DE4016048C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohrleitungen und Behältern mit evakuierten Stoßfugen aus rohr-, ring­ und haubenförmigen Vakuum-Wärmeisolationselementen, gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruches 1.

Vakuum-Wärmeisolationselemente sind flächige, in der Regel aus Metall hergestellte Hohlkörper mit - über die Fläche - etwa konstantem Abstand zwischen den beiden quer zum Wärmestrom anzuordnenden Wänden, d. h., zwi­ schen der im Betrieb kälteren und der im Betrieb wärmeren Wand. Der Hohl­ raum ist mit einem drucktesten, schlecht wärmeleitenden Pulver, z. B. Kie­ selgur, gefüllt und auf einen niedrigen Druckwert, z. B. 10^-3 mbar, eva­ kuiert. Die Pulverfüllung nimmt als Abstandshalter die Druckbelastung durch den Atmosphärendruck bzw. durch den jeweiligen Betriebsdruck (Druckrohre, -behälter etc.) auf und reduziert die Wärmeübertragung durch Strahlung. Im Randbereich sind die beiden flächigen Wände solcher Elemente über dünnwandige, meist mäanderförmig gewellte Membranen aus Material mit relativ geringer Wärmeleitfähigkeit (z. B. rostfreier Stahl) verbunden, um dort den Wärmeübergang durch Leitung zu reduzieren. Für bestimmte Anwendungsfälle, wie Rohrleitungen und Behälter, ist es sinn­ voll, die Wärmeisolationselemente in Form von ein- oder zweidimensional gekrümmten Schalen mit axial ausgerichteten, umlaufenden Kanten zu fer­ tigen. So läßt sich beispielsweise ein Behälter durch axiales Aneinan­ derreihen und Verbinden eines haubenförmigen, mindestens eines ringför­ migen und eines weiteren haubenförmigen Wärmeisolationselementes her­ stellen. Solche aus Vakuum-Wärmeisolationselementen zusammengesetzte Rohrleitungen und Behälter sind beispielsweise in den folgenden deut­ schen Prospekten aus dem Jahre 1985 beschrieben:

• - "Development of ERNO Vakuum Super Insulation" der MBB/ERNO
• - "Vakuum-Super-Isolation" der MBB Energie- und Prozeßtechnik

Aufgrund der konstruktionsbedingt zerklüfteten Stirnflächen (Membranab­ dichtung zwischen Außen- und Innenwand) der Vakuum-Wärmeisolationsele­ mente entstehen beim Verbinden der Elemente umlaufende Spalte bzw. Hohl­ räume (Stoßfugen), welche in bezug auf Wärmeverluste besonders kritisch sind. Die einfachste - und ungünstigste - Ausführung besteht darin, nur die Außen- oder Innenwände der Vakuum-Wärmeisolationselemente dicht mit­ einander zu verbinden und die Stoßfugen zum eingeschlossenen Medium oder zur Umgebung (i. a. Luft) hin einseitig offen zu lassen. Somit ist im Fu­ genbereich nur eine geringfügige Isolationswirkung gegeben, so daß mit relativ hohen Wärmeverlusten zu rechnen ist.

Eine gewisse Verbesserung ist zu erreichen, indem die Stoßfugen nach­ träglich mit Isolationsmaterial (z. B. Mineralwolle, Schaumstoff) ausge­ füllt werden. Problematisch hierbei sind die Temperaturbeständigkeit und die Alterungsbeständigkeit solcher Materialien sowie die Aufnahme von Feuchtigkeit bzw. Flüssigkeit. Die Isolationswirkung der Stoßfugen ist auch hier deutlich schlechter als diejenige der Wärmeisolationselemente selbst.

Aus der DE-OS 36 34 347 ist eine Fugenisolation für Vakuum-Wärmeisola­ tionselemente bekannt, welche einseitig flächig an einer gasdichten, druckfesten Wand anliegen. Bei dieser Isolation werden die Fugen auf der der druckfesten Wand gegenüberliegenden Seite mit elastisch verformbaren Dehnungsblechen gasdicht abgedeckt, mit druckfestem Isoliermaterial aus­ gefüllt und evakuiert. Auf diese Weise ist die Isolationswirkung der Stoßfugen zumindest annähernd so gut wie diejenige der Wärmeisolations­ elemente selbst. Die beschriebene Fugenisolation ist für großflächige Behälter, z. B. Container, oder große Rohrleitungen gedacht, welche mit einer Vielzahl von plattenförmigen, z. B. rechteckigen, Vakuum-Wärmeiso­ lationselementen belegt werden, deren Stoßfugen sich kreuzen bzw. inein­ ander übergehen. Da die Dehnungsbleche - zumindest in Teilbereichen - nachträglich auf die Stoßfugen aufzubringen sind, z. B. durch Schweißen, ist eine gute Zugänglichkeit der Fugen am oder im Bauteil erforderlich.

Es leuchtet ein, daß diese Art der Fugenisolation insbesondere bei In­ nenisolierungen in kleineren Behältern zu fertigungstechnischen Proble­ men führt und letztlich nicht mehr sinnvoll ist.

In der DE-PS 36 30 399 geht es um die Herstellung von ebenen oder ge­ krümmten flächigen sowie rohr-, ring- oder haubenförmigen Vakuum-Wärme­ isolationselementen aus denen Rohrleitungen, Behälter etc. zusammenge­ setzt werden können. Bei diesen Elementen ist zumindest die im Betrieb wärmere Wand relativ dünn ausgeführt und wird - vor Inbetriebnahme - im ganzen oder stellenweise elastisch und plastisch verformt und dabei in der Wandebene unter Zugspannung gesetzt. Dabei wird das Isoliermaterial im Inneren des Elementes so stark verdichtet, daß es sich wie ein ela­ stischer Festkörper verhält und so große Reibungskräfte auf die verform­ te Wand überträgt, daß die Zugspannungen in dieser auch nach der Verfor­ mung erhalten bleiben. Auf diese Weise erhält man besonders druckstabile und maßhaltige Elemente, welche auch bei großen Temperaturänderungen auf der Seite der verformten Wand kaum Wärmedehnungen bzw. -kontraktionen zeigen. Über die Fugenausbildung beim Zusammensetzen solcher Elemente wird nichts ausgesagt.

In der US-PS 33 69 826 wird die Verbindung von vakuumisolierten Rohrele­ menten zur Herstellung von Leitungssystemen für kryogene Fluide be­ schrieben. Dabei werden die axial vorstehenden Innenwände der Rohrele­ mente miteinander verschweißt, über die sich mit Abstand gegenüberste­ henden Enden der Außenwände wird eine bauchige Muffe geschoben und durch die Verformung zweier O-Ringe abgedichtet und fixiert. Die Fuge ist - wie die Rohrelemente zwischen Außen- und Innenwand - mit Isolationsmate­ rial gefüllt und wird evakuiert. Das Evakuieren erfolgt zumindest teil­ weise mittels eines bei tiefen Temperaturen gasaufnehmenden, in der Fuge angeordneten Materials (Molekularsieb). Nachteilig bei dieser Art der Verbindung sind der relativ große Platzbedarf sowie die begrenzte Le­ bensdauer der Fugenevakuierung infolge der O-Ring-Abdichtung.

Vergleichbares gilt für die in der GB-PS 15 67 373 beschriebene Rohrver­ bindung. Im Unterschied zur US-PS sind die Innenwände der Rohre ver­ schraubt, die Muffe ist selbst vakuumisoliert (doppelwandig) ausgeführt. Die Fuge selbst wird nicht evakuiert sondern nur mittels hygroskopischem Material feuchtigkeitsfrei gehalten. Die O-Ring-Abdichtung führt auch hier zu einer zunehmenden Verschlechterung der Isolationswirkung der Fu­ ge, der Platzbedarf der doppelwandigen Muffe ist sehr groß.

Angesichts der Nachteile der bekannten Lösungen besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohr­ leitungen und Behältern mit evakuierten Stoßfugen aus rohr-, ring- und haubenförmigen Vakuum-Wärmeisolationselementen mit axial ausgerichteten, umlaufenden Kanten bereitzustellen, welches sowohl im Kryo- als auch im Hochtemperaturbereich einsetzbar ist, welches die Energieverluste im Stoßfugenbereich erheblich reduziert, welches einfach durchzuführen und deshalb sowohl unter Industriebedingungen als auch in der Feldmontage einsetzbar ist, und welches u. a. auch für Rohre und Behälter mit kleine­ rem Querschnitt und mit Innenisolierung verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale a) bis f) gelöst.

Erfindungsgemäß werden entweder nur die Außenwände oder nur die Innen­ wände der Vakuum-Wärmeisolationselemente im Kantenbereich direkt mitein­ ander verbunden, die Verbindung der jeweils anderen Wände erfolgt über axial nachgiebige, umlaufende Bälge. Alle Verbindungen sind vakuumdicht, so daß die allseitig eingeschlossenen Stoßfugen abschließend evakuiert werden können. Vor dem Fügen stehen die freien Kanten der auf die Wärme­ isolationselemente aufgeteilten und vakuumdicht mit diesen verbundenen Bälge axial vor. Dadurch ist es möglich, zuerst die Bälge und anschlie­ ßend - nach vollständigem Aneinanderrücken der Wärmeisolationselemente - die Vakuum-Wärmeisolationselemente selbst zu verbinden. Beide Fügevor­ gänge, z. B. in Form von Schweißen, können von derselben Seite aus, z. B. radial von außen, erfolgen, was das Verfahren stark vereinfacht und die Herstellung von Rohrleitungen und Behältern mit kleinem Querschnitt und Innenisolierung, d. h. innenliegenden Bälgen, praktisch erst möglich macht. Da die umlaufenden Bälge in radialer Richtung eine ausreichende Steifigkeit besitzen, um die mechanischen Belastungen infolge der Druck­ unterschiede (Evakuierung, Betriebsdrücke) aufzunehmen, kann auf eine Füllung der Stoßfugen mit druckfestem Isolationsmaterial verzichtet wer­ den, was das Verfahren zusätzlich vereinfacht.

Die Unteransprüche 2 bis 5 kennzeichnen bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung noch näher erläu­ tert. Dabei zeigt die Figur in vereinfachter Darstellung: Oberhalb der Achse einen Teillängsschnitt durch zwei rohrförmige Vakuum- Wärmeisolationselemente in der zum Verbinden der Bälge vorgesehenen Po­ sition, unterhalb der Achse einen vergleichbaren Teillängsschnitt in der zum Verbinden der Außenwände vorgesehenen Position.

In der Figur ist der Fugenbereich zweier rohrförmiger Vakuum-Wärmeisola­ tionselemente 1 und 2 mit Innenisolierung dargestellt. Innenisolierung bedeutet, daß die relativ dicken, mechanisch belastbaren Außenwände 3 und 4 der Vakuum-Wärmeisolationselemente 1 und 2 die kräfteaufnehmende Struktur der herzustellenden Rohrleitung bilden, wohingegen die relativ dünnen Innenwände 5 und 6 primär eine dichtende sowie eine strömungsme­ chanische Funktion ausüben und Kräfte, resultierend z. B. aus dem Druck des eingeschlossenen Mediums, über das druckfeste Isolationsmaterial an die Außenwände 3 und 4 weiterleiten. Umgekehrt bedeutet Außenisolierung, daß die tragende Wandstruktur innerhalb der Isolierung liegt, d. h., von dieser umhüllt wird. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist auch für Außenisolierungen verwendbar; dies setzt jedoch voraus, daß die In­ nenquerschnitte der zu verbindenden Wärmeisolationselemente groß genug sind, um einen Fügevorgang, z. B. Schweißen, von innen zu ermöglichen.

Die dargestellten Vakuum-Wärmeisolationselemente besitzen Außen- und In­ nenwände 3 und 4 bzw. 5 und 6 mit kreisrundem Querschnitt.

In der Praxis weit weniger relevant aber dennoch vorstellbar und erfin­ dungsgemäß möglich ist die Verbindung von Elementen mit anderen Quer­ schnittsformen wie z. B. Ovalen, Ellipsen, gerundeten Polygonen usw.

In der in der Figur oberhalb der Achse dargestellten Position sind die Vakuum-Wärmeisolationselemente 1 und 2 koaxial ausgerichtet, die axial vorstehenden Kanten 7 und 8 der Außenwände 3 und 4 weisen noch einen deutlichen Abstand zueinander auf. Gut zu erkennen sind die mäanderför­ migen Membranen 11 und 12, welche jeweils den evakuierten Raum mit dem druckfesten Isolationsmaterial, hier einer Kieselgurfüllung 13, stirn­ seitig begrenzen. Im Bereich der axial zurückversetzten Kanten 9 und 10 sind zwei Bälge 18 und 19 vakuumdicht mit den Innenwänden 5 und 6 ver­ bunden, z. B. durch Schweißen, Löten oder Kleben. Die umlaufenden Bälge 18 und 19 weisen die typische Faltenbalgwellung mit periodisch wechseln­ dem Durchmesser auf.

Alternativ hierzu sind strichpunktiert noch zwei anders geformte, nach Art einer Rollstrumpfdichtung gestaltete Bälge 20 und 21 dargestellt, welche sich bezüglich ihrer Aufgabe jedoch nicht von den Bälgen 18 und 19 unterscheiden. Diese Aufgabe besteht i. w. in einer vakuumdichten, axial nachgiebigen Verbindung der Innenwände 5 und 6.

Die axial vorzugsweise einen bis mehrere Zentimeter über die Kanten 7 und 8 der Außenwände 3 und 4 vorstehenden Kanten 22 und 23 der Bälge 18 und 19 liegen - ebenso wie diejenigen der Bälge 20 und 21 - bündig und fluchtend aneinander, wobei - wie dargestellt - ein kleiner axialer Spalt vorhanden sein kann. Im Hinblick auf das bevorzugte Verbindungs­ verfahren Schweißen sind die Bälge 18 und 19 - ebenso wie die Bälge 20 und 21 - im Bereich ihrer Kanten 22 und 23 verdickt, was nicht zwingend erforderlich ist. Das Verschweißen der Bälge kann in einfacher Weise von außen durch den in der Regel mehrere Zentimeter messenden Spalt zwischen den Kanten 7 und 8 erfolgen. Falls die Bälge durch Löten verbunden wer­ den sollen, sind andere Gestaltungen ihres Kantenbereiches günstiger. Beispielsweise können die Balgkanten ineinandersteckbar ausgeführt sein, d. h., sich mit geringem radialem Spiel axial überlappen. Sie können aber auch z. B. durch Bördeln radial vergrößerte Stirnflächen aufweisen, wel­ che paarweise die Lotfuge bilden.

Nach dem Verbinden der Bälge werden die Vakuum-Wärmeisolationselemente 1 und 2 axial gegeneinander bewegt, bis ihre Kanten 7 und 8 bündig und fluchtend aneinanderliegen. Dieser Zustand ist unterhalb der Achse dar­ gestellt. Beim Aneinanderrücken werden die Bälge 18 und 19 bzw. 20 und 21 elastisch und ggf. auch plastisch verformt, wobei insbesondere die Verbindungsstellen nicht überlastet werden dürfen.

Die nach außen angeschrägten Kanten 7 und 8 können nunmehr z. B. mit ei­ ner kehlförmigen Schweißnaht von außen vakuumdicht miteinander verbunden werden (Schweißnaht nicht dargestellt).

Auch hier kann eine Lötverbindung zur Anwendung kommen, wobei die Außen­ wände im Kantenbereich beispielsweise ineinandersteckbar ausgeführt und mit axialen Anschlägen versehen sein können. Unter gewissen Bedingungen, z. B. nicht zu hohen Temperaturen, ist auch eine Klebeverbindung denkbar.

Die letztlich entstehende, torusförmige Stoßfuge 26 ist nunmehr nach al­ len Seiten dicht verschlossen und kann evakuiert werden. Zu diesem Zweck ist in der Außenwand 4 des Vakuum-Wärmeisolationselementes 2 ein Evakuie­ rungsstutzen 14 mit einer verschließbaren Öffnung 15 vorhanden. Über dieser Öffnung 15 wird von außen eine Schleuse installiert, welche an eine Vakuumpumpe angeschlossen ist. Nach Evakuieren der Stoßfuge 26 auf einen Druck < 10^-3 mbar wird eine bereits im Inneren der Schleuse be­ findliche Verschlußschraube 16 mit Dichtring 17 in die Öffnung 15 einge­ schraubt, wodurch letztere dicht verschlossen wird. Dieser Zustand ist in der unteren Hälfte der Figur wiedergegeben. Die - nicht dargestellte - Schleuse kann nun wieder entfernt werden. Der Kopf der Verschlußschrau­ be 16 wird mit der Außenseite des Evakuierungsstutzens 14 vakuumdicht verschweißt, wodurch eine zuverlässige und dauerhafte Abdichtung gewähr­ leistet ist. Am stoßfugenseitigen Ende der Verschlußschraube 16 ist ein Gettermaterial (nicht dargestellt) angeordnet, welches beim Verschweißen auf mindestens 350°C erwärmt und dadurch aktiviert (gestartet) wird. Dieses senkt nun den Druck in der Stoßfuge auf den gewünschten Wert von 10^-5 ./. 10^-6 mbar, wodurch eine ausgezeichnete Isolationswirkung der Stoßfuge 26 erzielt wird, da praktisch nur noch die Wärmeleitungs­ verluste durch die Membranen 11 und 12 zum Tragen kommen. Der Bereich um die miteinander verschweißten Kanten 7 und 8 kann - falls erforderlich - mit einem Korrosionsschutz versehen werden; anschließend ist die Verbin­ dungsstelle betriebsbereit. Das Gettermaterial kann auch an anderer Stelle in der Stoßfuge angeordnet sein und beispielsweise mit elektri­ schem Strom aktiviert werden. Unter Umständen kann auf das Gettermate­ rial auch verzichtet und nur mittels Pumpe evakuiert werden.

Die voranstehenden Aussagen zum Herstellungsverfahren gelten uneinge­ schränkt auch für die Herstellung von Behältern. Unterschiedlich ist da­ bei nur, daß die bei Behältern in der Regel größeren Innenquerschnitte auch ein Arbeiten von innen (Außenisolierung) erlauben, und daß sowohl rohr- oder ringförmige, axial beidseitig offene Wärmeisolationselemente als auch haubenförmige, axial nur einseitig offene Elemente zur Anwen­ dung kommen.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung von wärmeisolierten Rohrleitungen und Behältern mit evakuierten Stoßfugen aus rohr-, ring- und haubenförmigen Vakuum-Wärmeisolationselementen, zwischen deren Außen- und Innenwänden ein druckfestes Isolationsmaterial eingeschlossen ist, wobei jeweils ei­ ne Membran den evakuierten Raum mit dem druckfesten Isolationsmaterial stirnseitig begrenzt, deren Außen- und Innenwände axial ausgerichtete, in jeweils einer Ebene umlaufende Kanten aufweisen, wobei die außenlie­ genden Kanten gegenüber den innenliegenden Kanten jeweils axial versetzt sind, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:.

• a) Mit jedem der zu fügenden Vakuum-Wärmeisolationselemente (1, 2) wird im Bereich seiner axial zurückversetzten Kante(n) (9, 10) ein umlau­ fender, axial nachgiebiger Balg (18, 19; 20, 21) vakuumdicht verbun­ den, dessen freie, in einer Ebene umlaufende Kante (22, 23) axial über das Vakuum-Wärmeisolationselement (1, 2) hinausragt.
• b) Die zu fügenden Vakuum-Wärmeisolationselemente (1, 2) werden so po­ sitioniert, daß die Kanten (22, 23) der Bälge (18, 19; 20, 21) bün­ dig und fluchtend aneinanderliegen oder sich axial überlappen.
• c) Die Bälge (18, 19; 20, 21) werden vakuumdicht miteinander verbunden.
• d) Die Vakuum-Wärmeisolationselemente (1, 2) werden aufeinander zu be­ wegt, bis ihre Kanten (7, 8) bündig und fluchtend aneinanderliegen oder sich axial überlappen.
• e) Die Vakuum-Wärmeisolationselemente (1, 2) werden vakuumdicht mitein­ ander verbunden.
• f) Die zwischen den Vakuum-Wärmeisolationselementen (1, 2) und den Bäl­ gen (18, 19; 20, 21) entstandene, torusförmige Stoßfuge (26) wird durch mindestens eine Öffnung (15) in einem der Vakuum-Wärmeisola­ tionselemente auf einen vorgegebenen Druckwert evakuiert, danach wird die Öffnung (15) vakuumdicht verschlossen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim oder nach dem vakuumdichten Verschließen der Öffnung (15) ein in der Stoßfuge (26) angeordnetes, zur chemischen Bindung von Restgasen übli­ ches Gettermaterial aktiviert wird, um den Druck in der Stoßfuge (26) noch weiter abzusenken.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das va­ kuumdichte Verschließen der Öffnung (15) und das Aktivieren des Getter­ materials durch Einschweißen einer in die Öffnung (15) eingebrachten Verschlußschraube (16) erfolgt, an deren stoßfugenseitigem Ende das Get­ termaterial angeordnet ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das vakuumdichte Verbinden der Bälge (18, 19; 20, 21) miteinander und der Kanten (7, 8) der Vakuum-Wärmeisolationselemente (1, 2) miteinander durch Schweißen erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ reich der die Vakuum-Wärmeisolationselemente verbindenden Schweißnaht (Kanten 7, 8) nachträglich mit einem Korrosionsschutz versehen wird.