DE2829640A1

DE2829640A1 - Mehrwandiger hochdruckbehaelter mit unter vordruck stehendem zwischenraum

Info

Publication number: DE2829640A1
Application number: DE19782829640
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Solmecke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-07-06
Filing date: 1978-07-06
Publication date: 1980-01-17
Also published as: DE2829640B2; DE2829640C3

Description

Mehrwandiger Hochdruckbehälter mit unter Vordruck
stehendem Zwischenraum Mehrwandige Hochdruckbehälter mit unter Vordruck stehendem Zwischenraum werden z.B. in der chemischen und pulververarbeitenden Industrie dann eingesetzt, wenn z.B.
einwandige und damit dickwandige Behälter wegen ungleichmäßiger Werkatoffeigenschaften oder zu großer Spannungen über der Behälterwand nicht mehr verwendet werden können} ferner, wenn Schrumpfbehälter fertigungstechnisch Schwierigkeiten bereiten oder zu teuer werden; ferner, wenn Mehrlagen- oder Wickelbehälter zu schwer und zu teuer werden oder nach den Abnahmevorschriften außerhalb des zugelassenen Durchmesserverhältnisses DaUßen/Dinnen 1,5 liegen; schleßlich, wenn doppelwandige Behälter mit einer Metall-, z.B. Bleifüllung im Zwischenraum aus den weiter unten angegebenen Gründen nicht mehr verwendet werden können.
Solche mehrwandigen Hochdruckbehälter mit unter Vordruck stehendem Zwischenraum werden z.B. als Druckflaschen zum Abpressen von Hochdruckarmaturen, als Behälter für das isostatische Pressen oder als Reaktionsbehälter für die Ammoniak synthese oder die Herstellung von Hochdruckpolyäthylen eingesetzt. Dabei können im Hochdruckbehälter Drücke von über 4000 bar und Temperaturen von über 1000C herrschen.
Der Vordruck im Zwischenraum eines Hochdruckbehälters erbringt eine Verminderung des in Richtung Bersten des Behälters auf die Wände wirkenden Druckunterschiedes. Durch die Verwendung eines geeigneten Vordrucks lassen sich Gewichtseinsparungen von bis zu 50 ,o. erzielen.
Angestrebt wird eine möglichst gleichmäßige Spannungsverteilung über der Behälterwand; diese läßt sch nach dem Stand der Technik durch eine Füllung des Zwischenraumes mit Flüssigkeit oder Gas erreichen, da hier ein gleichmäßiger Vordruck im gesamten Zwischenraum ohne weiteres herstellbar ist. Siehe hierzu "Festigkeit im Apparate-und Anlagenbau" von E. Klapp, Werner-Verlag Düsseldorf, s. 253-255.
Die erforderliche gleichmäßige Spannungsverteilung über der Behälterwand läßt sich bei einer Füllung des Zwischenraumes mit festen Stoffen nicht erreichen, weil vor allem über die Länge des Zwischenraumes wegen innerer Reibung und Reibung an den Wänden ein gleichmäßiger Vordruck nicht erzeugbar ist.
Beider Verwendung von Flüssigkeit oder Gas als Druckübertragungsmittel im Zwischenraum besteht die Gefahr, daß schon bei kleinsten Undichtheiten, die z.B. an Dichtungen oder an Haarrissen der Außenwand auftreten können, der Vordruck abgebaut wird, was zum Bersten des Behälters führen kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen mehrwandigen Hochdruckbehälter mit einem unter Vordruck stehenden Druckübertragungsmittel in jedem Raum zwischen den Wänden so zu verbessern, daß kleinere Undichtheiten, z.B. an Dichtungen oder an Haarrissen der Außenwand keinen nennenswerten Druckabbau im Zwischenraum bewirken.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Druckübertragungsmittel ein solcher Stoff verwendet wird, der bei den vorgesehenen Werten von Druck und Temperatur im Zwischenraum derart thermoelastisch ist, daß er auf ihn einwirkende Kräfte oder Drücke wenigstens näherungsweise wie eine Flüssigkeit überträgt.
Auf dem Markt sind heute plastische Massen aus PVC zur hydraulischen Druckübertragung, die sich etwa wie eine Flüssigkeit verhalten, wenn sie einem entsprechenden Druck ausgesetzt werden. Diese plastischen Massen lassen sich über die gesamte Länge des Zwischenraumes gleichmäßig unter Druck setzen und ermöglichen so eine gleichmäßige Spannungsverteilung über die Behälterwände. Im Gegensatz zu einer Flüssigkeit und in noch größerem Gegensatz zu Gas, welches dazu noch kompressibel ist, entweichen diese plastischen Massen bei kleineren Undichtheiten an Dichtungen oder Haarrissen nicht in nennenswertem Ausmaß; dadurch bleibt der Vordruck im Zwischenraum erhalten und die Sicherheit des Hochdruckbehälters gewährleistet.
Nach Anspruch 2 besteht der erfindungsgemäße Hochdruckbehälter aus einem Kernrohr und einem Mantelrohr, die einen ringförmigen Zwischenraum bilden, der mit Kunststoff gefüllt und unter Vordruck gesetzt ist. Ein mit dem Mantelrohr zusammenspannbarer stirnseitiger Deckel nimmt den axial wirkenden Druck des vom Kernrohr umschlossenen Innenraumes auf und dichtet diesen z.B. mittels eines am Kernrohr anliegenden konischen Ansatzes nach außen hin ab. Zur mechanischen Aufbringung des erwünschten Vordrucks dient dabei ein den Zwischenraum abdichtender Ring; auf diesen können nach einem weiteren Erfindungsmerkmal im Deckel eingesetzte Schrauben einwirken; der Ring kann aber auch mit einem Außengewinde oder einem Innengewinde versehen sein, das mit einem entsprechenden Gewindeansatz im Mantelrohr bzw. im Kernrohr zusammenwirkt, und so selbst zur Aufbringung des Vordrucks dienen.
Nach Anspruch 3 besteht der erfindungsgemäße Hochdruckbehälter aus einem Kernrohr, wenigstens einem Zwischenrohr und einem Mantelrohr, die jeweils einen ringförmigen Zwischenraum bilden, der mit Kunststoff gefüllt und unter nach außen stufenweise geringer werdenden Vordruck gesetzt sind.
Mit dem Mantelrohr bzw. je einem Zwischenrohr zusammengeschraubte Deckel sind mit axialem Abstand voneinander angeordnet und weisen je ein zylindrisches Ansatzstück bzw.
einen zylindrischen Ansatz auf, die den axial wirkenden Druck des Innenraumes aufnehmen, konzentrisch ineinander angeordnet und gegeneinender radial abgedichtet sind. Zur mechanischen Aufbringung der Vordrücke können die Deckel auf je einen einen Zwischenraum abdichtenden Ring einwirken, bzw.
der Ring wird als Gewindering ausgebildet und kann separat zur Druckaufbringung eingesetzt werden.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Hochdruckzylinders ist bei allen drei besprochenen Ausführungsbeispielen einfach; auch die Verstellung des Vordruckes bereitet keine besonderen Schwierigkeiten; nach einem weiteren Erfindungsmerkmal kann diese Verstellung durch eine selbsttätig wirkende Vorrichtung noch während des Betriebs vorgenommen werden. Schließlich ist die Abdichtung von Innenraum und Zwischenräumen durch bekannte Maßnahmen ohne weiteres zu bewerkstelligen.
Für die erfindungsgemäße Verwendung eines Kunststoffes von besonderen Eigenschaften als Druckübertragunsmittel in den Zwischenräumen eines mehrwandigen Hochdruckbehälters gibt es im Stand der Technik kein Vorbild.
Durch die US-Patentschrift 3,080,609 ist lediglich ein Apparat zur Untersuchung von Werkstücken bei extrem hohen Drücken bekanntgeworden, bei dem das Werkstück in ein Rohr aus einem Werkstoff eingebettet ist, der bei Drücken über etwa 50.000at halbplastisch oder zähflüssig wird; dadurch sollen die Radialspalte zwischen den voneinander unabhängigen Sektoren eines umhüllenden Zylinders aus festem Werkstoff ausgefüllt werden.
Dieser Zylinder wird über eine mehrwandige Gummihülle innerhalb eines Metallmantels von außen her unter Druck gesetzt und dient als Druckvervielfältiger. Von der vorstehend angeführten erfindungsgemäßen Verwendung einer Kunststoff-Füllung zur Vergleichmäßigung des Vordruckes und der Spannungsverteilung über die Wände eines für chemische Reaktionen eingesetzten Hochdruckbehälters ist in dieser Patentschrift nicht die Rede.
Im anspruch 13 werden als einzufiillendes DruckübertragungsmIttel aufgeschmolzene Stoffe mit der besonderen Eigenschaft vorgeschlagen, in fes-tem Zustand ein größeres Volumen als in flüssigem Zustand zu haben. Das flüssige Volumen im Zwischenraum erzeugt beim Erstarren einen Zwischendruck, der sich wie erwünscht gleichmäßig radial auswirkt. Dieser Zwischendruck kann dadurch auf die erwünschte Höhe gebracht werden, daß der den Zwischenraum abdichtende Deckel bzw. die einschraubbaren Deckel in eine besonders berechnete bzw. versuchsmäßig ermittelte Stellung gebracht werden.
Im Anspruch 11 werden als einzufüllendes Druckübertragungsmittel feste oder aufgeschmolzene Stoffe mit der besonderen Eigenschaft vorgeschlagen, bei Erwärmung eine etwa doppelt so große Ausdehnung wie die Stahlmäntel an haben. Deshalb erzeugt das fest eingespannte Volumen im Zwischenraum bei Erwartung einen Zwischendruck, der sich wie erwünscht gleichmäßig radial auswirkt. Dieser Zwischendruck kann wieder dadurch auf die erwünschte Höhe gebracht werden, daß der den Zwischenraum abdichtende Deckel bzw. die einschraubbaren Deckel in eine besonders berechnete bzw. versuchsmäßig ermittelte Stellung gebracht werden.
Die Erfindung wird nun mit mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung erläutert; dabei zeigt: Abb. 1 einen Teillängsschnitt eines doppelwandigen Hochdruckbehälters mit stirnseitigem Deckel, Abb. 1a desgl., jedoch mit einer anderen Möglichkeit der Vordruckerzeugung im Zwischenraum, und Abb. 2 einen Teillängsschnitt eines vierwandigen Hochdruckbehälters mit unterteiltem stirnseitigem Deckel.
Gemäß Abb. 1 umschließt ein Kernrohr 1 den Innenraum 7 eines doppelwandigen Hochdruckbehälters. Ein Deckel 8 begrenzt den Innenraum axial und dichtet ihn mittels eines am Kernrohr anliegenden konischen Ansatzes 8? nach außen hin ab.
Ein das Kernrohr mit gleichem Abstand umhüllendes Mantelrohr 2 bildet einen ringförmigen Zwischenraum 3, der mit Kunststoff derartiger Zusammensetzung gefüllt ist, daß er bei den vorgesehenen Werten von Druck und Temperatur (z.B. eeuriire PVC-Kunststoff bei 4000 bar und 1000C) im Zwischenraum derart thermoelastisch ist, daß er auf ihn einwirkende Kräfte oder Drücke wenigstens näherungsweise wie eine Flüssigkeit iiberträgt. Auf einen diesen Zwischenraum axial abdichtenden Ring 4 wirken zur Erzeugung des erwünschten Vordruckes im Deckel eingesetzte Schrauben 5 ein. Der Deckel ist mit dem Mantelrohr axial zusammengespannt und so bemessen, daß die Drücke im Innenraum und im Zwischenraum aufgenommen werden können.
Gemäß Abb. 1 a ist der Hochdruckbehälter so abgeändert, daß der den mit Kunststoff gefüllten ringförmigen Zwischenraum 3 a abdichtende Ring 4 a mit einem Innengewinde versehen ist, das zur Erzeugung des erwünschten Vordruckes mit einem entsprechenden Gewindeansatz im Kernrohr 1 a zusammenwirkt. Hier nimmt der mit dem Mantelrohr zusammengespannte Deckel 8 a nur den Druck im Innenraum 7 a auf.
Gemäß Abb. 2 umschließt ein Kernrohr 1' den Innenraum 7' eines vierwandigen Hochdruckbehälters. Ein das Kernrohr mit gleichem Abstand umhüllendes Zwischenrohr 9 bildet einen ringförmigen Zwischenraum 3' und ein weiterhin mit Abstand umhüllendes Zwischenrohr 9' einen weiteren ringförmigen Zwischenraum 3 ". Schließlich bildet ein mit Abstand umhüllendes Mantelrohr 2' noch einen ringförmigen Zwischenraum 3"'. Diese Zwischenräume sind mit Kunststoff gefüllt und stehen unter jeweils verschiedenem Vordruck, und zwar ist dieser in den äußeren Zwischenräumen jeweils stufenweise geringer.
Je ein Deckel 10, 11, 12 ist mittels eines Außengewindes in das Mantelrohr bzw. in die Zwischenrohre so eingeschraubt, daß ein axialer Abstand verbleibt. Diese Deckel wirken zur Erzeugung des erwünschten Vordruckes auf je einen einen ringförmigen Zwischenraum abdichtenden Ring 13, 14, 15ein. Die Deckel weisen je ein zylindrisches Ansatzstück 10', 11' bzw.
einen zylindrischen Ansatz 12 ' auf, die konzentrisch ineinander angeordnet und gegeneinander radial abgedichtet sind.

Claims

Patentansprüche fA 0 irlehrwandiger Hochdruckbehälter mit einem unter Vordruck stehenden Druckübertragungsmittel in jedem Raum zwischen den händen, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungsmittel in an sich bekannter reise tn solcher Stoff ist, der bei den vorgesehenen Werten von Druck und Temperatur (z.B. ein besonderer PVC-Kunststoff bei 4000 bar und 1000C) im Zwischenraum derart thermoelas-tisch ist, daß er auf ihn einwirkende Kräfte oder Drücke wenigstens näherungsweise wie eine Flüssigkeit überträgt.
2. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß er einen Innenraum (7 bzw. 7a), ein diesen umschliessendes Kernrohr (1 bzw. la), ein dieses mit allseitigem, vorwiegend gleichem Abstand umhüllendes und damit einen ringförmigen Zwischenraum (3 bzw. 3a) bildendes Mantelrohr (2 bzw. 2a) sowie einen mit dem Mantelrohr verbindbaren, vorwiegend zusammenspannbaren stirnseitigen Deckel (8 bzw. 8a) enthält, der den axial wirkenden Druck des Innenraumes aufnimmt und mittels eines am Kernrohr anliegenden konischen Ansatzes (8' bzw. 8a') nach außen hin andichtet (Abb. 1 bzw. 1a).
3. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet;, daß er einen Innenraum (7'), ein diesen umschließendes Kernrohr (1'), mindestens ein mit jeweiligem allseitigem, vorwiegend gleichem Abstand umhüllendes und damit je einen ringförmigen Zwischenraum (3?, 7") bildendes Zwischenrohr (9, 9'), ein in gleicher Weise angeordnetes, einen Zwischenraum (3 " ') bildendes Mantelrohr (2') sowie je einen mit dem Mantelrohr bzw. einem Zwischenrohr verbindbaren, z.B. zusammenschraubbaren stirnseitigen Deckel (1n, 11, 12) enthält, wobei diese Deckel mit axialem Abstand voneinander angeordnet und je ein zylindrisches Ansatzstück (10', 71') bzw. einen zylindrischen Ansatz (12') aufweisen, die den axial wirkenden Druck des Innenraumes aufnehmen, konzentrisch ineinander angeordnet und die gegeneinander radial abgedichtet sind (Abb. 2).
4. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vordruck mechanisch aufgebracht wird.
5. 14ehrwandiger Hochdruckbehälter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Vordruck durch einschraubbare Elemente aufgebracht wird.
6. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einschraubbaren Elemente Schrauben (5) sind, die vom Deckel (8) aus auf einen den Zwischenraum (3) abdichtenden Ring (4) einwirken (Abb. 1)
7. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Zwischenraum (3a) abdichtender Ring (4a) mit einem Außengewinde oder Innengewinde (0versehen ist, das mit einem entsprechenden Gewindeansatz im Mantelrohr (2a) bzw. im Kernrohr (1a) zusammenwirkt und so selbst als einachraubbares Element dient (Abb.1a).
8. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach den Ansprüchen 5 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckel (10, 11, 12) durch ein Außengewinde (10'', 12t') als einschraubbare Elemente ausgebildet sind und auf je einen einen Zwischenraum (3', 3 " , 3"') abdichtenden Ring (15, 14, 13) einwirken (Abb. 2).
9. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach Anspruch 6, 7 oder 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die zur Abdichtung der mit Kunststoff gefüllten Zwischenräume (3 bzw. 3a bzw. 3', 3??, 3"() dienenden Ringe (4 bzw. 4a bzw. 15, 14, 13) so ausgebildet sind, daß sie zur Aufrechterhaltung oder Änderung des jeweils erwünschten Vordrucks auch während des Betriebes verstellt werden können, und zwar z.B. durch eine selbsttätige elektrische, hydraulische oder pneumatische Vorrichtung (Abb. 1 bzw.

1 a bzw. 2).
10. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach einem der AnsrTiche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungsmittel Antimon, tWismllt, Gallium oder ein eutektisches Salz ist, das in aufgeschmolzenem Zustand eingefüllt wird, wobei der den Zvsischenraum abdichtende Ring (4 bzw. 4a) bzw. die einschraubbaren Deckel (10, 11, 12) in eine derart berechnete Stellung gebracht werden, daß sich der jeweils erwünschte Zwischendruck einstellt (Abb. 1 bzw. 1a bzw. 2).
11. Mehrwandiger Hochdruckbehälter nach einem der Ansprüche 6 bis q, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckübertragungsmittel Zn, Sn, Al oder Pb ist, das in festem oder aufgeschmolzenem Zustand eingefüllt wird, wobei der den Zwischenraum abdichtende Ring ( 4 bzw. 4a) bzw. die einschraubbaren Deckel (10, 11, 12) in eine derart berechnete Stellung gebracht werden, daß sich der jeweils erwünschte Zwischendruck einstellt ( Abb. 1 bzw. 1a bzw 2).