DE2639862A1

DE2639862A1 - Waermeisolierter kryogenischer behaelter

Info

Publication number: DE2639862A1
Application number: DE19762639862
Authority: DE
Inventors: George William Burge; Richard Alfred Madsen
Original assignee: McDonnell Douglas Corp
Current assignee: McDonnell Douglas Corp
Priority date: 1975-09-04
Filing date: 1976-09-02
Publication date: 1977-03-17
Also published as: BE845768A; JPS5233116A; FR2323096B1; GB1515218A; DE2639862C2; SE427868B; US3993213A; NO143001C; JPS5815677B2; NO762833L; NO143001B; SE7609690L; FR2323096A1

Description

1 BERLIN 33 8 MÜNCHEN

Auguste-Viktoria-Straße65 η DMCr>UI/C t DADTMCD PienzenauerstraBe2

Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschke Ur. KUbUnAt iit ΓΑΚ I INtK Pat.-Anw. Dipl.-Ing.

Pat.-Änw. Dipl.-Ing. P ATFNTAN WÄ I TF ^{Hans E}· ^R"8<*ke

Olaf Ruschke ΓΛΙ CIM IAINWALI C 98 03 24

Telefon: 030/gfg^fj BERLIN -MÜNCHEN ^Tel^ef°n^:089/₉₈₇258

Telegramm-Adresse: . γ Telegramm-Adresse:

Quadratur Berlin ' Qudadratur München TELEX: 183786 TELEX: 522767

, H 3720

McDonnell Douglas Corporation, Long Beach, California 90846, Y. St. A.

Wärme isoliert er kryogenischer Behälter

Die vorliegende Erfindung betrifft - wärmeisolierte Tanks und Behälter, die für die Lagerung verflüssigter Gase und insbesondere von flüssigem Erdgas (LHG) geeignet sind. Die Erfindung ist insbesondere gerichtet auf eine Wärmeisolierung für kryogenisehe Temperaturen, bei der das Eindringen von Flüssigkeit in die durchlässige Isolierung kontrolliert erfolgt, ein Lüftungssystem für durch dieses Eindringen erzeugte Gase vorgesehen ist und bei dem eine Beeinträchtigung bzw. ein Reißen des Isoliermaterials vermieden sind.

Die Verwendung von Tankinnenwandisoliersystemen für die Spei-

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eherung von Flüssigkeiten bei kryogenischen Temperaturen (bspw. von verflüssigtem Erdgas) ist sehr erwünscht, da ein solches System die Verwendung von nicht für Tiefsttemperaturen geeigneten und daher billigeren Baumaterialien für den Tank selbst erlaubt, die Abkühlungsverluste während des Füllens verringert und leicht zu warten ist. Die thermodynamisehen und hydrostatischen Bedingungen der Lagerung von Stoffen bei kryogenischen Temperaturen lassen jedoch zu, daß die Flüssigkeit in durchlässige Isolierungen eindringt. Obgleich in einigen Anwendungsfällen die thermische Beeinträchtigung nach annehmbar wäre, wenn die eindringende Flüssigkeit stabil wäre und nicht fließen würde, wird jedoch in den meisten Fällen die Isolierung infolge der Druck- und Temperaturwechsel soweit durchlässig, daß sich in jedem abgeschlossenen Isolierblock ein durch die Schwerkraft bewirkter Kreislauf einstellt. Dadurch dringt die Flüssigkeit sehr viel tiefer ein, bewirkt eine nun nicht mehr annehmbare Verschlechterung der thermischen Eigenschaften und kann sogar dazu führen, daß die Temperatur der Tankwand so weit abfällt, daß bei nicht für Tiefsttemperaturen geeigneten bandmaterial Festigkeitsprobleme auftreten.

Beim Eindringen in die durchlässige Isolierung wird eine kryogenische Flüssigkeit - bspw. LETG - langsam wärmer und ver- : wandelt sich in große Volumina von Gas; diese Ausdehnung wäh-, rend des Aufwärmens des Systems kann dazu führen, daß große Stücken der Isolierung herausgerissen werden.

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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Konzepte für die thermische Isolierung von kryogenischen Behältern "bekannt, mit denen versucht wurde, die oben erläuterten Schwierigkeiten zu lösen, die sich aus dem Eindringen der kryogenischen Flüssigkeit in die umgebende Isolierung ergeben. Bspw. ist vorgeschlagen worden, einen thermisch isolierten Behälter für ein verflüssigtes Gas mit einer Außenwand aus im wesentlichen flüssigkeitsundurchdringlichem Wärme isoliermaterial, einer Zwischenschicht aus für Flüssigkeiten vollständig durchlässigem Material (bspw. aus offenzelligem flexiblem Polyurethanschaum) mit einer Lüftungseinrichtung, die ein Entweichen des Gases aus der Schicht erlaubt, sowie mit einer Innenauskleidung aus einem Material mit kontrollierter Durchlässigkeit für Flüssigkeiten (bspw. glasfaserverstärktem Epoxyharz) aufzubauen. Dieses System hat jedoch den Nachteil, eine externe Lüftungsverbindung unmittelbar aus der Zwischenisolierschicht über ein kompliziertes Verteilersystem zu erfordern; weiterhin muss es unter Verwendung unterschiedlicher Arten von Isoliermaterial, die sowohl flüssigkeitsdurchlässig als auch —undurchlässig sein massen, erstellt werden.

Theoretisch kann man das Eindringen der kryogenischen Flüssigkeit, wie oben erläutert und im Stand der Technik gezeigt, vermeiden, indem man eine vollständig undurchlässige Auskleidung zwischen der gelagerten Flüssigkeit und der Isolierung einsetzt. Für diesen'Zweck hat man Auskleidungen aus verschweißtem nichtrostendem Stahl vorgeschlagen. Diese Methode ist je-

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dock kostspielig und ihre Zuverlässigkeit für große und für langandauerndem Einsatz gedachte Anlagen fragwürdig. Wenn bei diesem System eine auch nur geringfügige Leckage auftritt, kann der Druckanstieg bei der Gasexpansion innerhalb der Isolierung zu erheblichen Schäden an der Auskleidung und der Isolierung führen.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen wirksamen Wärmeisolieraufbau für Lagerbehälter und Tanks für kryogenische Flüssigkeiten anzugeben. Es ist ein spezielles Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verhältnismäßig einfaches Wärmeisoliersystem der oben angegebenen Art anzugeben, das Mittel enthält, mit denen sich der Bereich einer Strömung der Flüssigkeit in die Wärmeisolierschicht begrenzen läßt und die eine Dampfschicht kontrollierter Eindringtiefe in die Flüssigkeit erzeugen, wodurch sich die Eindringtiefe der Flüssigkeit in das Isoliermaterial stabilisieren und eine optimale Isolierwirkung erreichen lassen.

Diese Ziele und Vorteile lassen sich nach der vorliegenden Erfindung erreichen, indem man die Eindringtiefe der kryogenischen Flüssigkeit in dem Isoliermaterial auf einer thermisch annehmbaren und stabilen Grenze hält, indem man in der Isolierung eine dünne stabilisierende Sperre geringer Durchlässigkeit vorsieht, die mit einer inneren Auskleidung kombiniert ist, die von der Kaltfläche der Isolierung beabstandet angeordnet und vorzugsweise durchlässig ist. Die Stabilisierungssperre liegt in einem Abstand zur Kaltfläche der Iso-

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lierung, der geringfügig größer ist als die Eindringtiefe einer stabilen Flüssigschicht der kryogenisehen Flüssigkeit durch die durchlässige Innenauskleidung hindurch und in die Isolierung hinein. Dieser Abstand läßt sich berechnen und ist eine Funktion der im Einzelfall zu lagernden Flüssigkeit, der Flüssigdruckhöhe des Tanks, der Temperatur der Warmwand (d.h. der Außenwand), und der Durchlässigkeit dieser Stabilisierungssperre.

Insbesondere weist das Tiefsttemperatur-Isoliersystem nach der vorliegenden Erfindung mindestens zwei Schichten eines Isoliermaterials - vorzugsweise eines faserverstärkten Urethanschaums und eine an der kalten kryogenischen Flüssigkeit angeordnete innere Auskleidung auf, die vorzugsweise durchlässig ist, den Durchgang kryogenischer Flüssigkeit in die angrenzende Wärmeisolierung sowie einen schnellen Gasaustritt aus derselben erlaubt - und eine Metallfolie sowie eine Gewebeunterlage - vorzugsweise eine Kombination aus Aluminiumfolie und Glasfasertuch - aufweist, die vorzugsweise perforiert ist, um einen schnellen Gasablaß zu ermöglichen. Die genannte thermische Stabilisierungssperre ist in der Isolierung angeordnet, von der inneren Flüssigauskleidung beabstandet und weist eine Metallfolie und eine Gewebeunterlage und vorzugsweise ein Glasfasertuch und eine Schicht aus einer Aluminiumfolie auf, um die Durchlässigkeit zu verringern. Ein Kleber wie bspw. ein Polyurethankleber wird eingesetzt, um die jeweiligen Aus- » kleidungen auf dem angrenzenden Wärmeisoliermaterial festzu- !

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legen, das Isoliermaterial auf der Außentankwand festzulegen und auch die einzelnen Schichten des Isoliermaterials miteinander zu verkleben, wo eine Vielzahl solcher Isolierschichten eingesetzt wird.

Als Wichtige Besonderheit der Erfindung muß die Stabilisierungssperre geringer Durchlässigkeit in der Isolierung in einem bestimmten Abstand d von der Kaltfläche der Isolierung, d.h. von der Grenzfläche zwischen der kryogenisehen Flüssigkeit im Tank und der inneren Flüssigauskleidung, angeordnet werden. Wie "bereits erwähnt, ist dieser Abstand geringfügig größer als die Eindringtiefe einer stabilen Flüssigkeitsschicht der kryogenisehen Flüssigkeit, basierend auf bestimmten Parametern einschließlich der im Einzelfall gelagerten Flüssigkeit und der Druckhöhe des Tanks. Die Stabilisiersperre begrenzt den Bereich der durch die Schwerkraft verursachten Strömung. Die Flüssigkeitsströmung durch die stabilisierende Sperrschicht wird verhindert durch die Bildung einer dünnen Dampfschicht, die zwischen der eingedrungenen Flüssigkeit und der richtig angeordneten Sperrschicht entsteht, und durch eine stabile Aufrechterhaltung dieser Gasschicht. Da die Lage der Sperrschicht und die resultierende Wärmeleistung sich vorausbestimmen lassen, handelt es sich "bei dem System nach der vorliegenden Erfindung um ein "konstruiertes" System, das nicht wesentlich von der Verwendung eng tolerierter Isolier- bzw. Auskleidungsmaterialien abhängt, wie sie die genannte Patentschrift lehrt.

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Das Isoliersystem nach, der vorliegenden Erfindung ist einsetze bar zum Auskleiden von Tiefsttemperatur-Lagertanks, Ozeantankern, Fahrzeugen, Eisenbahnwaggons oder andere Vorrichtungen oder Anlagen zum Lagern oder Transport von Flüssigkeiten "bei extrem tiefen Temperaturen. Obgleich, das Konzept der vorliegenden Erfindung auf eine Vielzahl von kryogenen ("cryogens") oder verflüssigten Gasen wie verflüssigtes Erdgas (ENG), verflüssigten Wasserstoff, verflüssigten Sauerstoff, verflüssigtes Äthylen, verflüssigtes Propan und verflüssigtes Methan anwendbar ist, hat sich, herausgestellt, daß es besonders günstig einzusetzen ist,bei der Lagerung oder dem Transport von LFG - insbesondere in großen Tanks mit erheblicher statischer Druckhöhe und niedrigen warmeleckanforderungen von 0,1 ... 1 % pro Tag. In dieser Hinsicht sind Bodenlagertanks für verflüs-' sigtes Erdgas, Schiffe für verflüssigtes Erdgas und Propan sowie Eisenbahn- und ITugzeugtanks· wesentliche Anwendungsfälle.

Obgleich nicht auf diese Materialien beschränkt, sind besonders wirkungsvolle Tiefsttemperatur-Isolierungen nach der vorliegenden Erfindung mit einer glasfaserverstärkten Polyurethanschaumisolierung, urethangetränktem Glasfasergewebe sowie Sperrschichten aus Aluminiumfolie erreicht worden.

Die Erfindung soll nun anhand besonderer Ausführungsformen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen ausführlich beschrieben werden.

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Fig. 1 ist ein Schnitt eines Tanks zum Lagern einer kryogenischen flüssigkeit, insbesondere LlTG;

Fig. 2 ist eine Schnitt ansicht in der durch den gekrümmten Pfeil A gezeigten Ebene;

Fig. 3 zeigt eine Art eines einsetzbaren faserverstärkten Schaumisoliermaterials;

Fig. 4 zeigt eine weitere Art einer einsetzbaren faserverstärkten Schaumisolierung;

Fig. 5 ist ein Diagramm des kritischen Abstands der Stabilisierungssperre (d_) als Funktion der Druckhöhe im

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Tank (für LNG) für verschiedene Gesamtisolierdicken, basierend auf einer speziellen Warmgrenztemperatur; und die

Fig. 6 zeigt in einem Diagramm die thermische Leistungsfähigkeit für optimale Anordnung der Sperrschicht entsprechend der Fig. 5·

Insbesondere zeigt die Fig. 1 einen Lagertank 10 für verflüssigtes Erdgas 12, wobei der Tank eine äußere Wand 14, einen Boden 16 sowie einen Deckel oder Tankverschluß 18 aufweist. Der Tank kann aus jedem geeigneten Material wie Flußstahl oder Stahllegierungen aufgebaut sein.

Auf die Tankwand 14, den Boden 16 und den Deckel 18 des Tanks 10 ist eine erste Schicht eines Isoliermaterials 20 vorzugsweise aus geschlossenzelligem Polyurethanschaum sowie auf die erste Isolierschicht 20 eine zweite innere Schicht aus dem

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gleichen Isoliermaterial aufgebracht, und zwar vollständig um die Seiten herum, auf dem Boden und dem Deckel des Tanks.

Auf der Innenfläche der inneren Isolierschicht 22 und in Berührung mit dem LNG 12 im Tank befindet sich eine innere Auskleidung 24 aus einer Kombination von Aluminiumfolie mit Glasfasergewebe, die perforiert ist, und zwischen der äußeren Isolierschicht 20 und der inneren Isolierschicht 22 befindet sich eine wärmestabilisierende Sperrschicht 26 vorzugsweise aus der Kombination einer Schicht aus Aluminiumfolie und Glasfasertuch. Die Sperrschicht 26 befindet sich in einem vorbestimmten Abstand von der Innenfläche der inneren Auskleidung 24 nach der vorliegenden Erfindung, wie im folgenden ausführlich beschrieben werden wird.

Der Tank 10 ist weiterhin mit einem Auslaß 28 zum Entfernen von LNG-Dämpfen aus dem Tank heraus versehen, um einen Anstieg des Innendrucks zu vermeiden.

Wie nun in lig. 2 der Zeichnung dargestellt, wird das Värmeisoliersystem nach der vorliegenden Erfindung aufgebaut, indem man die äußere Schicht Isoliermaterial 20 auf die Innenfläche der äußeren metallenen Tankwände 14 und dem Boden 16 und den Deckel 18 des Tanks aufklebt. Zu diesem Zweck lassen sich verschiedene Arten durchlässigen Isoliermaterials einsetzen - geschlossenzelliger Polyurethänschaum, geschlossenzelliger Polyvinylchloridschaum sowie Polystyrolschaum u. dergl.

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Das nach der vorliegenden Erfindung bevorzugte und besonders wirkungsvolle Isoliermaterial ist geschlossenzelliger Polyurethanschaum. Weiterhin enthält das Isoliermaterial - besonders Polyurethanschaum - vorzugsweise eine Fas erver Stärkung, um seine Festigkeit zu erhöhen und eine Verschlechterung und Rißbildung im Schaum insbesondere als Ergebnis thermischer Expansion und Kontraktion zu verhindern. Vorzugsweise dienen zur Verstärkung Glasfasern, aber auch andere Fasern wie aus Polyamid (HyIon), Polyester (Dacron), Baumwolle, Cellulose und dergl. lassen sich einsetzen.

Die Fig. 3 zeigt eine Art eines faserverstärkten Isoliermaterials, das sich einsetzen läßt und aus Blöcken von geschlossenzelligem Polyurethanschaum 30 mit gehackten Glasfasern 32 besteht, die im wesentlichen gleichmäßig im gesamten Polyurethanblock verteilt sind.

In der Fig. 4 ist eine bevorzugte Form faserverstärkter Isolierung aus Blöcken aus geschlossenzelligem Polyurethanschaum 34 mit Schichten von Glasfasern 36 gezeigt, die in dem Schaum eingebettet sind und deren Faserenden 38 offenliegen, um ein Festlegen der verstärkten Polyurethanblöcke 34 auf einem Konstruktionselement wie der Tankwand 14 zu erleichtern.Der Polyurethanblock 34 enthält andere, vertikal verlaufende Glasfasern 40, wobei die offenliegenden Faserenden 42 das Festlegen der einzelnen Blöcke aneinander erleichtern und Schichten anderer Fasern 44 waagerecht und rechtwinklig zu den Fasern 36 verlaufen.

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Diese Art der Verstärkung ist als "XYZ-YerStärkung", der resultierende verstärkte Schaum als "3D-Schaum" bekannt.

Wie wiederum in der Fig. 2 der Zeichnung gezeigt, sind vorzugsweise Blöcke des 3D-"verstärkten Polyurethanschaums 34 gem. Fig. 4 "bei 46 miteinander und an der Innenfläche der Tankwand 14 durch einen geeigneten Kleber festgelegt, bei dem es sich vorzugsweise um einen Polyurethankleber wie das als "Adiprene L-100" gehandelte Material handelt.

Die stabilisierende Sperrschicht 26 aus Aluminiumfolie und Glasfasergewebe wird dann mittels eines geeigneten Klebers wie Polyurethankleber auf die Innenfläche der äußeren Isolierschicht 20 aus den Blocken aus 3D-verstärktem Schaum 34 ausgeklebt. Diese stabilisierende Sperrschicht 26 besteht aus der Kombination einer Schicht aus Glasfasergewebe 48 und einer Aluminiumfolie 50, die in Berührung mit dem Glasfasergewebe steht, wobei die Schicht Glasfasergewebe 48 in Berührung mit der Innenfläche der äußeren Schaumisolierschicht 20 aus dem 3D-verstärkten Schaumblöcken 34 steht und auf diesen mit dem genannten Kleber festgeklebt ist. Die auf der Innenseite des Glasfasergewebes 48 befindliche Aluminiumfolie'50 kat- eine geringe Durchlässigkeit, ist aber nicht unbedingt völlig undurchlässig und mit dem Polyurethan kleber auf das Glasfasergewebe 48 aufgeklebt. Der Aluminiumfolie/Glasfaser-Verbund wirkt als Sperre mit kontrollierter Durchlässigkeit für den Durchgang kryogenischer Flüssigkeit von der inneren Isolierschicht 22 zur äußeren Iso-

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lierschicht 20, wie unten ausführlich beschrieben.

Die Außenfläche der Aluminiumfolie 50 berührt die innere Isolierschicht 22 und ist mit dieser mit einem geeigneten Kleber wie bspw. Poljrurethankleber verklebt. Die innere Isolierschicht 22 ist ebenfalls vorzugsweise aus geschlossenzelligem Polyurethanschaum ausgebildet insbesondere aus 3D-glasfaserverstärkten Schaumstoffisolierblöcken 34·' ? die nach ihrem Aufbau den Schaumblöcken 34- entsprechen, wobei jedoch die Dicke der inneren Isolierschicht aus dem 3D-verstärkten Schaumblöcken 34·' allgemein nicht so groß ist wie die äußere Isolierschicht 20 aus den Schaumblöcken 34- und sich nach den schlimmstenfalls auftretenden Betriebsbedingungen richtet.

Auf der inneren Fläche der Isolierung 22 befindet sich die innere Auskleidung 24·, die aus einem in Berührung mit der inneren Isolierung 22 stehenden Glasfasergewebe 52 und einer Aluminiumfolie 54- besteht, die in Berührung steht mit der entgegengesetzten Fläche des Glasfasergewebes 52 und in Berührung steht mit dem Flüssiggas 12 im Tank. Die Aluminiumfolie 54- und das Glasfasergewebe 52 sind vorzugsweise durch kleine regelmäßig angeordnete Löcher 56 von bspw. etwa 1,5 ··· 2,5 mm. (0,06 ... 0,1 in.) Größe versehen, um eine., poröse" und gelüftete innere Auskleidung herzustellen.

Die Aluminiumfolien 54- und 50 der inneren Auskleidung 24· und der Sperrschicht 26 tragen zusätzlich dazu, daß sie die Dur-ch-

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lässigkeit der Auskleidung und Sperrschient kontrollieren, auch, zum Feuerschutz der Isolierung bei. Anstelle von Aluminiumfolien können auch, andere Metallfolien eingesetzt werden bspw. aus Stahl, Uickel-Stahllegierungen und dergl. Die Metallfolien bspw. , aus Aluminium können unterschiedlich dick sein; die Dicke liegt aber im allgemeinen im Bereich von etwa 25/um bis etwa 75yum (0,001 ... 0,003 in.). Obgleich weiterhin Glasfasergewebe in Kombination mit der Aluminiumfolie bevorzugt eingesetzt wird, um die Auskleidung und die stabilisierende Sperrschicht 24- bzw. 26 herzustellen, kann man auch Verstärkungsschichten aus anderen Materialien verwenden - bspw. Polyamid-, Polyester- und Cellulosetuch.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Glasfasergewebe 48 und 52 bzw. mit ihnen gleichwertigen Schichten harzgetränkt, wobei das bevorzugte Glasfasergewebe mit Polyurethanharz getränkt und mit einem Polyurethankleber auf die angrenzende Aluminiumfolie 50 bzw. 54- aufgeklebt ist.

Wie bereits erwähnt, ist die wesentliche Besonderheit im Aufbau der Isolierung nach der vorliegenden Erfindung der Abstand zwischen der stabilisierenden Sperrschicht 26 und der Kaltfläche auf der Innenseite der Aluminiumfolie 54- der inneren Auskleidung 24·. ' Wenn die Isolierung der inneren Schaumschicht 22 sich durch die Temperaturwechsel löst, bewirken thermodynamische und strömungsdynamische Kräfte einen Durchgeiigjier gelagerten kryogenischen Flüssigkeit durch die perforierte Aus-

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kleidung 24· und in die innere Isolierschicht hinein, in der dann infolge der !Schwerkraft die Flüssigkeit zu fließen beginnt. Wenn sich die Sperrschicht 26 in einem Abstand d zur Kaltfläche "befindet, der gleich oder größer ist als eine bestimmte kritische Entfernung d , fängt die Flüssigkeit in der Innenisolierung 22 an der Innenfläche der Sperrschicht 26 zu sieden an und es entwickelt sich eine dünne stabile Gasschicht 58 in der Innenisolierung 22 an der Innenfläche der Sperrschicht 26, d.h. zwischen der gestrichelten Linie 60 und der Innenfläche der Sperrschicht 26. Dieses Sieden hält die Sperrschicht 26 geringfügig über der Sättigungstemperatur der Flüssigkeit und verhindert, daß Flüssigkeit die Sperrschicht 26 berührt und in sie eindringt.

Die kritische Entfernung d hängt vom grundlegenden thermodynamischen Gleichgewicht ab und wird, wie bereits erwähnt, bestimmt von Faktoren wie der im Einzelfall gelagerten kryogenischen Flüssigkeit, der Druckhöhe im Tank, der Warmgrenztemperatur (d.h. der !Temperatur der Außenwand des Behälters) und der Durchlässigkeit der Sperrschicht. Fig. 5 zeigt den Wert von cLpj wie er für LNG für verschiedene Druckhöhen typisch ist, und zwar unter Annahme einer Warmgrenz- bzw. Tankwandtemperatur von 15,56⁰C (60⁰F) und Gesamtdicken der'Isolierung von 203, 305 bzw. 356 mm (8, 12 bzw. 14· in.) entsprechend den Kurven A, B bzw. C. Den kritischen Ort für die Anordnung der ' Sperrschicht berechnet man, indem man zunächst die Sättigungs- ! temperatur der MTG-Zusammensetzung bei der speziellen Druck-

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höhe aus einer Phasengleichgewichtsrechnung oder anderen Testdaten be stimmi; und dann den Ort dieses Sättigungspunktes in der Isolierung "berechnet, indem man die herkömmliche Wärmeübergangsgleichung für eine zweischichtige Isolierung im ausgeglichenen Zustand löst, bei der die innere Schicht eine Wärmeleitfähigkeit gleich der der kryogeni sehen Flüssigkeit und die äußere eine Wärmeleitfähigkeit gleich der der glasgefüllten Isolierung hat.

Die entsprechende thermische Leistungsfähigkeit für optimale Anordnung der stabilisierenden Sperrschicht, wie sie mit den Kurven A, B und C in Pig. 5 angedeutet ist, ist in Jig. 6 mit A¹, B¹ bzw. C¹ gezeigt. Diese Wärmeübergangs zahl en folgen unmittelbar aus der obigen Analyse für die Bestimmung der Anordnung der Sperrschicht. Wird die Sperrschicht 26 in einem Abstand d größer als d angeordnet, ist das Verhalten dieser Systeme zwar stabil und vorhersehbar, aber die thermische Leistungsfähigkeit ist schlechter als optimal, da die Flüssigkeit tiefer in die Isolierschicht 22 eindringt und sich der zweiten Sperrschicht 26 nähert. Ist d geringer als d_cr, bildet sich keine Dampf schicht und wird das System instabil. Im letzteren ,Fall dringt die Flüssigkeit in die Sperrschicht 26 ein, obgleich letztere eine verringerte Durchlässigkeit aufweist; die Wärmeleistungsfähigkeit wird dann" örtlich hoch und nicht zufriedenstellend sein. Wie ersichtlich, ist d eine Funktion

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der Flüssigkeitsdruckhöhe und nimmt mit der Druckhöhe zu. Für optimale Leistung sollte d also die Tankwand hinunter zunehmen,

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d.h. mit zunehmender Tiefe der Flüssigkeit im Tank. Wendet man als praktische Alternative ein konstantes d an, sollte sich dieses nach der maximalen Druckhöhe, d.h. der am Tankboden herrschenden, richten, um das System vollständig stabil zu machen.

Bei normalem Arbeiten der Isolierung nach der Erfindung sollte zwischen der Tankwand und der Sperrschicht 26 keine kryogenische Flüssigkeit vorhanden sein. Die Sperrschicht 26 trägt zu einer Stabilisierung der Eindringtiefe der Flüssigkeit in der inneren Isolierung 22 bei und bringt die Flüssigkeit dort zur Ruhe, so daß die Temperatur der Sperrschicht auf oder über der Sättigungstemperatur der Flüssigkeit liegt und sich deshalb die angrenzende Dampfschicht 58 bildet. Die innere Schaumisolierung 22 ist ausreichend locker und durchlässig, daß die Flüssigkeit und das Gas frei durch die perforierte innere Auskleidung 24 in die und aus der Schaumschicht fließen kann. Diese Fähigkeit der Isolierung nach der Erfindung, Gas und/oder Flüssigkeit schnell aus dem System freizugeben, verhindert Schaden an der Auskleidung und dem Schaum, während das System sich aufwärmt.

Obgleich im bevorzugten Betrieb die Sperrschicht aus einer Kombination aus einer Metallfolie wie einer Aluminiumfolie und einem Gewebe wie Glasfasergewebe besteht, um eine niedrige Durchlässigkeit zu erreichen, hat sich herausgestellt, daß man die Aluminiumfolie 50 aus der Sperrschicht 26 fortlassen kann

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und die GewebeSchicht (d.h. das Glasfasertuch 48, vorzugsweise mit Harz getränkt und auf sowohl die Außenisolierung 20 als auch die Innenisolierung 22 aufgeklebt) allgemein eine ausreichend geringe Durchlässigkeit aufweist, um auch beim Fehlen der Metall- bzw. Aluminiumfolie 50 als stabilisierende Sperrschicht zu wirken.

Obgleich weiterhin im bevorzugten Betrieb die innere Auskleidung 24 porös oder durchlässig ausgeführt wird, wie oben erläutert, kann man die Prinzipien der Erfindung auch mit einer vollständig undurchlässigen inneren Auskleidung zwischen der Lagerflüssigkeit und der Innenisolierung 22 anwenden. In diesem Pail dient die stabilisierende Sperrschicht nach der Erfindung dazu, das Eindringen der Flüssigkeit in die Isolierung zu kontrollieren und gering zuhalten, falls und wenn die undurchlässige innere Auskleidung unter mechanischen Schaden reißen sollte.

Das Konzept wurde an einer Reihe von Heizplatten-Dewar-Tests mit LNG demonstriert und verifiziert,'bei denen eine Probe aus 3D-verstärktem Polyurethanschaumisolierung mit einer Gesamtdicke von 101,6'mm (4 in.) auf einer Seite mit einer elektrisch beheizten Kupferplatte (zum Simulieren der metallenen Tankwand) auf 15,56⁰C (60⁰P) erwärmt und auf der anderen Seite durch die Berührung mit LNG auf -162,2⁰O (-260⁰P) abgekühlt wurde. Weiterhin wurde das LNG so druckbe auf schlägt und unterkühlt, daß die negativsten Bedingungen am Boden eines 37»515 m (123 ft.)

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tiefen Tanks simuliert wurden. Zunächst wurde die Probe ohne Sperrschicht ii^der 101,6 mm (4 in.) dicken Isolierung aufgetaut und den Wärmewechseln ausgesetzt. Zuerst stabilisierte sich die Eindringtiefe der Flüssigkeit bei ihrem natürlichen Vert (etwa 25 mm = 1 in.), was einen Wärmefluß von 56,9856 ... 70,5536 kcal/m²/Std. (21 .. 26 BTlT/ft.².hr) ergab. Fach dem neunzehnten Temperaturwechsel ergab sich Instabilität der Eindringtiefe, wobei örtliche Wärmeflußwerte bis zu 290,3552 kcal/m²/Std. (107 BTU/ft.².hr.) und eine örtliche Eindringtiefe von mehr als 50 mm (2in.) festgestellt wurden.

Diese Probe wurde mit dem gleichen Schaum und in der gleichen Ausführung, aber mit einer internen stabilisierenden Sperrschicht aus Glasfasergewebe und Aluminiumfolie hergestellt. In einem Test wurde die Sperrschicht im optimalen Abstand nach Fig. 5» d.h. etwa 30 mm (1,2 in.) von der mit dem LHG in Berührung stehenden Fläche und in einem weiteren Test nicht optimal und tiefer im System angeordnet, d.h. 44,45 mm (1,75 in.) von der mit dem LETG in Berührung stehenden Fläche entfernt, unter den gleichen Bedingungen wie im vorigen Test wurden 25 zusätzliche Temperaturwechsel für jede der beiden Anordnungen der Sperrschicht durchgeführt. Es stellte sich heraus, daß die Eindringtiefe der Flüssigkeit sich in beiden Fällen unmittelbar vor der Sperrschicht stabilisierte, wobei sich sehr stabile Warmeflußwerte von 62,4128 kcal/m²/Std. (23 BTU/ft.².hr) und 69,7²W kcal/m²/Std. (25,7 BTU/ft.².hr.) für den optimalen bzw. nichtoptimalen Fall ergaben. Zusätzliche Tests wurden mit einer

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entsprechenden, aber größeren Probe "bei einer Gesamtisolierung sdicke von 305 mm (12 in.) gegenüber 101,8 mm (4 in.) in der vorigen Probe durchgeführt. Das Verhalten war identisch wobei jedoch infolge der dickeren Isolierung die Wärmeflüsse geringer waren, d.h. 16,282 ... 18,995 kcal/m²/Std. (6 ... ? BTU /ft.².hr.).

Die nach der vorliegenden Erfindung aufgebaute und insbesondere für die Lagerung und den Transport kryogenischer Flüssigkeiten wie verflüssigten Erdgases ausgelegte Isolierung hatte folgende Besonderheiten und Vorteile: ein konstruiertes internes "Naßwand"-System mit akzeptabler zuverlässiger und vorhersagbarer thermischer Leistungsfähigkeit, den Wegfall der Notwendigkeit kostspieliger undurchlässiger primärer Flüssigkeitssperren in unmittelbarer Berührung mit dem kryogeni sehen Flüssigkeit, die gegen Beschädigungen empfindlich sind, und deren Frsatz durch eine poröse innere Auskleidung, Wegfall der Notwendigkeit einer teuren und eng tolerierten Schaumstoffisolierung mit extrem geringer Durchlässigkeit, eine Isolierung, bei der die wirkliche Flüssigkeitssperre innerhalb der Isolierung liegt und daher im Einsatz und während der Wartung weniger leicht beschädigt werden kann, die Verwendung poröser bzw..gelüfteter Sperren oder Auskleidungen in der Isolierung, so daß sich ein starker Druckanstieg im Schaum während des Aufwärmens, der normalerweise die Isolierung stark beschädigt, eliminieren läßt, und eine Isolierung mit gelüfteter Auskleidung, die ein Entweichen von Gasen erleichtert und damit die Wahrscheinlic'h-

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keit eines Festhaltene gefährlicher Flüssigkeiten verringert.

Diese Besonderheiten und Vorteile lassen sich nach dem oben beschriebenen Konzept einer Isolierung erreichen, bei dem eine interne stabilisierende Sperrschicht reduzierter Durchlässigkeit innerhalb der durchlässigen Schaumisolierung zusammen mit einer vorzugsweise durchlässigen bzw. porösen Auskleidung auf der Innenfläche der Schaumisolierung in Berührung mit der kryogenischen Flüssigkeit eingesetzt wird, wobei die stabilisierende Sperrschicht in einen vorbestimmten Abstand zur Kaltfläche bzw. Innenfläche der Isolierung gebracht wird, so daß sich eine stabile Schicht aus kryogenischem Dampf in der Schaumisolierung an der Innenfläche der stabilisierenden Sperrschicht entwickelt, die im wesentlichen den Durchgang von flüssigem Kältemittel in die Schaumisolierung zwischen der Sperrschicht und der äußeren Tankwand verhindert, gleichzeitig aber einen Abgang von Dämpfen oder Gasen aus der Dampfzone durch die poröse innere Auskleidung hindurch erlaubt.

Das Konzept der Erfindung ist auf eine Vielzahl unterschiedlicher Flüssigkeiten bei Tiefsttemperaturen sowie Isolierungen und Sperrschichtmaterialien, wie beschrieben, anwendbar.

Da dem Fachmann verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung offensichtlich sind' und sich leicht durchführen lassen, ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzugehen, ist die Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche definiert aufzufassen.

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Claims

- 21 - M 3720 Patentansprüche

1. Wärmeisolierter Behälter für Tieftemperatur- bzw. kryogenische Flüssigkeiten einschließlich flüssiges Erdgas, gekennzeichnet durch einen äußeren Behälter mit einer Außenwand, mindestens zwei Schichten Isoliermaterial, die in dem Behälter angebracht sind, einschließlich einer äußeren Isolierschicht und einer inneren Isolierschicht, einer an die innere Schicht angrenzenden inneren Auskleidung die in Berührung mit der Tieftemperatur-Flüssigkeit steht, wobei das Material der inneren Isolierung für die Flüssigkeit durchlässig ist, und einschließlich einer stabilisierenden Sperrschicht geringer Durchlässigkeit für die Flüssigkeit, die sich zwischen den mindestens zwei Schichten aus Isoliermaterial befindet und in einem vorbestimmten Abstand zu der EaItflache der inneren Auskleidung angeordnet ist, so daß das Sieden der die innere Isolierschicht durchdringenden Flüssigkeit in dieser an der stabilisierenden Sperrschicht stattfindet und die Bildung einer stabilen Gasschicht in der inneren Isolierschicht an der stabilisierenden Sperrschicht bewirkt und damit im wesentlichen verhindert, daß die Flüssigkeit mit niedriger Temperatur die Sperrschicht berührt und in sie eindringt, wobei der vorbestimmte Abstand etwas größer ist als di© Eindringtiefe einer stabilen Flüssigkeitsschicht aus der kryogenischen Flüssigkeit in die innere Auskleidung und und die innere Isolierschicht und der vorbestimmte Abstand ■;

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der stabilisierenden Sperrschicht von der Kaltfläche der inneren Auskleidung abhängt von der Art der Tieftemperatur- bzw. kryogenisehen Flüssigkeit, der Druckhöhe der Flüssigkeit im Behälter, der Temperatur der Außenwand des äußeren Behälters und der Durchlässigkeit der stabilisierenden Sperrschicht.

2. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Auskleidung für die Tieftemperatur-"bzw. kryogenisehen Flüssigkeiten durchlässig ist.

3. warmeisolierter Behälter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Isolierschichten Schaumschichten sind, die innere Auskleidung eine Metallfolie und eine Tuchunterlage aufweist, die Metallfolie in Berührung steht mit der Tieftemperatur-Flüssigkeit im Behälter, die innere Auskleidung perforiert ist, um eine schnelle Entlüftung zu ermöglichen, und die stabili-sierende Sperrschicht sich aus einer Metallfolie und einer Tuchunterlage zusammensetzt_a

4„ Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Metallfolie der inneren Auskleidung und der stabilisierenden Sperrschicht eine Aluminiumfolie ist.

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5· Wärmeisolierter Behälter nach. Anspruch 3 oder 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Isolierschichten Polyurethanschaumschichten sind.

6. Wärmeisolierte Behälter nach Anspruch 3₅ 4- oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumschichten faserverstärkt sind.

7. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaumschichten mit Glasfasern verstärkt sind.

8. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 7? dadurch gekennzeichnet, daß die verstärkten Schaumschichten dreidimensional verstärkter Schaum mit in X-, Y- und Z-Richtung orientierten Glasfasern sind.'

9· Wärmeisolierter Behälter nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Tuchunterlagen der inneren Auskleidung und der stabilisierendem Sperrschicht harzimprägniert sind.

10. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 9₅ dadurch gekennzeichnet, daß die Tuchunterlagen der inneren Auskleidung und der stabilisierenden Sperrschicht mit Polyurethanharz getränkt sind.

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11. Wärmeisolierter Bellälter nach. Anspruch. 10, dadurch, gekennzeichnet, daß die perforierte Auskleidung aus Aluminiumfolie und mit Polyurethanharz getränkter Tuchunterläge mittels eines Polyurethanklebers auf die innere Isolierschicht und die stabilisierende Sperrschicht aus Aluminiumfolie und mit Polyurethanharz getränkter Tuchunterlage mittels eines Polyurethanklebers auf die äußere Isolierschicht sind, wobei die äußere Isolierschicht auf die innere Fläche des Behälters mittels eines Polyurethanklebers aufgeklebt ist.

12. Wärmeisolierter Behälter nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß keine kryogenische Flüssigkeit zwischen dem äußeren Behälter und der stabilisierenden Sperrschicht vorliegt, die Temperatur an der stabilisierenden Sperrschicht bei oder über der Sättigungstemperatur der kryogenischen Flüssigkeit liegt und sich deshalb die stabile Gasschicht an der Sperrschicht bildet.

13· Warmeisolierter Behälter für Tieftemperatur- bzw. kryogenische Flüssigkeiten einschließlich flüssigem Erdgas, gekennzeichnet durch einen äußeren Behälter mit einer äußeren Wand, einer ersten äußeren Isolierschicht aus geschlossenzelligem Polyurethanschaum, der auf der Prtnenflache des äußeren Behälters aufgebracht ist, eine zweite innere Isolierschicht aus geschlossenzelligem Polyurethanschaum, die in Umfangsrichtung an der und um die innere Fläche der

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ersten Isolierschicht angebracht ist, eine innere Auskleidung um die und in Berührung mit der zweiten inneren Isolierschicht, wobei die innere Auskleidung eine Kombination aus einem Glasfasertuch und Aluminiumfolie aufweist, "bei⁴der die Aluminiumfolie in Berührung mit der Tieftemperatur-Flüssigkeit in dem Behälter und das Glasfasertuch in Berührung mit der inneren Isolierschicht stehen, wobei die innere Auskleidung weiterhin mit einer Vielzahl von Löchern perforiert ist, die die innere Auskleidung für die Flüssigkeit durchlässig machen, und wobei eine stabilisierende Sperrschicht zwischen der inneren und der äußeren Isolierschicht in Berührung mit diesen angeordnet ist, die aus einer Kombination einer Aluminiumfolie mit Glasfasertuch besteht und eine reduzierte Durchlässigkeit besitzt, wobei die letztgenannte Aluminiumfolie in Berührung mit dem inneren Isoliermaterial und das letztgenannte Glasfasertuch in Berührung mit dem äußeren Isoliermaterial stehen, die stabilisierende Sperrschicht in einem vorbestimmten Abstand von der inneren Fläche der Aluminiumfolie der inneren Auskleidung liegt, so daß das Sieden der die innere Isolierschicht durchdringenden Flüssigkeit in dieser anfcLer Aluminiumfolie der stabilisierenden Sperrschicht stattfindet, zur Bildung einer stabilen Gasschicht in der inneren Isolierschicht an der Aluminiumfolie der stabilisierenden Sperrschicht führt und dadurch im wesentlichen verhindert, daß Tieftemperatur-Flüssigkeit in Berührung mit der Sperrschicht tritt und diese durchdringt, wobei der vorbestimmte

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Abstand etwas größer ist als die Eindringtiefe einer stabilen FlüssigkeitsSchicht der kryogenische Flüssigkeit in der inneren Auskleidling und in der inneren Isolierschicht ist und der vorbestimmte Abstand der stabilisierenden Sperrschicht von der Kaltfläche der inneren Auskleidung abhängt von der Art der Tieftemperatur- bzw. kryogenischen Flüssigkeit, der Druckhöhe der Flüssigkeit im Behälter, der Temperatur der Außenwand des äußeren Behälters und der Durchlässigkeit der stabilisierenden Sperrschicht.

14. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die innere und die äußere Isolierschicht aus Polyurethanschaum jeweils aus Blöcken aus mit Glasfasern verstärktem ürethanschaum bestehen, wobei es sich bei den Fasern um Schichten X-, X- und Z-orientierten Fasern handelt.

15· Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfasertuch der inneren Auskleidung und der stabilisierenden Sperrschicht mit Polyurethanharz getränkt ist.

16. Wärmeisolierter Behälter nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Glasfasertuch der inneren Auskleidung mit einem Polyurethankleber auf der inneren Isolierschicht . festgelegt ist, daß das Glasfasertuch der stabilisierenden

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Sperrschicht auf der äußeren Isolierschicht mil; Polyurethankleber festgelegt ist und daß die Blöcke aus glasfaserverstärktem Polyurethanschaum, die die jeweiligen Isolierschichten "bilden, miteinander mit Polyurethankleber verklebt und die äußere Isolierschicht auf die Innenfläche des Behälters mit Polyurethankleber aufgeklebt ist.

17· Wärmeisolierter Behälter für Tieftemperatur- bzw. kryogenische Flüssigkeiten, der im wesentlichen wie hier unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, aufgebaut ist und betrieben werden kann.

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