und einem Standrohr (discharge pipe) bei der NaCl- und Wasserelektrolyse realisiert werden, unabhängig von thermischen Dehnungen, Standrohrlängentoleranzen oder geometrischen Formen ist.In particular, a reliable, reliable coupling between collecting channel a (collecting channel) and a standpipe (discharge pipe) in the NaCl and water electrolysis can be realized, regardless of thermal strains, stand pipe tolerances or geometric shapes.
Als Rohre können z.B. Leitungen oder Stutzen zum Fördern von Fluiden zum Einsatz kommen. Als Materialien eignen sich insbesondere Polymere, speziell PTFE, und metallische umgeformte Rohre oder Bleche. Wenigstens eines der Rohre kann als Standrohr in einer Zelle einer Elektrolyseanlage ausgebildet sein. Das Standrohr besteht zweckdienlicher Weise aus Kunststoff bzw. dem Polymer PTFE. Das Standrohr weist z.B. eine Länge im Bereich von 1 bis 1,5m auf.As tubes, e.g. Pipes or nozzles are used for conveying fluids. Particularly suitable materials are polymers, especially PTFE, and metallic formed tubes or sheets. At least one of the tubes may be formed as a standpipe in a cell of an electrolysis system. The standpipe is expediently made of plastic or the polymer PTFE. The standpipe has e.g. a length in the range of 1 to 1.5m.
Als Standrohr kann z.B. ein PTFE-Rohr mit einem Durchmesser im Bereich von 30mm und einer Länge im Bereich von 1 bis 1.5m vorgesehen sein. Hieraus ergibt sich auch eine gewisse Elastizität bzw. Flexibilität. Je nachdem, wie flexible das Material des Rohres ist, kann das Rohr auch als Schlauch bezeichnet werden. Bei einem zylindrischen, runden Rohr kann die Abdichtkupplung auf besonders einfache Weise realisiert werden. Jedoch können auch abweichende Geometrien realisiert werden.As a standpipe, e.g. a PTFE tube with a diameter in the range of 30mm and a length in the range of 1 to 1.5m be provided. This also results in a certain elasticity or flexibility. Depending on how flexible the material of the tube is, the tube can also be referred to as a tube. In a cylindrical, round tube, the Abdichtkupplung can be realized in a particularly simple manner. However, deviating geometries can also be realized.
Wenigstens eines der Rohre kann als Sammelrohr in einer Zelle einer Elektrolyseanlage ausgebildet sein. Das Sammelrohr besteht zweckdienlicher Weise aus einem metallischen Werkstoff bzw. aus Blech.At least one of the tubes may be formed as a manifold in a cell of an electrolysis system. The manifold is suitably made of a metallic material or sheet metal.
Das eine Rohr, insbesondere Standrohr kann im unteren Teil einer Zelle einer Elektrolyseanlage an einem Flansch befestigt sein. Bei dieser Anordnung der Abdichtkupplung ergibt sich durch Wärmedehnung beim Betrieb der Zelle (ca. 90 °C) eine Relativbewegung zwischen Standrohr (insbesondere aus Kunststoffe) und Zelle (insbesondere aus Metall).The one pipe, in particular standpipe, may be fastened to a flange in the lower part of a cell of an electrolysis plant. In this arrangement of Abdichtkupplung results from thermal expansion during operation of the cell (about 90 ° C), a relative movement between standpipe (in particular made of plastics) and cell (especially metal).
Die Abdicht-Wirkung bzw. der Flächendruck der Passung kann erfindungsgemäß durch unterschiedliche Maßnahmen sichergestellt werden, insbesondere durch unterschiedliche Rohrwandstärken, durch unterschiedliche Elastizitätsmodule, durch unterschiedliche Verformungseigenschaften, durch anisotrope Verformungseigenschaften (insbesondere bezüglich Zug- und Druckkräften).The sealing effect or the surface pressure of the fit can be ensured according to the invention by different measures, in particular by different tube wall thicknesses, by different moduli of elasticity, by different deformation properties, by anisotropic deformation properties (in particular with respect to tensile and compressive forces).
Es hat sich gezeigt, dass möglichst geringe Flächenpressungen vorteilhaft sind für das Ziel, ein Verbiegen oder Abknicken von Rohren zu vermeiden. Nichtsdestotrotz soll ausreichende Dichtwirkung mit guter Betriebssicherheit gewährleistet werden können. Die Abdichtkupplung kann daher hinsichtlich möglichst geringer Flächenpressung optimiert sein, insbesondere derart, dass ein unterer Schwellwert für die Abdichtwirkung eine minimale Flächenpressung vorgibt.It has been found that the lowest possible surface pressures are advantageous for the goal of avoiding bending or kinking of pipes. Nevertheless, adequate sealing effect should be able to be ensured with good reliability. The sealing coupling can therefore be optimized with regard to the lowest possible surface pressure, in particular in such a way that a lower threshold value for the sealing effect specifies a minimum surface pressure.
Dabei kann sichergestellt werden, dass während einer Relativbewegung nur eine elastische Verformung des (jeweiligen) Rohres erfolgt. Die Rohre der jeweiligen Rohrpaarung sind derart dimensioniert, dass bei Relativbewegungen eine Verformung ausschließlich im elastischen Bereich erfolgt. Dies kann eine hohe Lebensdauer und hohe Betriebssicherheit sicherstellen. Inwieweit die jeweilige Passung ausgelegt werden muss, lässt sich in Abhängigkeit der gewählte Materialpaarungen anhand von Werkstofftabellen und Spannungs-Dehnungs-Diagrammen ermitteln.It can be ensured that during a relative movement only an elastic deformation of the (respective) tube takes place. The tubes of the respective tube pairing are dimensioned such that during relative movements a deformation takes place exclusively in the elastic region. This can ensure a long service life and high reliability. The extent to which the respective fit has to be designed can be determined on the basis of material tables and stress-strain diagrams, depending on the selected material pairings.
Wahlweise kann dem inneren Rohr (insbesondere Sammelrohr) teilweise auch eine plastische Verformung aufgezwungen werden, insbesondere bei der Erstmontage. Dies kann bei bestimmten Materialpaarungen besonders hohe Betriebssicherheit gewährleisten. Dabei kann durch Auswahl der geeigneten Toleranz bzw. des adäquaten Übermaßes sichergestellt werden, dass das äußere Rohr (insbesondere Standrohr) jedenfalls nur im elastischen Bereich verformt wird.Alternatively, the inner tube (in particular collecting tube) can be forced partly also a plastic deformation, especially during initial assembly. This can ensure particularly high reliability with certain material pairings. It can be ensured by selecting the appropriate tolerance or adequate oversize that the outer tube (in particular standpipe) is deformed in any case only in the elastic range.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Mantelfläche des inneren Rohres des (jeweiligen) Rohrpaares an wenigstens einer vordefinierten Axialposition eine Radialverdickung nach außen mit Dichtfunktion auf, die an der vordefinierten Axialposition zumindest abschnittsweise die Dichtfläche definiert, wobei die Radialverdickung einen unabhängig von einer axialen Relativbewegung oder Relativposition der Rohre größenkonstanten, gleichbleibenden Flächeninhalt der Dichtfläche definiert. Dies liefert auch einen sehr robusten, einfachen Aufbau.According to one embodiment, the lateral surface of the inner tube of the (respective) pair of tubes at least one predefined axial position to a radially outward thickening with sealing function, which defines the sealing surface at least partially at the predefined axial position, wherein the radial thickening independent of an axial relative movement or relative position Pipes size constants, constant surface area of the sealing surface defined. This also provides a very robust, simple construction.
Die Radialverdickung, insbesondere Radialaufweitung kann z.B. im Bereich von 1 bis 3% des Durchmessers des Rohres liegen. Es hat sich gezeigt, dass eine derartige, vergleichsweise geringe Verdickung bereits sehr gute Betriebssicherheit liefert, und bei einer Vielzahl von Materialpaarungen realisierbar ist. Können Fertigungstoleranzen nicht besonders exakt eingehalten werden, so ist es sinnvoll, die Radialverdickung eher etwas größer, also im Bereich 2 bis 3% oder noch größer zu wählen. Es ist nicht auszuschließen, dass für bestimmte Anwendungen Radialverdickungen von bis zu 5% besonders zweckdienlich sind. The radial thickening, in particular radial expansion can be, for example, in the range of 1 to 3% of the diameter of the tube. It has been shown that such a comparatively small thickening already provides very good operational reliability, and can be realized with a large number of material pairings. If manufacturing tolerances can not be maintained particularly accurately, it makes sense to choose the radial thickening rather slightly larger, that is to say in the range of 2 to 3% or even greater. It can not be ruled out that radial thickening of up to 5% is particularly expedient for certain applications.
Die Radialverdickung kann wahlweise durch Material des inneren Rohres oder auch durch ein davon abweichendes Material oder durch ein daran befestigtes Element bereitgestellt werden. Es ist vorteilhaft, wenn Rohr und Radialverdickung einstückig sind. Dies liefert gute Robustheit, ein exakt vorgebbares Dehnungsverhalten, sowie effektive Abdichtung.The radial thickening may optionally be provided by material of the inner tube or by a material deviating therefrom or by an element attached thereto. It is advantageous if tube and radial thickening are integral. This provides good robustness, an exactly predetermined elongation behavior, as well as effective sealing.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die gleichbleibende, größenkonstante Dichtfläche umlaufend, insbesondere vollständig umlaufend. Am äußeren Rohr kann ein geometrisch korrespondierender Dichtflächenabschnitt vorgesehen sein. Hierdurch wird vollumfänglich dieselbe Dichtwirkung sichergestellt, und Biegemomente auf die Rohre können vermieden werden.According to one embodiment, the constant, constant-size sealing surface is circumferential, in particular completely circumferential. On the outer tube, a geometrically corresponding sealing surface portion may be provided. This fully ensures the same sealing effect, and bending moments on the pipes can be avoided.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die gleichbleibende, größenkonstante Dichtfläche rotationssymmetrisch. Hierdurch können die wirkenden Kräfte rotationssymmetrisch verteilt werden.According to one embodiment, the constant, constant-size sealing surface is rotationally symmetrical. As a result, the forces acting can be distributed rotationally symmetrical.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die gleichbleibende, größenkonstante Dichtfläche linienförmig oder weist in axialer Richtung eine Breite kleiner 20% des Durchmessers des inneren Rohres auf, insbesondere eine vollumfänglich konstante Breite. Hierdurch kann eine effektive Abdichtung erfolgen, insbesondere bei vergleichsweise großen radialen Flächenpresskräften (großer radialer Druck bei vergleichsweise kleinen axialen Kräften) und bei nur vergleichsweise kleinem axialem Reibungswiderstand. Es kann eine möglichst kleinflächige Dichtung bis hin zu einer Linienkontaktdichtung realisiert werden. Dabei kann die Dichtfläche je nach gewählter Materialpaarung derart ausgelegt bzw. dimensioniert werden, dass eine radiale Flächenpressung an der Radialverdickung unabhängig von der relativen Axialposition weitgehend konstant bleibt.According to one embodiment, the constant, constant-size sealing surface is linear or has in the axial direction a width less than 20% of the diameter of the inner tube, in particular a fully constant width. In this way, an effective seal can be made, in particular with comparatively large radial surface pressure forces (large radial pressure with comparatively small axial forces) and with only comparatively small axial frictional resistance. It can be realized as small a seal as possible to a line contact seal. In this case, depending on the selected material pairing, the sealing surface can be designed or dimensioned such that a radial surface pressure at the radial thickening remains largely constant independently of the relative axial position.
Je nach Anwendung kann dabei ein Kompromiss zwischen Dicke und Breite der Radialverdickung gewählt werden. Eine größere Dicke bewirkt höhere Kontaktdrücke, erfordert jedoch größere Axialkräfte für den Längenausgleich. Eine größere Breite kann die Dichtwirkung verbessern, ohne die Kontaktkräfte (Flächenpressung) zu erhöhen, bedingt bei vielen Materialpaarungen jedoch auch größere Axialkräfte, und erfordert auch mehr Bauraum. Ein optimaler Kompromiss kann daher je Anwendungsfall individuell gefunden werden.Depending on the application, a compromise between thickness and width of the radial thickening can be chosen. A greater thickness causes higher contact pressures, but requires greater axial forces for the length compensation. A greater width can improve the sealing effect without increasing the contact forces (surface pressure), but also requires greater axial forces in many material combinations, and also requires more installation space. An optimal compromise can therefore be found individually for each application.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung an der Mantelfläche symmetrisch bezüglich einer Querschnittsebene orthogonal zur Längsachse des inneren Rohres. Hierdurch kann auf besonders effektive Weise eine Abdichtung mit symmetrischer Kraftverteilung bereitgestellt werden.According to one embodiment, the radial thickening on the lateral surface is symmetrical with respect to a cross-sectional plane orthogonal to the longitudinal axis of the inner tube. As a result, a seal with symmetrical force distribution can be provided in a particularly effective manner.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung an der Mantelfläche durch eine Wandung des Rohres gebildet, insbesondere durch eine plastische Umformung. Hierdurch kann eine hohe Betriebssicherheit und gute Festigkeit realisiert werden. Zudem wird die Anzahl der Komponenten der Abdichtkupplung reduziert, insbesondere auf die minimal mögliche Anzahl von zwei Komponenten, nämlich den beiden Rohren. Separate Dicht-Materialien sind nicht erforderlich.According to one embodiment, the radial thickening on the lateral surface is formed by a wall of the tube, in particular by a plastic deformation. As a result, high reliability and good strength can be realized. In addition, the number of components of the Abdichtkupplung is reduced, in particular to the minimum possible number of two components, namely the two tubes. Separate sealing materials are not required.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung durch eine Aufweitung des Rohres gebildet. Auch dies liefert hohe Betriebssicherheit und gute Festigkeit.According to one embodiment, the radial thickening is formed by a widening of the tube. This also provides high reliability and good strength.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung in einem Abstand von mindestens 1mm oder 2% des Durchmessers des inneren Rohres von einem freien Ende des inneren Rohres angeordnet. Dies vermeidet Randeffekte, insbesondere ungewollte Abweichungen von einer gewünschten Anordnung, und kann gute Festigkeit und enge Toleranzen sicherstellen.According to one embodiment, the radial thickening is arranged at a distance of at least 1 mm or 2% of the diameter of the inner tube from a free end of the inner tube. This avoids edge effects, especially unwanted deviations from a desired arrangement, and can ensure good strength and tight tolerances.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung in einem Abstand von maximal 2mm oder 20% des Durchmessers des inneren Rohres von einem freien Ende des inneren Rohres angeordnet. Dies liefert nicht zuletzt einen guten Kompromiss zwischen Platzbedarf und Genauigkeit der Anordnung bzw. hinsichtlich möglichst kleiner Fertigungstoleranzen der Radialverdickung.According to one embodiment, the radial thickening is arranged at a distance of at most 2 mm or 20% of the diameter of the inner tube from a free end of the inner tube. This not least provides a good compromise between space requirements and accuracy of the arrangement or with respect to smallest possible manufacturing tolerances of the radial thickening.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung in radialer Richtung größer als 2% des Durchmessers des äußeren Rohres. Hierdurch kann auch bei einem vergleichsweise weichen, elastischen, flexiblen äußeren Rohr eine ausreichend hohe Flächenpressung sichergestellt werden. Beispielsweise ist die Radialverdickung in axialer Richtung kleiner als 30% des Durchmessers des inneren Rohres. Dies liefert auch Vorteile hinsichtlich Platzbedarf.According to one embodiment, the radial thickening in the radial direction is greater than 2% of the diameter of the outer tube. As a result, a sufficiently high surface pressure can be ensured even with a comparatively soft, elastic, flexible outer tube. For example, the radial thickening in the axial direction is less than 30% of the diameter of the inner tube. This also provides advantages in terms of space requirements.
Insbesondere weist die Radialverdickung axial vor und hinter der Dichtfläche eine Flanke mit stetiger Kontur auf, insbesondere sich symmetrisch vor und hinter der Dichtfläche verjüngende Flanken.In particular, the radial thickening has a flank axially in front of and behind the sealing surface continuous contour, in particular symmetrically in front of and behind the sealing surface tapered flanks.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Radialverdickung in radialer Richtung kleiner als 15% des Durchmessers des äußeren Rohres. Dies erlaubt auch eine Integration der Radialverdickung in die Rohrwandung, bei diversen Materialien.In one embodiment, the radial thickening in the radial direction is less than 15% of the diameter of the outer tube. This also allows integration of the radial thickening in the pipe wall, with various materials.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel Ist die Radialverdickung in axialer Richtung vom äußeren Rohr überlappt, insbesondere um mindestens 15 oder 20% des Durchmessers des äußeren Rohres. Dies ermöglicht nicht zuletzt eine Entkopplung von Spannungsverhältnissen an einem freien Ende des äußeren Rohres. Ferner kann auch eine gewisse Winkeltoleranz sichergestellt werden. Hierdurch kann auch eine gewisse Lagetoleranz in axialer Richtung sichergestellt werden.According to one embodiment, the radial thickening in the axial direction is overlapped by the outer tube, in particular by at least 15 or 20% of the diameter of the outer tube. This not least allows a decoupling of stress conditions at a free end of the outer tube. Furthermore, a certain angular tolerance can also be ensured. In this way, a certain positional tolerance in the axial direction can be ensured.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist ein freies Ende des äußeren Rohres frei beabstandet von der Mantelfläche des inneren Rohres angeordnet/anordenbar. Dies kann Relativbewegungen begünstigen und dazu beitragen, dass Verspannungen minimiert werden, insbesondere auch Verspannungen aufgrund von winkeliger, nicht 100% exakt axialer Verlagerung.According to one embodiment, a free end of the outer tube is arranged / arranged freely spaced from the lateral surface of the inner tube. This can promote relative movements and help to minimize tension, especially tension due to angled, not 100% exactly axial displacement.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Rohre des Rohrpaares derart dimensioniert, dass die Abdichtkupplung durch eine kraftschlüssige axialtolerante Rohr-in-Rohr-Anordnung eingerichtet zum Abdichten bei durch elastische Verformung bewirktem Kraftschluss zwischen der Dichtfläche und einem korrespondierenden Dichtflächenabschnitt des äußeren Rohres gebildet ist. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.According to one embodiment, the tubes of the tube pair are dimensioned such that the Abdichtkupplung is formed by a frictional axially tolerant tube-in-tube arrangement for sealing caused by elastic deformation frictional connection between the sealing surface and a corresponding sealing surface portion of the outer tube. This results in the aforementioned advantages.
Wünschenswert wären möglichst geringe Axialkräfte, da dies das Risiko eines Ausknickens des Rohres minimiert. Die axiale Relativbewegung bedingt oder bewirkt eine elastische Verformung des Rohres, wozu eine gewisse Mindest-Axialkraft überschritten werden muss, abhängig vom Material und der Größenverhältnisse der Rohre. Es wird erwartet, dass für zahlreichen Anwendungen ein möglichst niedriger Reibwert vorteilhaft ist, so dass die aufzubringende Axialkraft im Wesentlichen durch die aufzubringenden Kräfte für elastische Verformung definiert wird. PTFE-Material weist einen vorteilhaft niedrigen Reibwert auf. Die Reibwerte für Gleitreibung und Haftreibung können dabei vorteilhafter Weise beide möglichst niedrig sein, insbesondere um eine Relativbewegung möglichst unabhängig von Haftreibung sicherstellen zu können.It would be desirable to have the lowest possible axial forces, as this minimizes the risk of buckling of the pipe. The axial relative movement causes or causes an elastic deformation of the tube, for which purpose a certain minimum axial force must be exceeded, depending on the material and the size ratios of the tubes. It is expected that for many applications the lowest possible coefficient of friction is advantageous, so that the axial force to be applied is defined essentially by the forces to be applied for elastic deformation. PTFE material has an advantageous low coefficient of friction. The coefficients of friction for sliding friction and static friction can advantageously both be as low as possible, in particular in order to ensure a relative movement as independent as possible of static friction can.
Die Abdichtkupplung kann derart ausgelegt sein, dass bei Relativbewegung auftretende Axialkräfte kleiner als ein Knicken des jeweiligen Rohres hervorrufende Knickkräfte sind, insbesondere mit einem individuell auslegbaren Sicherheitsfaktor, z.B. im Bereich von 1.5, 2 oder 2.5, oder auch deutlich größer.The sealing coupling may be designed such that axial forces occurring during relative movement are smaller than buckling forces which cause kinking of the respective tube, in particular with an individually configurable safety factor, e.g. in the range of 1.5, 2 or 2.5, or significantly larger.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel besteht ein Rohr des Rohrpaars, insbesondere das innere Rohr, oder zumindest dessen freies Ende aus Metall, und das andere Rohr des Rohrpaars oder zumindest dessen freies Ende besteht aus Kunststoff, insbesondere PTFE. Bei dieser Ausgestaltung kann die Abdichtkupplung beispielsweise in einer Elektrolyseanlage verwendet werden.According to one embodiment, a tube of the tube pair, in particular the inner tube, or at least the free end of metal, and the other tube of the tube pair or at least the free end is made of plastic, in particular PTFE. In this embodiment, the Abdichtkupplung can be used for example in an electrolysis system.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Abdichtkupplung eingerichtet für axiale Relativbewegungen im Bereich von 5 bis 15mm oder 20 bis 40% des Durchmessers des inneren Rohres, insbesondere 10mm oder 30% des Durchmessers des inneren Rohres. Hierdurch ergeben sich zuvor genannte Vorteile.According to one embodiment, the sealing coupling is arranged for axial relative movements in the range of 5 to 15 mm or 20 to 40% of the diameter of the inner tube, in particular 10 mm or 30% of the diameter of the inner tube. This results in the aforementioned advantages.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Abdichtkupplung zwischen wenigstens zwei aneinander gelagerten Rohren einer Elektrolyseanlage, insbesondere durch eine zuvor beschriebene Abdichtkupplung, hergestellt durch Kuppeln von zwei Rohren an deren freien Enden an aneinander anliegenden Mantelflächen und durch Loslagern der Rohre relativ zueinander mittels der Kupplung, wobei die Loslagerung und Abdichtung an wenigstens einer vordefinierten Axialposition des inneren Rohres an einer Dichtfläche, insbesondere an einer Radialverdickung nach außen, derart erfolgt, dass unabhängig von einer axialen Relativbewegung oder Relativposition der Rohre die Dichtfläche größenkonstant dimensioniert oder gleichbleibend unverändert angeordnet bleibt, so dass abdichtendes aneinander Anliegen der Mantelflächen bei zumindest annähernd gleichbleibender axialer Vorspannkraft auch bei relativer axialer Verlagerung der Rohre zueinander sichergestellt wird. Dies liefert zuvor genannte Vorteile.The aforementioned object is achieved by a Abdichtkupplung between at least two mutually mounted pipes of an electrolysis plant, in particular by a Abdichtkupplung described above, made by coupling two pipes at the free ends of abutting lateral surfaces and by displacing the tubes relative to each other by means of the coupling , wherein the floating bearing and sealing at least one predefined axial position of the inner tube to a sealing surface, in particular to a radial thickening outwards, such that regardless of an axial relative movement or relative position of the tubes, the sealing surface dimensioned constant size or remains unchanged unchanged, so that sealing mutual abutment of the lateral surfaces is ensured at least approximately constant axial preload force even with relative axial displacement of the tubes to each other. This provides the aforementioned advantages.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Abdichtkupplung eingerichtet oder ausgebildet als selbstsichernde, axial losgelagerte wärmedehnungstolerante Kupplung, insbesondere mit einem Wärmedehnkoeffizienten des äußeren Rohres größer als ein Wärmedehnkoeffizient des inneren Rohres. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Radialverdickung auch bei Temperaturdifferenzen eine zumindest annähernd konstante Geometrie aufweisen kann, und sich das äußere Rohr axial verlagern kann, insbesondere leichter mit stärker werdenden Temperaturspannungen. Die Kupplung ist selbstsichernd. Auch bei besonders hohen Temperaturschwankungen wird die Relativbewegung ermöglicht, vorteilhafterweise im dem Grade mit weniger Widerstand, in welchem auch die Festigkeit oder Knickkraft bzw. Knickwiderstandskraft des äußeren Rohres abnimmt.According to one embodiment, the Abdichtkupplung is set up or designed as a self-locking, axially detached heat-expansion-tolerant coupling, in particular with a coefficient of thermal expansion of the outer tube greater than a coefficient of thermal expansion of the inner tube. This arrangement has the advantage that the radial thickening can have an at least approximately constant geometry even with temperature differences, and the outer tube can shift axially, in particular more easily with increasing temperature stresses. The coupling is self-locking. Even with particularly high temperature fluctuations, the relative movement is made possible, advantageously in the degree with less resistance, in which also decreases the strength or buckling force or kink resistance of the outer tube.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Verwendung einer Rohr-in-Rohr-Anordnung zum Bilden einer abdichtenden Kupplung, insbesondere einer zuvor beschriebenen Abdichtkupplung, zwischen wenigstens einem Rohr aus Metall und wenigstens einem Rohr aus Kunststoff in einer Elektrolyseanlage, insbesondere eines innen überlappenden Sammelrohres aus Metall und eines außen überlappenden Standrohres aus Kunststoff, wobei das innere Rohr mittels wenigstens einer an einer vordefinierten Axialposition am inneren Rohr ausgebildeten Dichtfläche, insbesondere an einer Radialverdickung nach außen, mit unabhängig von einer axialen Relativbewegung gleichbleibendem, größenkonstantem Flächeninhalt an einem geometrisch korrespondierenden Dichtflächenabschnitt des überlappenden äußeren Rohres bei durch elastische Verformung des äußeren Rohres bewirktem Kraftschluss axialtolerant, insbesondere wärmedehnungstolerant abgedichtet wird. Dies liefert zuvor genannte Vorteile. Die Wärmedehnungstoleranz der Kupplung kann dabei beispielsweise in einem Bereich von Raumtemperatur bis über 100°C, insbesondere bis ca. 150°C sichergestellt werden.The aforementioned object is achieved according to the invention by using a tube-in-tube arrangement for forming a sealing coupling, in particular a previously described Abdichtkupplung, between at least one tube made of metal and at least one tube made of plastic in an electrolysis system, in particular an internally overlapping manifold made of metal and an outer overlapping standpipe made of plastic, wherein the inner tube by means of at least one formed at a predefined axial position on the inner tube sealing surface, in particular on a radial thickening outward, with constant independent of an axial relative motion, constant-size surface area on a geometrically corresponding sealing surface portion of the overlapping outer tube in axial elasticity caused by elastic deformation of the outer tube axial adhesion, in particular is sealed heat expansion tolerant. This provides the aforementioned advantages. The thermal expansion tolerance of the coupling can be ensured, for example, in a range of room temperature to over 100 ° C, in particular to about 150 ° C.
Die Erfindung betrifft auch eine Elektrolyseanlage mit einer zuvor beschriebenen Abdichtkupplung, insbesondere in Anordnung oder Ausbildung zwischen wenigstens einem Standrohr und wenigstens einem Sammelrohr.The invention also relates to an electrolysis system with a previously described Abdichtkupplung, in particular in arrangement or training between at least one standpipe and at least one manifold.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung wenigstens eines Ausführungsbeispiels anhand von Figuren, sowie aus den Figuren selbst. Bei Bezugszeichen, die nicht explizit in Bezug auf eine einzelne Figur beschrieben werden, wird auf die anderen Figuren verwiesen. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung
-
1A ,1B jeweils in geschnittener Seitenansicht eine vorbekannte, konische Rohr-in-Rohr-Anordnung gemäß dem Stand der Technik; -
2A ,2B jeweils in geschnittener Seitenansicht eine Abdichtkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer nicht-konischen Rohr-in-Rohr-Anordnung; -
3 einen Vergleich der Belastungen bei einer vorbekannten Rohr-in-Rohr-Anordnung gemäß dem Stand der Technik und bei einer Abdichtkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel, in Abhängigkeit von einem Ausmaß einer axialen Relativbewegung; und -
4A ,4B in einer Seitenansicht und in einer Schnittansicht gemäß der strichpunktierten Schnittlinie einen Teil einer Elektrolyseanlage mit einer Zelle mit einer darin verbauten Abdichtkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1A .1B each in a sectional side view of a prior art, conical tube-in-tube arrangement according to the prior art; -
2A .2 B each in a sectional side view of a sealing coupling according to an embodiment with a non-conical tube-in-tube arrangement; -
3 a comparison of the loads in a prior art pipe-in-pipe arrangement according to the prior art and in a Abdichtkupplung according to an embodiment, in dependence on a degree of axial relative movement; and -
4A .4B in a side view and in a sectional view along the dash-dotted line section of a part of an electrolysis plant with a cell with a sealing coupling installed therein according to an embodiment.
Die
Die
Die Abdichtkupplung
Die am äußeren Rohr
Beide Rohre
Die Radialverdickung
Die
Das Ausmaß einer axialen Relativbewegung ist hier mittels des Zeichens Δz kenntlich gemacht und auf der Abszisse aufgetragen.The extent of an axial relative movement is indicated here by means of the symbol Δz and plotted on the abscissa.
Die
Zur Funktionsweise der Elektrolyseanlage
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektrolyseanlageelectrolysis plant
- 33
- Zellecell
- 55
- Rohr-in-Rohr-AnordnungTube-in-tube assembly
- 5.15.1
- Überlappungsbereichoverlap area
- 1010
- AbdichtkupplungAbdichtkupplung
- 1111
- inneres (erstes) Rohr, insbesondere Sammelrohrinner (first) pipe, in particular collecting pipe
- 11.111.1
- innere Mantelflächeinner jacket surface
- 11.211.2
- Rohrwandungpipe wall
- 11.311.3
- äußere Mantelflächeouter jacket surface
- 11.3111:31
- Dichtflächesealing surface
- 11.511.5
- freies Endefree end
- 11.711.7
- Radialverdickungradial enlargement
- 1313
- äußeres (zweites) Rohr, insbesondere Standrohrouter (second) tube, in particular standpipe
- 13.113.1
- innere Mantelflächeinner jacket surface
- 13.1113:11
- Dichtfläche bzw. DichtflächenabschnittSealing surface or sealing surface section
- 13.313.3
- äußere Mantelflächeouter jacket surface
- 13.513.5
- freies Endefree end
- 1515
- Rohr-in-Rohr-AnordnungTube-in-tube assembly
- 15.115.1
- Überlappungsbereichoverlap area
- MM
- Mittenlängsachsecentral longitudinal axis
- r7r7
- radiale Erstreckung der RadialverdickungRadial extension of the radial thickening
- ss
- Kennwert für Materialspannung/-beanspruchungCharacteristic value for material stress / stress
- z71z71
- Axialposition der RadialverdickungAxial position of the radial thickening
- z72Z72
- axiale Erstreckung der Radialverdickungaxial extension of the radial thickening
- z11z11
- axiale Erstreckung der (inneren) Dichtflächeaxial extension of the (inner) sealing surface
- z13z13
- axiale Erstreckung der (äußeren) Dichtflächeaxial extension of the (outer) sealing surface
- rr
- radiale Richtungradial direction
- uu
- Umfangsrichtungcircumferentially
- zz
- axiale Richtungaxial direction
Claims (15)
Priority Applications (2)
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- 2017-04-28 DE DE102017207254.7A patent/DE102017207254A1/en active Pending
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- 2018-04-27 WO PCT/EP2018/060857 patent/WO2018197662A1/en active Application Filing
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Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2018197662A1 (en) | 2018-11-01 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: THYSSENKRUPP NUCERA AG & CO. KGAA, DE Free format text: FORMER OWNER: THYSSENKRUPP UHDE CHLORINE ENGINEERS GMBH, 44141 DORTMUND, DE |