DE3630399A1 - Vakuum-waermeisolation - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern bzw. von Wär­ meisolationselementen gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1 sowie eine Vakuumhülle zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Patentan­ spruches 7.

Ein derartiges Verfahren sowie ein danach hergestelltes Rohr sind aus der EP-PS 00 17 095 bekannt, wobei sich die Anwendung jedoch auf Hochdruckbehälter oder Röhren mit innenliegender Wärmeisolation beschränkt. Um sowohl gute Isolationseigenschaften als auch große Maßhaltig­ keit und Steifigkeit bei hohen Temperatur- und Druckbe­ lastungen sicherzustellen wird die Innenwand der Hülle nach dem Evakuieren mit einem hohen Druck beaufschlagt und dadurch irreversibel verformt, wobei das Isolati­ onsmaterial in der Hülle nachkomprimiert wird. Der aufge­ brachte Druck wird mindestens so hoch gewählt wie der zu erwartende, maximale Betriebsdruck. Hinsichtlich des Druckverhaltens ist zu erwarten, daß die plastische Verformung der Innenwand tatsächlich dazu führt, daß die auftretenden Betriebsdrücke keine merklichen Form- bzw. Maßänderung mehr zur Folge haben. Hinsicht­ lich des Temperaturverhaltens sind jedoch derartige Verbesserungen kaum zu erwarten. Die bleibende Dehnung der Innenwand in Umfangsrichtung führt infolge der Querkontraktion auch zu einer bleibenden, axialen Län­ genänderung der Wand. Da diese Längenanordnung während des Verformungsvorganges aber nicht behindert wird, entstehen in der Wand primär Zugspannungen in Umfangs­ richtung, in axialer Richtung ist die Wand auch nach der Verformung weitgehend spannungsfrei. Wird diese Wand nun im Betrieb einer höheren Temperatur ausgesetzt als beim Verformungsvorgang, so möchte sie sich ausdeh­ nen. In Umfangsrichtung wird die Wärmedehnung durch den Abbau der in der Wand vorhandenen Zugspannungen weitge­ hend kompensiert. In axialer Richtung wird die Wärme­ dehnung durch die hohe Reibung zwischen der Wand und dem komprimierten Isoliermaterial behindert. An Stellen mit geringerer Haftung kann es dabei zu örtlichen Rela­ tivverschiebungen und Ablösungserscheinungen kommen, was seitens der Wand zu Beulen und Falten, seitens des Isoliermaterials zu Abrieb, Rissen und Lunkern führen kann. All dies wirkt sich stark negativ auf die Isola­ tionswirkung sowie auf die Lebensdauer der gesamten An­ ordnung aus. Somit führen die in der EP-PS 00 17 095 be­ schriebenen Maßnahmen zwar zu einem guten Hochdruckver­ halten aber nicht zu einem befriedigenden Temperatur­ verhalten.

Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Er­ findung darin, mit dem Prinzip der plastisch nachver­ dichteten Vakuumisolation überdurchschnittliche Stei­ figkeit, Formbeständigkeit, Isolationswirkung und Le­ bensdauer sowohl unter druck- als auch unter tempera­ turbedingten Belastungen sicherzustellen. Darüber hin­ aus besteht die Aufgabe darin, die Anwendbarkeit dieses Prinzips auch auf Außenisolierungen von Rohren oder Be­ hältern sowie auf ebene und gewölbte, plattenförmige Isolationselemente zu übertragen und dabei den Evakuie­ rungsvorgang selbst noch zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie im Nebenanspruch 7 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Bei Vakuumisolationen ist es üblich, pulverförmige oder körnige, druckfeste Isoliermaterialien als Füllstoff zu verwenden, einerseits, um die Wärmeverluste durch Strahlung und Konvektion zu reduzieren, andererseits, um die Hüllenwände gegen den Umgebungsdruck auf Distanz zu halten bzw. um Kräfte von einer Wand auf die jeweils gegenüberliegende Wand zu übertragen. Ein hierfür be­ sonders geeignetes Material ist natürliche oder syn­ thetische Kieselgur. Kieselgur und vergleichbare Iso­ liermaterialien besitzen mechanische Eigenschaften, auf denen die vorliegende Erfindung zu einem wesentlichen Teil beruht. Derartige Isoliermaterialien verhalten sich beim Einfüllen in die Vakuumhülle sowie beim Ver­ dichten gleichsam wie eine - in gewissen Grenzen - kom­ primierbare Flüssigkeit, im stark verdichteten Zustand hingegen eher wie ein elastischer Festkörper. Im kom­ primierten Zustand können diese Isoliermaterialien hohe Druck- und Schubkräfte aufnehmen und insbesondere große Reibungskräfte auf benachbarte Wandflächen übertragen. Das Prinzip der Erfindung besteht nun darin, die im Be­ trieb wärmere Wand der Vakuumhülle durch elastische und plastische Verformung in ihrer Ebene in einen möglichst gleichmäßigen Zugspannungszustand zu versetzen, wobei die Zugspannungen infolge der reibschlüssigen Verbin­ dung zum Isoliermaterial auch nach der Verformung größ­ tenteils aufrechterhalten bleiben. Auf diese Weise wer­ den Dehnungen beim Erwärmen der Wand durch Abbau der Zugspannungen weitgehend ohne Maß- und Formänderungen kompensiert, beim Abkühlen nehmen die Zugspannungen dann wieder ihre - höheren - Ausgangswerte an. Durch den intensiven Kontakt von Wand und Isoliermaterial werden auch Druckkräfte weitgehend ohne Verformung auf das Isoliermaterial und auf die gegenüberliegende Wand übertragen. Das Erzeugen des gewünschten Spannungszu­ standes wird dadurch möglich, daß die Wand an ihren freien Kanten eingespannt und im eingespannten Zustand im ganzen oder stellenweise gedehnt wird und zwar unter Verdichtung des Isoliermaterials. Zum Zweck des Ein­ spannens ist die Wand außerhalb ihrer funktionsbeding­ ten Kontur mit Einspannflächen versehen, welche nach dem Verformen entfernt werden, z.B. durch mechanisches Abtrennen. Um die Luft bzw. das enthaltene Gas beim Evakuieren möglichst schnell und wirtschaftlich aus der Vakuumhülle zu entfernen und um dabei ein möglichst hohes Vakuum erzeugen zu können, ist zwischen einer Hüllenwand und dem schüttfähigen Isoliermaterial als Gasdrainage ein Faservlies angeordnet, welches ver­ gleichbare mechanische und thermische Eigenschaften, jedoch einen wesentlich kleineren Strömungswiderstand aufweist als z.B. die Kieselgur. Auch das Faservlies wird beim plastischen Verformen der in Betrieb wärmeren Wand so stark komprimiert, daß es sich wie ein elasti­ scher Festkörper verhält.

Die Unteransprüche 2 bis 6 bzw. 8 enthalten bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1 bzw. der Vakuumhülle nach Anspruch 7.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher er­ läutert. Dabei zeigen in vereinfachter Darstellung:

Fig. 1 ein druckfestes, wärmeisoliertes Rohr mit In­ nenisolierung,

Fig. 2 ein druckfestes, wärmeisoliertes Rohr mit Au­ ßenisolierung,

Fig. 3 ein dünnwandiges, wärmeisoliertes Rohr in einer steifen Stützform,

Fig. 4 ein gekrümmtes, plattenförmiges Isolationsele­ ment, dessen konkave Wand bleibend verformt ist,

Fig. 5 ein gekrümmtes, plattenförmiges Isolationsele­ ment, dessen konvexe Wand bleibend verformt ist.

Das wärmeisolierte Rohr 1 in Fig. 1 ist zur Aufnahme von Medien gedacht, welche eine gegenüber der Umgebung höhere Temperatur aufweisen. Dabei bildet die dünnere, innere Wand 7 den Strömungskanal, die äußere, dickere Wand 6 stellt einen stabilen, druckfesten Mantel dar. Die Wände 6 und 7 sind mittels umlaufender, flexibler Stirnwände 15 vakuumdicht verbunden, der von den Wänden 6, 7 und 15 eingeschlossene Hohlraum ist mit einem schüttfähigen, druckfesten und temperaturbeständigen Isoliermaterial, z.B. mit Kieselgur, gefüllt. Fig. 1 zeigt mit durchgezogenen Linien sowohl den betriebsbe­ reiten Zustand des Rohres 1 als auch mit strichpunk­ tierten Linien den Zustand vor Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens. Es ist zu erkennen, daß die im Betrieb wärmere Wand 7 im Ausgangszustand einen kleine­ ren Durchmesser aufweist, wobei der Durchmesserunter­ schied der Deutlichkeit halber übertrieben groß ge­ zeichnet ist. Außerdem ist die Wand 7 über ihre funk­ tionsbedingte Länge hinaus mit zwei umlaufenden Flan­ schen 17 versehen, welche vor Inbetriebnahme wieder ab­ getrennt werden. Zwischen einer der Wände 6 oder 7 und dem schüttfähigen Isoliermaterial 20 ist ein beim Eva­ kuieren als Gasdrainage dienendes, bildlich nicht dar­ gestelltes Faservlies angeordnet, wobei sich im vorlie­ genden Beispiel für das Anbringen der Evakuierungsan­ schlüsse bzw. für die Anordnung des Faservlieses eher die Wand 6 anbietet.

Die Vorgehensweise bei der Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens kann man sich etwa folgendermaßen vorstellen:

Zuerst wird das als Gasdrainage dienende Faservlies auf der Innenseite der mit wenigstens einem Evakuierungsan­ schluß versehenen, druckfesten Wand 6 angeordnet und ggf. fixiert. Erst danach werden die Wände 6, 7 und 15 vakuumdicht zusammengefügt, z.B. verschweißt. Die zu verformende Wand 7 weist dabei noch den strichpunktiert dargestellten, kleineren Durchmesser auf und ist an ih­ ren Stirnseiten mit den beiden Flanschen 17 versehen. Nunmehr wird das Innere der Vakuumhülle möglichst dicht und gleichmäßig mit dem schüttfähigen Isoliermaterial, z.B. mit Kieselgur gefüllt. Es empfiehlt sich, während oder nach dem Befüllen die Vakuumhülle und das Isolier­ material 20 auszuheizen, damit das zu erzeugende Vakuum nicht durch verdampfende Flüssigkeitsanteile später un­ gewollt reduziert wird. Noch während des Ausheizens oder unmittelbar danach wird die gefüllte Vakuumhülle evakuiert, wobei das Faservlies aufgrund seines gerin­ gen Strömungswiderstandes wesentlich zur Beschleunigung dieses Vorganges beiträgt und das Erzeugen eines sehr hohen Vakuums mit besonders guter Isolationswirkung er­ möglicht. Anschließend werden der Evakuierungsanschluß bzw. die Evakuierungsanschlüsse vakuumdicht verschlos­ sen. Das evakuierte Rohr 1 wird nunmehr an den Flan­ schen 17 fest eingespannt, das Innere des Rohres 7 mit einer unter hohen Druck stehenden Flüssigkeit beauf­ schlagt. Durch diesen Druck wird die Wand 7 unter Ver­ dichtung des Isoliermaterials 20 elastisch und pla­ stisch auf ihren Betriebsdurchmesser aufgeweitet. Die axiale Einspannung sorgt dafür, daß sie sich dabei nicht infolge Querkontraktion verkürzen kann, wodurch ein relativ gleichmäßiger Zugspannungszustand in der Wand 7 entsteht. Die starken Reibungskräfte des kompri­ mierten Isoliermaterials 20 sorgen dafür, daß die Zug­ spannungen auch nach dem Lösen der Einspannung (Flan­ sche 17) weitgehend erhalten bleiben. Mach dem Entfer­ nen der Flansche 17 besitzen die Wände 6 und 7 die gleiche Länge, das Rohr 1 ist somit einbaufertig.

Aus mehreren derartigen Rohren 1 lassen sich wärmeiso­ lierte Leitungssysteme herstellen, wobei zumindest die Wände 7 aneinandergrenzender Rohre dicht miteinander verbunden, z.B. verschweißt werden müssen. Hierbei emp­ fiehlt es sich, die zwischen einander gegenüberliegen­ den Stirnwänden 15 benachbarter Rohre 1 vorhandenen, torusförmigen Hohlräume mit Isoliermaterial auszufüllen.

Die Ausführungsform nach Fig. 1 eignet sich beispiels­ weise ausgezeichnet für das Herstellen von Fernwärme­ leitungen, wobei aufgrund des vorteilhaften Dehnungs­ verhaltens weitgehend auf Kompensationselemente ver­ zichtet werden kann.

Die Ausführungsform nach Fig. 2 ist für Medien mit ge­ genüber der Umgebung niedrigerer Temperatur gedacht. Demzufolge ist die zu verformende, im Betrieb wärmere Wand 9 außen angeordnet, der Strömungskanal ist als konzentrische, druckfeste Wand 8 ausgeführt. Im Ver­ gleich zu Fig. 1 ist hier - wie auch in Fig. 5 - ein prinzipieller Unterschied zu beachten. Es wäre unsin­ nig, eine konvex gekrümmte Wand, wie beispielsweise die äußere, zylindrische Wand 9, unter Verdichtung des auf ihrer konkaven Innenseite anliegenden Isoliermaterials 20 im ganzen stauchend zu verformen. Anstelle der er­ wünschten Zugspannungen würden dabei Druckspannungen in der Wand entstehen. Stattdessen wird die Wand 9 im axial eingespannten Zustand an mehreren, einzelnen Stellen örtlich bleibend verformt und dabei mit in das Isoliermaterial 20 eindringenden Sicken 18, Rillen oder Noppen versehen. Zur Erzeugung axialer Zugspannungen sind die Sicken 18 primär in Umfangsrichtung verlaufend angeordnet. Das radiale Dehnungsverhalten des Rohres 2 läßt sich, falls erforderlich, durch axial verlaufende Sicken verbessern. Auch bei stellenweiser Verformung bleibt das Erfindungsprinzip der Dehnungskompensation durch innere Zugspannungen gewahrt.

Das Rohr 3 nach Fig. 3 ist für Anwendungsfälle gedacht, in denen nur kleine Druckbelastungen auftreten, oder für Fälle, in denen das Rohr 3 als separates Isolati­ onselement in ein vorhandenes Rohr gesteckt bzw. über ein vorhandenes Rohr gestülpt wird. Das Rohr 3 besteht ausschließlich aus dünnen, nachgiebigen Wänden 7, 10 und 15, wobei die innere Wand 7 für den erfindungsgemä­ ßen Verformungsvorgang vorgesehen ist. Um während des Verdichtens des Isoliermaterials 20 einen ausreichenden Gegendruck auszuüben, liegt die äußere Wand 10 dabei flächig an einer steifen Stützform 21 an.

Die Ausführungen zu den Fig. 1 bis 3 (Rohre) gelten sinngemäß auch für wärmeisolierte Behälter. Diese kön­ nen einteilig ausgeführt oder aus mehreren Elementen zusammengesetzt sein. Bei mehrteiliger Ausführung ist es am günstigsten, den Behälter aus rotationssymmetri­ schen Hüllenelementen zusammenzusetzen, z. B. aus zwei topfförmigen Hälften oder aus Boden, Wand und Decke.

Die Fig. 4 und 5 betreffen gekrümmte, plattenförmige Wärmeisolationselemente 4 und 5. Diese können bei­ spielsweise auf vorhandene Behälter als zusätzliche Au­ ßen- oder Innenisolation aufgebracht werden, wobei es dann sinnvoll ist, in Anlehnung an Fig. 3 alle Wände dünn und nachgiebig auszuführen. Die Wärmeisolations­ elemente 4 und 5 können aber auch unmittelbar zu Behäl­ tern mit Innen- oder Außenisolation zusammengefügt wer­ den, wobei die konkaven Wände 11 oder 14 mit dem zu speichernden Medium in direktem Kontakt stehen, also den Innenbehälter bilden. In Anlehnung an die Fig. 1 und 2 gilt auch hier das Prinzip, daß die konkaven In­ nenwände 11 im ganzen, die konvexen Außenwände 13 in Form von Sicken 19 nur stellenweise verformt werden. Bei ebenen Isolationselementen (nicht dargestellt) er­ folgt die Verformung ebenfalls nur stellenweise, ähn­ lich wie in Fig. 5.

Ungeachtet der Tatsache, daß nur in Fig. 1 Flansche 17 zum Einspannen der Wand 7 dargestellt sind, müssen die zu verformenden Wände praktisch in allen Fällen mit entsprechenden Einspannflächen versehen sein, z.B. in Form von Winkeln, Ösen, Laschen o.ä.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern bzw. von Wärmeisolationselemen­ ten, bei welchen eine vakuumdichte Hülle mit schüttfä­ higem, porösem und druckfestem Isoliermaterial gefüllt, zusammen mit dem Isoliermaterial gasfrei ausgeheizt, danach evakuiert und vakuumdicht verschlossen wird, wo­ bei die Hülle im wesentlichen aus zwei ebenen oder ge­ krümmten, quer zum einzuschränkenden Wärmefluß in etwa konstantem Abstand zueinander angeordneten Wänden be­ steht, welche über nachgiebige Stirnwände vakuumdicht verbunden sind, und wobei zumindest diejenige Wand, welche im Betrieb wärmer ist, relativ dünn und nachgie­ big ausgeführt ist und - vor Inbetriebnahme - unter Verdichtung des Isoliermaterials bleibend verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im Betrieb wärmere Wand (7, 9, 11, 13) vor dem Verfor­ men im Bereich ihrer Kanten eingespannt wird und im eingespannten Zustand - unter Verdichtung des Isolier­ materials (20) - im ganzen oder stellenweise elastisch und plastisch verformt und dabei in der Wandebene unter Zugspannungen gesetzt wird, wobei die Verformung so groß sein muß, daß das sich wie ein elastischer Fest­ körper verhaltende, verdichtete Isoliermaterial (20) so große Reibungskräfte auf die Wand (7, 9, 11, 13) über­ trägt, daß die Zugspannungen in der Wand auch nach dem Lösen der Einspannung weitgehend erhalten bleiben.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern für die Aufnahme von Medien mit gegenüber der Umgebung höherer Tempera­ tur, bei welchen die später die innere Rohr- oder Be­ hälterwand bildende, innere Wand der evakuierten Hülle nachgiebig, die später die äußere Rohr- oder Behälter­ wand bildende äußere Wand vorzugsweise steif ausge­ führt ist, dadurch gekennzeichnet daß die innere Wand (7) durch direkte Einwirkung eines unter hohem Druck stehenden Fluides, vorzugsweise einer Flüssigkeit, im ganzen bleibend gedehnt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern für die Aufnahme von Medien mit gegenüber der Umgebung niedrigerer Tem­ peratur, bei welchen die später die äußere Rohr- oder Behälterwand bildende, äußere Wand der evakuierten Hül­ le nachgiebig, die später die innere Rohr- oder Behäl­ terwand bildende, innere Wand vorzugsweise steif ausge­ führt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand (9) stellenweise mechanisch ver­ formt und dabei mit in das Isoliermaterial (20) ein­ dringenden Sicken (18), Rillen, Noppen o.ä. versehen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von plattenförmigen, gekrümmten Wärmeisolationselementen, bei welchen die im Betrieb wärmere Wand nachgiebig, die kältere Wand vorzugsweise steif ausgeführt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß bei Verfor­ mung der konkaven Wand (11) des Wärmeisolationselemtes (4) diese im ganzen bleibend gedehnt wird, und daß bei Verformung der konvexen Wand (13) diese stellenweise verformt und dabei mit in das Isoliermaterial eindrin­ genden Sicken (19), Rillen, Noppen o.ä. versehen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von plattenförmigen, ebenen Wärmeeisolationselementen, bei welchen die im Betrieb wärmere Wand nachgiebig, die kältere Wand vorzugssweise steif ausgeführt ist, da­ durch gekennzeichnet, daß die im Be­ trieb wärmere Wand stellenweise verformt und dabei mit in das Isoliermaterial eindringenden Sicken, Rillen, Noppen o.ä. versehen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung von wärmeisolierten Rohren oder Behältern bzw. von Wärme­ isolationselementen, bei welchen alle Wände der evaku­ ierten Hülle dünn und nachgiebig ausgeführt sind, da­ durch gekennzeichnet, daß die der zu verformenden Wand (7) gegenüberliegende Wand (10) wäh­ rend des Verformungsvorganges großflächig an einer steifen Stützform (21) anliegt.

7. Vakuumhülle zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 6, mit zwei in etwa konstantem Abstand zueinander angeordneten, über nachgiebige Stirnwände vakuumdicht verbundenen Wänden, von denen zumindest die im Betrieb wärmere Wand relativ dünn und nachgiebig ausgeführt ist sowie mit einer Füllung aus schüttfähi­ gem, porösem und druckfestem Isoliermaterial, da­ durch gekennzeichnet, daß die im Be­ trieb wärmere Wand (7, 9, 11, 13) außerhalb der für ih­ re Funktion erforderlichen Kontur mit abtrennbaren Ein­ spannflächen, beispielsweise mit Flanschen (17), Laschen, Zungen etc., versehen ist, und daß zwischen der Innen­ seite der im Betrieb wärmeren (7, 9, 11, 13) oder der im Betrieb kälteren Wand (6, 8, 10, 12, 14) und dem schüttfähigen Isoliermaterial (20) ein letzterem hin­ sichtlich der Wärmedämmeigenschaften vergleichbares beim Evakuieren als Gasdrainage arbeitendes - Faser­ vlies angeordnet ist.

8. Vakuumhülle nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß die nachgiebigen Stirn­ wände (15, 16) als biegeweiche Membranen mit etwa halb­ kreisförmigem Querschnitt ausgeführt sind, und daß die mittlere Porengröße des Isoliermaterials (20) und des Faservlieses so gewählt ist, daß sie nach dem Verdich­ ten weniger als 10 µm beträgt.