DE10256553A1 - Thermal insulation, for insulating pipelines for conveying crude oil and natural gas, comprises matrix made from microporous material based on silicate or polymer containing hollow spheres and additive - Google Patents

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Abstract

Thermal insulation (1) comprises a matrix (2) made from microporous material based on silicate or polymer containing hollow spheres (3) and an additive (4) consisting of a phase-changing material (5) having the properties of a latent heat storage material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine thermische Isolation gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a thermal insulation according to the generic term of claim 1.

Solche thermischen Isolationen kommen vorzugsweise bei baulichen Einrichtungen zur Anwendung, die unter Wasser installiert sind, und für die Förderung von Rohöl oder Erdgas vorgesehen sind.Such thermal insulation is preferred in structural facilities for use installed under water are, and for the promotion of crude oil or natural gas are provided.

Die Ölförderung vom Meeresboden aus erfordert eine Vielzahl von Rohrleitungen sowie Ventil- und Steuersysteme, die unterseeisch montiert werden müssen. Diese baulichen Einrichtungen müssen thermisch isoliert werden, da die Temperaturen bei regelmäßigen Unterbrechungen der Förderung hierin stark absinken. Das zu fördernde Rohöl enthält Bestandteile, die sich in den Rohrleitungen und Ventilen ablagern, wenn die Temperaturen in diesen Bauelementen unter einen definierten Wert absinken. In baulichen Einrichtungen, die über keine, oder nur eine unzureichende thermische Isolation verfügen, bilden sich Hydrat- und Wachs-Ablagerungen, deren Beseitigung aufwendig und teuer ist.Oil production from the sea floor requires a variety of piping, valve and control systems, that have to be installed undersea. These structures need thermal be isolated as the temperatures are interrupted during regular production drop sharply here. That to be funded Crude oil contains ingredients which are deposited in the pipes and valves when the temperatures in these components drop below a defined value. In structural Bodies that have no, or only have inadequate thermal insulation hydrate and wax deposits, their elimination is complex and is expensive.

In der US-PS 6 000438 ist eine thermisch isolierte Rohrleitung für den Transport von strömenden Medien in unterseeischen Bereichen beschrieben. Die das Medium führende innere Rohrleitung ist von einer thermischen Isolierschicht umgeben, welche die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers aufweist. Diese Isolierschicht ist von einem konzentrisch zur inneren Rohrleitung angeordneten metallischen Mantelrohr umgeben. Die Speicherung von latenter Wärme in der Isolierschicht wird durch Verwendung eines Phasenänderungsmaterials erreicht, welches beim Übergang vom festen in den flüssigen Zustand eine hohe Schmelzenthalpie als latente Wärme aufnimmt. Wird das ge schmolzene Phasenänderungsmaterial abgekühlt, so gibt es bei der Erstarrungstemperatur die aufgenommene Schmelzenthalpie wieder ab und geht wieder in einen festen Zustand über. Durch die zusätzliche Abgabe der latenten Wärme wird die Abkühlzeit des geförderten Mediums verlängert. Doppelwandige Förderleitungen wie sie hier beschrieben sind, sind teuer und wegen ihres großen Durchmessers nicht überall nutzbar. Bei baulichen Einrichtungen in Form von Ventilen und Verteilern ist eine doppelwandige Ausführungen weder wirtschaftlich noch kann sie technisch sinnvoll ausgebildet werden.In the U.S. Patent 6,000,438 describes a thermally insulated pipeline for the transport of flowing media in undersea areas. The inner pipeline carrying the medium is surrounded by a thermal insulation layer, which has the properties of a latent heat store. This insulating layer is surrounded by a metallic jacket pipe arranged concentrically to the inner pipe. The storage of latent heat in the insulating layer is achieved by using a phase change material, which absorbs a high enthalpy of fusion as latent heat during the transition from the solid to the liquid state. If the melted phase change material is cooled, it releases the absorbed enthalpy of fusion again at the solidification temperature and returns to a solid state. The cooling medium of the pumped medium is extended by the additional release of latent heat. Double-walled delivery lines as described here are expensive and cannot be used everywhere due to their large diameter. In the case of structural devices in the form of valves and distributors, a double-walled design is neither economical nor can it be technically meaningful.

Aus der US-PS 6058979 ist eine Isolation für bauliche Einrichtungen der eingangs genanten Art bekannt, die aus einem Polymer in Form von Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, Epoxiden und Elastomeren hergestellt wird. Eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 W/mK, gute mechanische Eigenschaften sowie das ebenfalls geringe Gewicht dieser Werkstoffe sind für die Verwendung als Wärmedämmmaterial von Vorteil. Die Wärmedämm-Eigenschaften und das Gewicht des Polymers wird durch den Zusatz von Hohlkugeln in Form von Glas und/oder Kunststoff noch verbessert. Die Hohlkugeln sind unterschiedlich groß, um den Füllgrad zu erhöhen, und die Wärmeleitfähigkeit zu senken. Trotz einer solchen Isolation lässt sich die Bildung von Ablagerungen in unterseeischen Einrichtung, die zur Förderung von Rohöl vorgesehen ist, nicht vollständig ausschließen.From the U.S. Patent 6058979 is an insulation for structural facilities of the type mentioned, which is made of a polymer in the form of polypropylene, polyethylene, polyurethane, epoxies and elastomers. A thermal conductivity of approximately 0.2 W / mK, good mechanical properties and the low weight of these materials are advantageous for use as thermal insulation material. The thermal insulation properties and the weight of the polymer are further improved by the addition of hollow spheres in the form of glass and / or plastic. The hollow spheres are of different sizes in order to increase the degree of filling and to reduce the thermal conductivity. Despite such isolation, the formation of deposits in undersea facilities intended to extract crude oil cannot be completely ruled out.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine thermische Isolation für unterseeische Einrichtungen zur Förderung von Rohöl und Erdgas aufzuzeigen, mit der Ablagerungen der eingangs genannten Art im Innenbereich dieser Einrichtungen vermieden werden können .The invention has for its object a thermal insulation for undersea facilities for the extraction of crude oil and natural gas to demonstrate with the deposits of the type mentioned in the Interior of these facilities can be avoided.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is due to the characteristics of claim 1 solved.

Die Matrix der erfindungsgemäßen Isolation wird aus einem konventionellen Isolationsmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit von < 0,2 W/mK in Form eines Polymers hergestellt, in das hohle Kugeln aus Glas eingebettet sind. Die Matrix kann auch aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis gefertigt werden. Eine Matrix aus einem solchen Material wird aus Siliziumdioxidpartikeln gepresst, die eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen. Wird die Matrix aus einem Polymer hergestellt, kann hierfür Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, ein Epoxidharz oder ein Elastomer verwendet werden. In diese Matrix wird ein weiterer Füllstoff eingebettet, der teilweise aus einem Phasenänderungsmaterial besteht, das die Eigenschaften eines Latentwärmespeichers besitzt. Als weiteren Füllstoff können Kugeln aus einem Polymer in Form eines Polyacrylats verwendet werden, die mit einem solchen Phasenänderungsmaterial gefüllt sind. Als Phasenänderungsmaterial eignen sich Paraffine oder Salzhydrate. Dieser zusätzliche Füllstoffe wird während der Herstellung der erfindungsgemäßen Isolation in das die Matrix bildende Material eingemischt.The matrix of the insulation according to the invention is from a conventional insulation material with low thermal conductivity of <0.2 W / mK made in the form of a polymer into which hollow spheres of glass are embedded. The matrix can also be made of a microporous material are made on a silicate basis. A matrix of one Material is pressed from silicon dioxide particles that are a few nanometers in size exhibit. If the matrix is made of a polymer, polypropylene, Polyethylene, polyurethane, an epoxy resin or an elastomer is used become. Another filler is partially embedded in this matrix from a phase change material exists that has the properties of a latent heat storage. As another filler can Balls made of a polymer are used in the form of a polyacrylate, those with such a phase change material filled are. Suitable as phase change material themselves paraffins or salt hydrates. This additional filler is used during the Production of the insulation according to the invention mixed into the material forming the matrix.

Die mit einem Phasenäderungsmaterial gefüllten Kugeln lassen sich sehr gut in beide Materialen einarbeiten, welche für die Herstellung der Matrix genutzt werden. Der Anteil an Kugeln, die mit dem Phasenäderungsmaterial gefüllt sind, kann zwischen 10 und 70 Voiumen-% betragen, bezogen auf das Gesamtvolumen der Isolation. Optimal sind Anteile zwischen 35 % und 50 %.The one with a phase change material filled Balls can be worked very well into both materials, which for the Production of the matrix can be used. The percentage of balls that with the phase change material filled are between 10 and 70% by volume, based on the total volume of isolation. Shares between 35% and 50% are optimal.

An Stelle der Kugeln, die mit dem Phasenänderungsmaterial gefüllt sind, können auch poröse Teilchen verwendet werden, in deren Poren ein solches Phasenänderungsmaterial eingefüllt ist. Hierfür kann beispielsweise Diatomeenerde verwendet werden, deren Teilchen eine Größe von 0,2mm bis 5mm auf weisen, und in deren Poren der Latentwärmespeicher eingefüllt wird. Poröse Polymerteilchen mit einer Größe von 0,5mm bis 20mm können ebenfalls verwendet werden. In beiden Fällen werden die Poren nicht vollständig gefüllt, so dass eine Volumenänderung von 10% des Phasenänderungsmaterials bei der Phasenumwandlung aufgenommen werden kann. Durch die Kapillarkräfte bleibt der Latentwärmespeicher immer innerhalb der Poren, so dass keine weitere Kapselung erforderlich ist.Instead of the balls that are filled with the phase change material, porous particles can also be used, in whose pores such a phase change material is filled. For example, diatomaceous earth can be used for this purpose, the particles of which have a size of 0.2 mm to 5 mm and the pores of which the latent heat store is filled. Porous polymer particles with A size from 0.5mm to 20mm can also be used. In both cases, the pores are not completely filled, so that a volume change of 10% of the phase change material can be absorbed during the phase change. Due to the capillary forces, the latent heat storage always remains within the pores, so that no further encapsulation is required.

Als Zusatz kann auch ein Granulat verwendet werden, bei dem bei dem das Paraffin oder das Salzhydrat mit Hilfe eines Bindemittels gebunden ist. Das Bindemittel wird so gewählt, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials nicht flüssig wird. Durch die Bindung im Granulat wird die Volumenänderung ähnlich wie in einem porösen Träger unterdrückt. Das Granulat weist vorzugsweise Teichen mit einer Größe zwischen 0,2mm und 5mm auf. Die Her stellung und die Eigenschaften solcher Granulate sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. Sie werden deshalb hier nicht näher erläutert.Granules can also be added be used in which the paraffin or the salt hydrate is bound with the aid of a binder. The binder will chosen so that the granules also above the phase transition temperature of the Phase change material not liquid becomes. Due to the binding in the granulate, the change in volume is similar to in a porous carrier suppressed. The granules preferably have ponds with a size between 0.2mm and 5mm. The manufacture and properties of such Granules have long been known from the prior art. she are therefore not closer here explained.

Die erfindungsgemäße Isolation wird sich beim Absinken der Temperatur der unterseeischen Einrichtungen während einer Förderpause bis zur Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials eher etwas schneller abkühlen, als konventionelle Isolationen, da die Wärmeleitfähigkeit der Isolation wegen des geringeren Luftgehalts höher ist. Aber im Bereich der Phasenumwandlungstemperatur des Latentwärmespeichers wird die Abkühlung stark verzögert, bis das gesamte, als Latentwärmespeicher genutzte Material vom flüssigen in einen festen Zustand übergegangen ist. Das als Latentwärmespeicher genutzte Material wird so gewählt, dass seine Phasenumwandlungstemperatur über der kritischen Temperatur liegt, bei der Hydrate und Wachse aus dem geförderten Medium abgeschieden werden. Dann kann das Unterschreiten der kritischen Temperatur während des Abkühlens deutlich verzögert werden.The insulation according to the invention will Lowering the temperature of the submarine facilities during a delivery pause something up to the phase change temperature of the phase change material cool down faster, than conventional insulation because of the thermal conductivity of the insulation the lower air content is higher. But in the area of the phase transition temperature of the latent heat storage the cooling becomes strong delayed until the whole, as latent heat storage used material from the liquid changed to a solid state is. That as a latent heat storage material used is chosen so that its phase transition temperature is above the critical temperature is at which hydrates and waxes separated from the pumped medium become. Then falling below the critical temperature during the cooling significantly delayed become.

Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.Other inventive features are in the dependent claims characterized.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.The invention will follow Hand explained in more detail by schematic drawings.

Es zeigen:Show it:

1 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Isolation , 1 a structure of an insulation according to the invention,

2 eine Variante der in 1 gezeigten Isolation. 2 a variant of the in 1 insulation shown.

1 zeigt eine Isolation 1, mit einer Matrix 2, hohlen Kugeln 3 und einem Zusatz 4. Die Matrix 2 ist aus einem konventionellen Isolationsmaterial mit geringer Wärmeleitfähigkeit von <0,2 W/mK gefertigt. Für die Herstellung der Matrix kann ein Polymer verwendet werden, in das hohle Kugeln 3 aus Glas oder Kunststoff eingebettet sind. Für die Herstellung der Matrix wird in diesem Fall Polypropylen, Polyethylen, Polyurethan, ein Epoxidharz oder ein Elastomer verwendet. Der Durchmesser der Kugeln 3 liegt zwischen 50 und 500 um. Er kann in Einzelfällen aber auch bis zu 5 mm betragen. Die Kugeln 3 haben die Aufgabe, die Wärmeleitfähigkeit der Isolation 1 auf einem niedrigen Wert zu halten. Durch die großen Kugeln 3 wird zudem die Dichte der Isolation 1 und damit auch ihr Gewicht reduziert. Die Matrix 2 kann auch aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis gefertigt werden. Eine Matrix aus einem solchen Material wird beispielsweise aus Siliziumdioxidpartikeln gepresst, die eine Größe von wenigen Nanometern aufweisen. In die Matrix 2 der Isolation 1 ist der Zusatz 4 eingearbeitet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um Kugeln 4, die aus einem Polymer gefertigt sind. Für die Herstellung der Kugeln 4 kann beispielsweise Polyacrylat verwendet werden. Die Kugeln 4 sind mit einem Phasenänderungsmaterial 5 gefüllt, das die Funktion eines Latentwärmespeichers besitzt. Vorzugsweise enthalten diese Kugeln 4 Paraffin oder ein Salzhydrat. Sie haben einen Durchmesser zwischen 10μm und 100 um. Der Anteil an Kugeln 4 beträgt 10 bis 70 Volumen-%, vorzugsweise 35 bis 50 Volumen-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Isolation 1. Durch den zusätzlichen Füllstoff ist die Isoiation 1 besonders für in der Tiefsee installierte bauliche Einrichtungen (hier nicht dargestellt) geeignet, die heute schon mit Polymeren oder mikroporösen Isolationen gedämmt werden. 1 shows isolation 1 , with a matrix 2 , hollow balls 3 and an addition 4 , The matrix 2 is made of a conventional insulation material with a low thermal conductivity of <0.2 W / mK. For the preparation of the matrix, a polymer can be used in the hollow balls 3 embedded in glass or plastic. In this case, polypropylene, polyethylene, polyurethane, an epoxy resin or an elastomer is used to produce the matrix. The diameter of the balls 3 is between 50 and 500 µm. In individual cases, however, it can also be up to 5 mm. The balls 3 have the task of thermal insulation 1 to keep at a low value. Through the big balls 3 is also the density of the insulation 1 and thus also reduced their weight. The matrix 2 can also be made from a microporous material based on silicate. A matrix made of such a material is pressed, for example, from silicon dioxide particles that have a size of a few nanometers. Into the matrix 2 of isolation 1 is the addition 4 incorporated. The exemplary embodiment shown here is a sphere 4 made of a polymer. For the production of the balls 4 For example, polyacrylate can be used. The balls 4 are with a phase change material 5 filled, which has the function of a latent heat storage. These preferably contain balls 4 Paraffin or a salt hydrate. They have a diameter between 10 μm and 100 μm. The percentage of bullets 4 is 10 to 70% by volume, preferably 35 to 50% by volume, based on the total volume of the insulation 1 , Due to the additional filler, the insulation is 1 Particularly suitable for structural facilities installed in the deep sea (not shown here) that are already insulated with polymers or microporous insulation.

An Stelle der Kugeln 4 können auch poröse Teilchen 10 verwendet werden, in deren Poren 11 Phasenänderungsmaterial 5 mit der Eigenschaft eines Latentwärmespeichers eingefüllt wird. Hierfür können beispielsweise Teilchen aus Diatomeenerde mit einer Größe von 0,2mm bis 5mm verwendet werden. Poröse Teilchen 10, die aus einem Polymer gefertigt sind, und eine Größe von 0,2 mm bis 5 mm aufweisen, können ebenfalls verwendet werden. In beiden Fällen werden die Poren 11 nicht vollständig gefüllt, so dass eine Volumenänderung des Materials von 5 bis 10% aufgenommen werden kann, die bei der Phasenumwandlung des Materials 5 auftritt. Durch die Kapillarkräfte bleibt das Phasenänderungsmaterial 5 immer innerhalb der Poren 11, so dass keine weitere Kapselung erforderlich ist.Instead of the balls 4 can also be porous particles 10 used in their pores 11 Phase change material 5 is filled with the property of a latent heat storage. For example, particles of diatomaceous earth with a size of 0.2 mm to 5 mm can be used for this. Porous particles 10 made of a polymer and having a size of 0.2 mm to 5 mm can also be used. In both cases, the pores 11 not completely filled, so that a volume change of the material of 5 to 10% can be absorbed, which occurs during the phase change of the material 5 occurs. The phase change material remains due to the capillary forces 5 always inside the pores 11 so that no further encapsulation is required.

Als Zusatz 4 kann auch ein Granulat (hier nicht dargestellt) verwendet werden, bei dem bei dem das Paraffin oder das Salzhydrat mit Hilfe eines Bindemittels gebunden ist. Das Bindemittel wird dabei so gewählt, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenurnwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials nicht flüssig wird. Durch die Bindung im Granulat wird die Volumenänderung unterdrückt. Das Granulat kann ähnlich wie die porösen Teilchen zwischen 0,2 und 5 mm groß sein.Additionally 4 can also be used a granulate (not shown here), in which the paraffin or the salt hydrate is bound with the aid of a binder. The binder is chosen so that the granules do not become liquid even above the phase transition temperature of the phase change material. The change in volume is suppressed by the binding in the granulate. Similar to the porous particles, the granulate can be between 0.2 and 5 mm in size.

Auf die Matrix 2 kann, falls es die Gegebenheiten erfordern, nach außen zu eine zusätzliche Schicht aus mikroporösem Material auf Silikatbasis oder ein Polymer mit eingearbeiteten hohlen Kugeln zur weiteren Verbesserung der Isolation 1 aufgetragen ist.On the matrix 2 can, if the circumstances require, to the outside to an additional layer of microporous material based on silicate or a polymer with incorporated hollow balls to further improve the insulation 1 is applied.

Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die hier beschriebenen Ausführungsbeispiele der Isolation. Vielmehr umfasst sie alle Variationen der Isolation, die dem Kern der Erfindung zugeordnet werden können.The invention is not limited to the embodiments of insulation described here. Rather, it encompasses all variations of isolation that can be assigned to the essence of the invention.

Claims (7)

Thermische Isolation, mit einer Matrix (2) aus einem mikroporösen Material auf Silikatbasis oder einem Polymer, in das hohle Kugeln (3) eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix (2) einen Zusatz (4, 10) eingearbeitet ist, der wenigstens bereichsweise ein Phasenänderungsmaterial (5) enthält, das die Eigenschaft eines Latentwärmespeichers aufweist.Thermal insulation, with a matrix ( 2 ) made of a microporous material based on silicate or a polymer into which hollow spheres ( 3 ) are embedded, characterized in that in the matrix ( 2 ) an addition ( 4 . 10 ) is incorporated, which at least in some areas contains a phase change material ( 5 ) contains, which has the property of a latent heat storage. Isolation nach einem der Ansprüche 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatz (4) Kugeln mit einem Durchmesser zwischen 10 um und 100 um vorgesehen sind, die eine Füllung in Form eines Phasenänderungsmaterials (5) aufweisen.Insulation according to one of claims 1, characterized in that as an additive ( 4 ) Balls with a diameter between 10 .mu.m and 100 .mu.m are provided, which are filled in the form of a phase change material ( 5 ) exhibit. Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (4) aus Polyacrylat gefertigt und das Phasenänderungsmaterial (5) ein Paraffin oder ein Salzhydrat ist.Insulation according to one of claims 1 to 3, characterized in that the balls ( 4 ) made of polyacrylate and the phase change material ( 5 ) is a paraffin or a salt hydrate. Isolation nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Matrix (2) poröse Teilchen (10) aus Diatomeenerde und/oder einem porösen Polymer eingearbeitet sind, und dass in die Poren (11) der Teilchen (10) ein Phasenänderungsmaterial (5) in Form eines Paraffins oder eines Salzhydrats eingefüllt ist.Isolation according to claim 1, characterized in that in the matrix ( 2 ) porous particles ( 10 ) are incorporated from diatomaceous earth and / or a porous polymer, and that in the pores ( 11 ) of the particles ( 10 ) a phase change material ( 5 ) is filled in the form of a paraffin or a salt hydrate. Isolation nach Anspruch 1 nach einem der Ansprüche 1 bis, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatz (4) als Granulat ausgebildet ist, innerhalb dessen das Phasenänderungsmaterial (5) in Form von Paraffin oder Salzhydrat so gebunden ist, dass das Granulat auch oberhalb der Phasenumwandlungstemperatur des Phasenänderungsmaterials (5) fest ist.Insulation according to claim 1 according to one of claims 1 to, characterized in that the addition ( 4 ) is formed as granules, within which the phase change material ( 5 ) is bound in the form of paraffin or salt hydrate so that the granules also above the phase change temperature of the phase change material ( 5 ) is solid. Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Zusatzes (4) 10 bis 70 Volumen-% bezogen auf das Gesamtvolumen der Isolation (1) beträgt.Insulation according to one of claims 1 to 5, characterized in that the proportion of the additive ( 4 ) 10 to 70% by volume based on the total volume of the insulation ( 1 ) is. Isolation nach einem der Ansprüche 1 bis 6, x6, dadurch gekennzeichnet, das auf die Matrix (2) nach außen zu eine zusätzliche Schicht aus mikroporösem Material auf Silikatbasis oder ein Polymer mit eingearbeiteten hohlen Kugeln (3) aufgetragen ist.Isolation according to one of claims 1 to 6, x6, characterized in that the matrix ( 2 ) to the outside to an additional layer of microporous material based on silicate or a polymer with integrated hollow balls ( 3 ) is applied.
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