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Rohrschieber zum Einbau in Leitungen zum Transport von Strömungsmedien
tiefer Temperatur Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrschieber zum Einbau in
Leitungen zum Transport von Strömungsmedien tiefer Temperatur, der in einer von
einer äußeren Hülle umgebenen, rohrförmigen Ventilkammer einen hohlen feststehenden;
mit seitlich sich erstreckenden Öffnungen versehenen und an seinem Stirnende abgeschlossenen
festen Ventilteil enthält sowie ein koaxial zu dem feststehenden Teil innerhalb
der Ventilkammer dichtend geführtes verschiebbares Rohr aufweist, das durch sein
dichtendes Anlegen an das geschlossene Stirnende des feststehenden Ventilteils den
Durchgang des Strömungsmediums, welches durch den hohlen Venitlteil, dessen Öffnungen
und das verschiebbare Rohr strömen kann, abschließt.
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Trasportleitungen für Strömungsmedien tiefer Temperatur, insbesondere
für verflüssigte Gase, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Stickstoff, müssen
eine besonders gute Wärmeisolation der gesamten Leitung aufweisen, um das Eindringen
von Wärme in das Innere .der Leitung und ein dadurch bedingtes Verdampfen des verflüssigten
Gases so weitgehend wie möglich zu verhindern.
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Die Schaffung einer guten Wärmeisolation bereitet besondere Schwierigkeiten
bei Leitungen, die bei Versuchen mit Kälte und mit Hochvakuum sowie bei Experimenten
und genauen Messungen auf dem Gebiete der Kernphysik zum Transport verflüssigter
Gase Verwendung finden und der jeweiligen Versuchsanordnung entsprechend aufgebaut
bzw. umgebaut werden müssen, wenn der Einbau von steuerbaren Absperrorganen in die
Leitungen erforderlich ist.
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Die bisher bekannten in Leitungen für Strömungsmedien einbaubaren
Absperrorgane sind zum Einbau in Transportleitungen für Strömungsmedien sehr tiefer
Temperatur wenig geeignet, da sie keine genügende Isolation des Strömungsweges innerhalb
.des Absperrorgans aufweisen und deshalb eine zusätzliche äußere Wärmeisolation
nötig machen, die zumindest an den Verbindungsstellen zwischen Absperrorgan und
Transportleitung jedesmal entfernt und wieder aufgebracht werden muß, wenn das Absperrorgan
ausgewechselt oder die Leitung umgelegt wird, was einen erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand
erfordert.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein auswechselbares Absperrorgan für
Rohrleitungen zum Transport von sehr kalten Strömungsmitteln zu schaffen, das leicht
herzustellen ist, sich in die wärmeisolierte Leitung leicht ein- und aus ihr ausbauen
läßt und das außerdem eine ausgezeichnete Wärmeisolation gewährleistet. Zur Lösung
dieser Aufgabe wird von einem an sich bekannten Rohrschieber zum Einbau in Leitungen
ausgegangen, wie er eingangs kurz geschildert ist. Bei Rohrschiebern dieser Art
liegen die elastischen Dichtungen, welche das als Absperrglied wirkende, innerhalb
der Ventilkammer dichtend geführte verschiebbare Rohr, durch das das Strömungsmedium
hindurchfließt, unmittelbar außen an dem Rohr an; wenn das Strömungsmittel ein verflüssigtes
Gas sehr tiefer Temperatur ist, nehmen auch .diese Dichtungen eine sehr tiefe Temperatur
an, wodurch ihre Elastizität verschwindet und die Abdichtung ungenügend wird. Außerdem
sind bei den bekannten Rohrschiebern direkte metallische Wärmeleitungsbrücken zwischen
den mit dem sehr kalten Medium in Kontakt befindlichen Ventilteilen und dem äußeren
Rohrschiebergehäüse vorhanden, die ein starkes Eindringen von äußerer Wärme zu dem
Strömungsmittelpfad innerhalb des Rohrschiebers gestatten; um dieses Einfließen
von äußerer Wärme zu vermeiden, müßten am äußeren Umfang des Gehäuses und insbesondere
an seinen Verbindungsstellen mit dem Leitungszug besondere äußere Wärmeisolationen
vorgesehen werden, die man zum Ausbau des Rohrschiebers jedesmal entfernen muß.
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Durch die Erfindung werden diese Nachteile vermieden.
Ein
erfindungsgemäßer Rohrschieber zum Einbau in Leitungen zum Transport von Strömungsmedien
tiefer Temperatur, der in einer von einer äußeren Hülle umgebenen, rohrförmigen
Ventilkammer einen hohlen feststehenden, mit seitlich sich erstreckenden öffnungen
versehenen und an seinem Stirnende abgeschlossenen festen Ventilteil enthält, sowie
ein koaxial zu dem feststehenden Teil innerhalb der Ventilkammer dichtend geführtes
verschiebbares Rohr aufweist, das durch sein dichtendes Anlegen an das geschlossene
Stirnende des feststehenden Ventilteiles den Durchgang .des Strömungsmediums, welches
durch den hohlen Ventilteil, dessen öffnungen und das verschiebbare Rohr strömen
kann, abschließt, ist dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebbare Rohr des Rohrschiebers
mit einem koaxialen, gegen-das Rohr isolierten Innenrohr versehen, die Ventilkammer
als langgestreckte nach außen völlig abgeschlossene Rohrkammer ausgebildet ist und
.die Dichtung des verschiebbaren Rohres gegenüber der Rohrkammer an dem entfernt
von dem Ventilteil liegenden Ende dieser Kammer, zwischen dem Rohr und einem Endteil
der Rohrkammer sitzt, der eine dichte Verbindung zwischen .dieser und der äußeren
Hülle bildet.
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Die den Strömungsweg des sehr kalten Strömungsmittels begrenzenden
rohrförmigen Elemente, wie das Innenrohr des Rohrschiebers und die Ventilkammer
mit ihrem festen Ventilteil sind jeweils mit radialem Abstand von koaxialen äußeren
Rohrelementen umgeben und lassen sich derart langgestreckt ausbilden, daß die die
koaxialen Rohrelemente gegeneinander abstützenden Zwischenstücke in axialer Richtung
sehr weit voneinander entfernt -liegen, um so den-Wärmeleitungsweg von dem innersten
Rohrelement zur äußeren rohrförmigen Hülle sehr lang zu machen, damit auf diesem
Wege keine nennenswerten Wärmemengen von außen bis zu den innersten Rohrelementen
eindringen können; die Außenflächen der inneren Rohrelemente und die Innenflächen
der äußeren Rohrelemente können poliert oder verspiegelt sein und der Zwischenraum
zwischen diesen Elementen kann außerdem evakuiert werden, um eine radiale Wärmeübertragung
durch Strahlung und Konvektion möglichst weit zu verringern.
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Die elastische Dichtung des axial verschiebbaren, doppelwandigen Rohrschieberrohres,
die an dem äußeren Rohrschieberrohr etwa in dessen mittleren Bereich anliegt und
in einem Endteil der Rohrkammer sitzt, der sich bereits im wesentlichen auf der
äußeren Umgebungstemperatur befindet, bleibt stets elastisch und dichtet einwandfrei
ab.
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Zum axialen Verschieben des Rohrschieberrohres gegenüber dem festen
Ventilteil in der Ventilkammer können bekannte Einrichtungen Verwendung finden,
die mechanisch, hydraulisch, pneumatisch oder elektromagnetisch" wirken; zur Verschiebung
in einer Richtung läßt sich ein Federelement verwenden.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Rohrschiebers für sehr kalte Strömungsmedien
macht es ferner auf einfache Weise möglich, die beiderseitigen Anschlußstellen zwischen
dem Rohrschieber und den angrenzenden Abschnitten der Transportleitung als schnell
herstell- und wieder lösbare Einschiebeverbindungen auszuführen, bei denen hinsichtlich
der Wärmeisolation zwischen dem inneren Strömungsweg und der äußeren Hülle das gleiche
Prinzip angewandt ist, wie bei der Isolation der inneren Leitungen des Rohrschiebers.
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Auf der einen Seite des Rohrschiebers kann das axial verschiebbare,
doppelwandige Rohrschieberrohr in einen doppelwandigen Rohr-Endteil der Leitung
eingeschoben werden, über den sich von außen das Hüllrohr des Rohrschiebers schiebt.
Dieses Hüllrohr ist an seinem Ende mit einem Kuppelflansch versehen, der unter Einfügen
einer elastischen Ringdichtung an einem Gegen-Kuppelflansch der Leitung festlegbar
ist. Am anderen Ende des Rohrschiebers ist die Rohr-Ventilkammer zusammen mit dem
äußeren Hüllrohr zur Aufnahme eines doppelwandigen zentralen Einsteck-Anschlußrohres
des folgenden Leitungsabschnitts versehen, der ebenfalls zentral innerhalb einer
äußeren Hülse mit Endflansch angeordnet ist, deren Endflansch unter Einfügen einer
elastischen Dichtung an einem auf dem Hüllrohr des Rohrschiebers angebrachten Gegen!
flansch festlegbar ist.
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Der Rohrschieber gemäß der Erfindung kann also an seinen beiden Enden
derart entsprechend den Leitungsabschnitten einer Transportleitung ausgebildet werden,
daß er sich in der gleichen Weise wie die Abschnitte der Transportleitung durch
Ineinander- und überschieben der Enden in .den Transportleitungszug einsetzen läßt
und die Verbindungsstelle eine sehr gute Wärmeisolation aufweist.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung ist in der Zeichnung zunächst
die Verbindungsstelle einer Transportleitung für sehr kalte Strömungsmedien und
dann ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rohrschiebers veranschaulicht,
der an einer solchen Verbindungsstelle in die. Transportleitung einbaubar ist; es
zeigt F i g. 1 einen Axialschnitt durch die Verbindungsstelle zweier Abschnitte
einer Transportleitung für sehr kalte Strömungsmedien, F i g. 2 einen senkrechten
Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rohrschieber, der einerseits an einen
Transportleitungsabschnitt angeschlossen ist, F i g. 3 einen senkrechten Axialschnitt
durch den Antriebsteil eines Rohrschiebers ähnlich F i g. 2, wo= bei jedoch dieser
Antriebsteil etwas abgeändert ist; F i g. 4 einen vergrößert dargestellten Ausschnitt
aus der F i g. 2, aus dem der feste Ventilteil und das mit diesem zusammenarbeitende
Ende des doppelwandigen verschiebbaren Rohres deutlicher ersichtlich sind.
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Die in F i g. 1 dargestellte Verbindungsstelle zwischen zwei Leitungsabschnitten
einer Transportleitung für sehr kalte Strömungsmedien zeigt die Ausbildung der miteinander
verbundenen Enden zweier Leitungsabschnitte. Der erfindungsgemäße Rohrschieber nach
dem Ausführungsbeispiel soll nach Trennen einer solchen Verbindung zwischen die
beiden Leitungsabschnitte eingebaut werden.
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Der in der F i g. 1 von links kommende Leitungsabschnitt enthält zur
Führung des zu transportierenden verflüssigten Gases 1 ein zentrales Metallrohr
2. Dieses beispielsweise aus nichtrostendem Stahl hergestellte Rohr 2 ist an seinem
äußeren Ende mit einem buchsenartigen End-Zwischenstück 3 versehen und in seinem
mittleren Teil von einem koaxial angeordneten Hüllrohr 4 aus Messing umgeben. Das
Hüllrohr 4 ist durch einen Ringkörper 5 fest mit einer langen Hülse 6 verbunden,
die den aus dem Ringkörper herausragenden Teil des Leitungsrohres 2
mit
Abstand umgibt und außen an dem End-Zwischenstück 3 festgelegt ist. über das Ende
des Hüllrohres 4, den Ringkörper 5 und die Enden der Rohre 2 und 6 erstreckt sich
eine äußere Hülse 7 aus Messing, die an ihrem Ende mit einem Flansch 8 versehen
ist.
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Das Anschlußende des von rechts kommenden Leitungsabschnitts enthält
ebenfalls ein zentrales Rohr 9 aus nichtrostendem Stahl, das an seinem Ende ein
äußeres End-Zwischenstück 10 trägt. Das Rohr 9 ist ebenfalls von einem koaxialen
Hüllrohr 11 aus Messing umgeben. Dieses Hüllrohr 11 ist durch einen Abschlußringkörper
12 mit einer der Hülse 6 des linken Leitungsabschnitts angepaßten Hülse 13 fest
verbunden, die an dem End-Zwischenstück 10 festgelegt ist und sich mit ihrer Innenfläche
eng an die Oberfläche der Hülse 6 der linken Rohrleitung anschmiegt. Schließlich
trägt das Hüllrohr 11 einen Gegenflansch 14, der mit dem Flansch 8 der Hülse 7 unter
Zusammendrücken einer in eine Ausnehmung des Flansches 8 eingefügten Dichtung 15
verbunden werden kann.
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Die zentralen Rohre 2 und 9 sowie die beiden aufeinandergleitenden
Hülsen 6 und 13 bestehen z. B. aus rostfreiem Stahl, Konstantan oder aus irgendeinem
anderen Metall geringer Wärmeleitung, das jedoch gute mechanische Eigenschaften
aufweist.
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Die Herstellung einer solchen Verbindung ergibt sich bereits aus der
Zeichnung; der linke Leitungsabschnitt wird genau koaxial zu dem Ende des rechten
Leitungsabschnitts durch überschieben der Hülse 7 über das freie Ende des Hüllrohres
11 und gleichzeitiges Einschieben der Hülse 6 in die Innenhülse 13 gekuppelt; anschließend
werden die Flansche 8 und 14 unter Zusammendrücken der Ringdichtung
15 verbunden.
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Die elastische Dichtung 15 ist an der Außenseite des Hüllrohres 11
angeordnet und befindet sich .damit etwa auf Umgebungstemperatur. Die einander zugewandten
Flächen der inneren und äußeren Rohrelemente können poliert und gegebenenfalls versilbert
sein, um Wärmeübergang durch Strahlung weitgehend zu vermeiden, die geringe Wärmeleitfähigkeit
des Materials der Hülsen 6 und 13 macht zusammen mit ihrer relativ großen axialen
Länge den Wärmeübergang durch Leitung zwischen den End-Zwischenstücken 3 und 10
und den Ringkörpern 5 und 12 sehr klein, so daß eine gute Wärmeisolation der das
verflüssigte Gas führenden Leitung 2, 9 auch an der Verbindungsstelle gewährleistet
ist.
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Der in F i g. 2 dargestellet erfindungsgemäße Rohrschieber kann nach
Lösen der in F i g. 1 dargestellten Leitungsverbindung zwischen die beiden Leitungsabschnitte
ohne weiteres eingeschaltet werden. Das in der F i g. 2 links liegende Ende des
Rohrschiebers ist praktisch genau so ausgeführt, wie das Anschlußende des in F i
g. 1 von rechts kommenden Leitungsabschnitts; es weist einen Abschluß-Ringkörper
12 auf, der außen an dem Hüllrohr 11 und innen an einem der Hülse 13 entsprechenden
Rohr 13 festgelegt ist, dessen Verlängerung die Rohr-Ventilkammer bildet. Unter
Benutzung des Gegenflansches 14 und der Ringdichtung 15 läßt sich also hier ein
Leitungsabschnitt anschließen, wie er in F i g. 1 als von links kommend dargestellt
ist.
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In das Rohr 13 ist (an Stelle des Zwischenstückes 10 nach .F i g.
1) ein an seinem Stirnende 16 abgeschlossener, hohler fester Ventilteil 17 eingesetzt,
der mit seitlich sich erstreckenden Öffnungen 18 versehen ist. An das geschlossene
Stirnende 16 ist ein Sitz 19 eines koaxial zu dem festen Ventilteil 16 geführten,
mit einem Ansatz-Rohrteil 20 versehenen doppelwandigen Rohres 21 andruckbar, das
durch sein dichtendes Anlegen an das geschlossene Stirnende des feststehenden Ventilteils
den Durchgang des Strömungsmediums abschließt, das bei zurückgezogenem Rohr 21 durch
die Queröffnungen 18 des feststehenden Ventilteils 17 und das verschiebbare Rohr
hindurchströmen kann.
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Der den Abschlußsitz 19 aufweisende Ansatz-Rohrteil 20 ist beispielsweise
aus hochpolymerisiertem Polyäthylen hergestellt. Das doppelwandige Rohr
21 gleitet in .dem die Ventilkammer bildenden Rohrabschnitt 13, der an seinem
Ende durch einen festen Ringkörper 22 in dem Hüllrohr 11 gehalten ist, der an seiner
inneren Fläche eine elastische Ringdichtung 23 enthält. Das doppelwandige Rohr 21
ist sehr lang gestreckt und kann mit seinem rückwärtigen Ende unmittelbar in dem
in der F i g. 2 rechts dargestellten Anschlußende eines an den Rohrschieber angeschlossenen
Leitungsabschnitts, etwa in dessen äußerem Ringkörper 24, geführt sein, der dem
Ringkörper 12 in F i g. 1 entspricht.
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Das doppelwandige Rohr 21 trägt außerdem einen hülsenartigen Kolben
25, der mit dem äußeren Umfang des Rohres 21 verschweißt ist und in zwei Ringnuten
26 und 27 umlaufende Dichtungen 28 und 29 aufweist.
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In der F i g. 3 sind das Rohr 21 und sein Innenrohr deutlicher zu
erkennen.
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Der freie Raum zwischen den beiden Wänden des Rohres 21 kann
über eine Öffnung 30 im äußeren Rohr 21 und ein Kupferrohr 31 leergepumpt
werden, das Kupferrohr 31 wird danach abgequetscht und durch Zinn hermetisch verschlossen.
Vorher kann man auf an sich bekannte Weise Aktivkohle bei 32 einschließen, die durch
an der Stelle 33 befindliche Glas- oder Quarzwolle zusammengehalten wird, um das
Vakuum im Zwischenraum zwischen den Doppelwandungen des Rohres 21 zu verbessern
und aufrechtzuerhalten.
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Das Rohr 21 kann in einer Richtung unter der Wirkung des Druckes eines
Hilfsströmungsmittels auf den Kolben 25 axial verschoben werden, welches von außen
durch den Rohrstutzen 34 zugeleitet wird, und in der entgegengesetzten Richtung
durch die Gegenwirkung einer Schraubenfeder 35.
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Das Öffnen des Rohrschiebers erfolgt durch die Wirkung des Hilfsmediums
auf die Stirnfläche 36 des hülsenartigen Kolbens 25, der bei seiner Verschiebung
nach rechts das bewegliche Rohr 21 mit seinem an dem Ventil-Stirnende 16 fest anliegenden
Gegensitz 19 abhebt (F i g. 4). Das Schließen geschieht unter der Wirkung der Feder
35, die sich an dem Ringkörper 24 abstützt und das Rohr 21 und also auch den Gegensitz
19 durch Kraftübertragung auf die Stirnfläche 37 des hülsenartigen Kolbens 25 zurückdrückt.
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Mittels eines beispielsweise aus Kupfer bestehenden Anschlußrohres
38 kann man den Ringraum zwischen dem Ventilkammerrohr 13 und der Umhüllung 11 evakuieren,
um Wärmeverluste durch Konvektion zu unterbinden.
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Schließlich ist der Rohrschieberkörper von einer Außenhülse 39 umgeben
(die auch den Rohrstutzen
34 trägt), die mit zwei Flanschen 40 und
41 zum Verbinden mit den angrenzenden Rohrleitungen versehen ist.
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F i g. 3 zeigt eine Abänderung der Anordnung zum Öffnen und Schließen
des Rohrschiebers gemäß der Erfindung: Man erkennt wieder die Außenhülse 39, den
Rohrstutzen 34 sowie das Rohr 21, 21a mit doppelter Wandung und seinen hülsenartigen
Kolben 25.
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Die Druckwirkung beim Schließen des Rohrschiebers liefert hier der
Druck eines Strömungsmediums, das durch den Rohrstutzen 42 in- die Kammer 43 geleitet
wird. Dieses Medium wirkt auf die Fläche 37 des hülsenartigen Kolbens 25. Zur Abdichtung
der Kammer 43 dient ein Zwischenstück 44, das mit zwei Ringnuten versehen ist. Die
eine innere Nut 45 enthält eine Dichtung 46 und die andere äußere Nut 47 eine Dichtung
48.
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Es ist empfehlenswert, bei der Fertigung des Rohrschiebers insbesondere
für seine inneren Rohrelemente Rohre aus einem Material zu verwenden, das eine möglichst
geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Wenn diese Rohre aus Metall bestehen, soll
dieses eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die kleiner ist als 0,25 Einheiten (cal
- cm/cm2 - sec - ° C) oder besser in der Größenordnung von 0,05 bis 0,15 Einheiten
liegt, wie bei Konstantan (Legierung von 40 % Nickel und 60 % Kupfer) bzw. bei Nickel-
und Chromstählen.
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Der Rohrschieber gemäß der Erfindung und seine den Leitungen entsprechenden
Anschlußverbindungen weisen wegen ihrer besonderen Bauart zahlreiche Vorteile auf:
Sie sind leicht herzustellen und bestehen aus einer sehr geringen Anzahl von Einzelteilen,
wodurch sich ein niedriger Herstellungspreis erzielen läßt.
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Das Zusammenbauen der Einzelteile der Leitungen und des Rohrschiebers
ist wegen der Ineinanderschachtelung mit Führungen sehr leicht auszuführen. Diese
Erleichterung ermöglicht einesteils eine leichte Wartung und insbesondere schnelle
Reinigungen; anderseits gestattet die besonders einfache Verbindung leicht das Abändern
des Leitungsnetzes, ohne daß man ein Fressen oder Beschädigen an den Dichtungen
befürchten muß.
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Die Rohrschieber sowie die anderen Leitungsbauelemente lassen sich
allgemein auswechseln und erlauben die beliebige Kombination von Bauteilen, wie
Rohren, Stutzen, Bogen, Schiebern usw., um mehr oder weniger verwickelte Leitungsnetze
aufzubauen.
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Die wesentlichen Bauteile des Rohrschiebers und, der Leitungen haben
in den mit dem Strömungsmittel in Berührung stehenden Abschnitten eine sehr geringe
Wärmeträgheit; selbst innerhalb des Rohrschiebers entspricht die Wärmeträgheit oder
-kapazität dieser Abschnitte im wesentlichen der eines Leitungsstückes von gleicher
Länge.
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Weder Rohrschieber noch Leitungen weisen Dichtungen mit Strömungsmitteltemperatur
auf; alle Dichtungen können im Bereich der Umgebungstemperatur angeordnet werden.