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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Behälteraufbauten und
Verfahren zu ihrer Herstellung, insbesondere für den Überseetransport und -speicherung
komprimierten Erdgases.
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Hintergrund
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft insbesondere den Überseegastransport komprimierten
Gases. Wegen des Aufwandes bestehender Gastransportsysteme für Übersee ergeben
sich merkliche Kosten, welche viele Projekte unwirtschaftlich machen.
Es gibt daher ein fortlaufendes Bedürfnis, Speichersysteme für komprimiertes
Gas zu bauen, welche große
Mengen an komprimiertem Gas enthalten können, die Anlage vielschichtiger
Verteiler und Ventile zu vereinfachen und auch Konstruktionskosten
zu verringern. Dieses spezielle System behauptet von sich, alle
drei Aufgaben zu lösen.
Die hier beschriebenen Aufbauten sind eine Verbesserung an dem in
der US-Patentschrift 5,839,383, ausgegeben am 24. November 1998,
beschriebenen Aufbau.
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JP-A-56-083656
beschreibt einen Druckbehälter
mit einem Rohr, welches eine kontinuierliche Spiralform bildet.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Besondere
und bevorzugte Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
den anliegenden unabhängigen
und abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
Anzahl von Ausgestaltungen mit Behälteraufbau sind als Beispiele
der vorliegenden Erfindung dargelegt, bei denen Mehrfachschleifen
von Rohrschlangen in Mehrfachschichten geformt sind, einschließlich mindestens
einer ersten und einer zweiten Schicht. Das Rohr bildet Verbindungen
zwischen den Schichten. Bei einer Ausführungsform ist die Rohrschlange
in der ersten Schicht in anderer Weise gewunden als die Rohrschlange
in der zweiten Schicht. Bei einer anderen Ausführungsform ist die Rohrschlange
in mindestens einer Schicht mit Abschnitten unterschiedlicher Krümmungsradien
gebildet. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die Rohrschlange in mindestens einer der Schichten mit Sektionen
gebildet, welche Abschnitte ineinandergeschachtelter perfekter Kreise
bilden. Bei einer anderen Ausführungsform
ist die Rohrschlange mindestens einer Schicht mit Sektionen gebildet,
die unterschiedliche Krümmungsmittelpunkte
haben. Bei einer anderen Ausführungsform
bildet die Rohrschlange Verbindungen zwischen nicht benachbarten Schichten.
Bei einer anderen Ausführungsform
ist das Rohr mit einer Stützmatrix
versehen, die aus einem Gemisch un terschiedlicher Fluide gebildet
ist, welche die Rohrschichten umgeben. Bei einer anderen Ausführungsform
weist die Stützmatrix
ein Fluid mit einem spezifischen Gewicht größer als 1 auf. Bei einer anderen
Ausführungsform
ist die Stützmatrix aus
einem an das Rohr angepaßten
Kunststoffmaterial gebildet. Bei einer anderen Ausführungsform
bildet das Rohr eine Pyramidenform. Bei einer anderen Ausführungsform
ist das Rohr ein Kohlenstoffaserrohr. Zahlreiche Ausführungsformen
sind aus einer beliebigen praktikablen Kombination dieser Merkmale
gebildet.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Behälteraufbau
vorgesehen mit einer kontinuierlichen Rohrschlange, die in mindestens
einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht, die oben auf der ersten
Schicht liegt, gebildet ist, wobei die Rohrschlange in der zweiten
Schicht direkt oben auf der Rohrschlange in der ersten Schicht liegt
und vorzugsweise mit dieser ausgerichtet ist, im Abstand von einer
ersten Übergangszone,
in welcher die Rohrschlange in der ersten Schicht zur Bildung eines
Teils der zweiten Schicht und eines entgegengesetzt gewundenen Rohrs
in der ersten Schicht ansteigt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Verfahren zum Bilden eines Behälteraufbaus
vorgesehen mit dem Bilden eines kontinuierlich gewundenen Rohrs
in mindestens einer ersten Schicht und einer zweiten Schicht, die
oben auf der ersten Schicht liegt, wobei die Rohrschlange in der
zweiten Schicht direkt oben auf der Rohrschlange in der ersten Schicht
liegt und mit dieser ausgerichtet ist, im Abstand von einer ersten Übergangszone,
in welcher die Rohrschlange in der ersten Schicht zur Bildung eines
Teils der zweiten Schicht und einer Gegenrohrschlange in der ersten
Schicht ansteigt.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung ist ein Behälteraufbau
vorgesehen mit einer kontinuierlichen Rohrschlange mit konstantem
Durchmesser, die in einer einzigen Schicht von Kreissegmenten mit abwechselnd
konstantem Radius gebildet wird, bei welcher jedes Kreissegment
360/n Grad abdeckt, wobei jedes folgende Kreissegment im Radius
1/n Rohrdurchmesser größer ist
als ein vorhergehendes Kreissegment, wobei n größer als 1 ist.
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Der
Behälteraufbau
der Ausführungsformen der
Erfindung ist besonders geeignet für die Verwendung als Gasspeichersystem,
ist insbesondere geeignet ausgestaltet für den Transport großer Mengen an
komprimiertem Gas an Bord eines Schiffes (innerhalb seiner Laderäume, innerhalb
zweiter Behälter) oder
an Bord eines einfachen Frachtkahns (über oder unter Deck, in zweiten
Behältern).
Die Rohrschlange ist vorzugsweise aus langen, in erster Linie kreisförmig gekrümmten Abschnitten
von Stahlrohren kleinen Durchmessers gebildet. Das Rohr, im allgemeinen
kleiner als 8 Zoll, kann innerhalb eines einfachen kreisförmigen Behälters in
einer speziellen Weise gewunden oder gewickelt sein.
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Bei
einer Ausführungsform
ist der Behälterdurchmesser
etwa 50 Fuß,
und er ist etwa 10 Fuß hoch.
Nahezu 10 Meilen Rohr oder mehr können innerhalb des Behälters gewunden
und gestapelt sein. Die Wicklung ist kontinuierlich, und es gibt
keine Ventile oder Unterbrechungen vom Anfang bis zum Ende der Schlange.
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Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung kann man das Rohr betrachten als auf der Innenseite der
Bodenschicht beginnend. Es windet sich mittels Segmenten konstanter
Krümmung
und mit konstantem Radius nach außen, vorzugsweise Halbkreise, wobei
die Segmente abrupt ihre Krümmung
und auch ihre Krümmungsmittelpunkte
um einen kleinen Prozentsatz ihrer großen Krümmung bzw. ihrer Radien verändern. Durch
diese Mittel werden die Programmgestaltung und Qualitätskontrolle
der biegenden Rollen eine relativ lange Zeit lang konstant und einfach gehalten.
Wenn das Rohr die Außenseite
des Behälters
erreicht, wird es durch die Geometrie des Behälters gezwungen, zu der zweiten
Schicht hochzusteigen und eine Einwärtsspirale zu beginnen. Nach
zwei halbkreisförmigen
Bögen folgt
das Rohr einer Übergangskurve,
die es über
zwei Rohre unmittelbar darunter in einem Abstand von etwa 12 Rohren
hinüberbringt.
Dieser Abstand ist relativ kurz, und somit werden vertikale Stapelbeanspruchungen
an Übergangspunkten
minimal gehalten. Durch den Übergang
zweier Rohre unten und dann spiralförmiges Zurück- und Herauslaufen eines
Rohres wird somit unmittelbar über
der ersten und der nachfolgenden ungeraden Schicht eine echte Einwärtsspiralzunahme
eines Rohres erreicht. Somit laufen die ungeradzahligen Schichten
auswärts
und die geradzahligen Schichten einwärts. Wenn das Rohr die Innenseite des
rohrförmigen
Behälters
in geraden Schichten erreicht, steigt es zu den ungeradzahligen
Schichten darüber
an, und seine projizierte Grundrißgeometrie wird dieselbe wir
die Geometrie der ersten Schicht. Somit bestehen die ungeradzahligen
Schichten ganz aus Halbkreisen, und die geradzahligen Schichten bestehen
aus Halbkreisen mit sehr kurzen Übergangszonen.
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Die
Ausführungsformen
der Erfindung weisen sowohl den Behälteraufbau durch die schichtenartig
liegenden Rohrschlangen, welche mit der Ausnahme der Überganszone
direkt aufeinanderliegen, als auch das Windungsverfahren der Rohre
für den Erhalt
des Aufbaus auf.
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Das
Gasspeichersystem der Ausführungsformen
dieser Erfindung hat viele Vorteile, von denen einige in früheren Patenten
festgehalten sind, die von zwei der Erfinder eingereicht wurden
(US-Patente 5,839,383 und 5,803,005). Erstens ist das Rohr klein, und
die Fehlerschwere ist stark reduziert. Möglicherweise wird auch die
Wahrscheinlichkeit von Fehlern verringert. Zweitens ist die Technologie
für die
Herstellung eines langen, geraden und nachfolgend konstant gekrümmten Rohrs
bekannt und preiswert. Drittens ist das System fortlaufend mittels
eines Innenreinigers einsehbar. Viertens sind kompliziert gekrümmte Merkmale
zu etwa 97% der gewundenen Länge nicht
vorhanden. Fünftens
reduzieren der schlangenförmige
Aufbau und die vertikale Stapelanordnung Gravitationsbeanspruchungen
und Beanspruchungen bei der Schiffsbewegung auf einen kleinen Bruchteil
der Rohr kapazität,
selbst wenn es etwa auf die 20- bis 30-fache Höhe gestapelt wird. All diese Merkmale
führen
zu großen
Kostenverringerungen.
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Andere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Zeichnungen
und der ausführlichen
Beschreibung.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung werden jetzt beschrieben unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen, welche nur der Illustration dienen, wobei nicht beabsichtigt
ist, den Schutz- und Anwendungsumfang der Erfindung zu beschränken und wobei
gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen. Hierbei gilt:
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1 zeigt
einen Grundriß einer
Rohrschicht;
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1A zeigt
einen Schnitt entlang der Linie 1A-1A der 1;
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1B ist
eine Einzelheit der 1;
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2 ist
eine vergrößerte Grundrißansicht des äußeren Übergangsabschnittes
der 1;
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3 ist
eine vergrößerte Grundrißansicht des
inneren Übergangsabschnittes
der 1;
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4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F und 4G sind
eine Reihe von Querschnitten von in den 2 und 3 angegebenen
Abschnitten;
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5 ist
eine Reproduktion des Computerprogramms, welches benutzt wird, um
genau die Geometrie, Linien und Koordinaten der 1B zu
bestimmen; insbesondere des mathematischen Verringerungsmechanismus,
der zum Bestimmen der Übergangskurven
verwendet wird;
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5A und 5B zeigen
rechte und linke Spiralen mit sich kontinuierlich verändernder
Krümmung;
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6A und 6B zeigen
Rohrsektionen mit Schnitten mit zunehmend steigendem Krümmungsradius
unter Bilden polyzirkularer Spiralen;
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7A zeigt
ein Rohr mit einer gestuften Kreisspirale bzw. zirkularen Spiralen;
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7B zeigt
eine Doppeleinwärtsstufe
auf einer polyzirkularen Auswärtsspirale
mit zwei Zentren;
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7C zeigt
ein Rohr mit zwei einzelnen Einwärtsstufen
pro Umdrehung auf einer polyzirkularen Auswärtsspirale mit zwei Mittelpunkten;
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8A zeigt
eine Rohrschicht, die als eine quadratische Spirale mit vier Mittelpunkten
gebildet ist;
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8B zeigt
eine Rohrschicht, die als eine quadratische Spirale mit zwei Mittelpunkten
gebildet ist;
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8C zeigt
eine Rohrschicht, die als eine quadratische Spirale mit vier Mittelpunkten
gebildet ist;
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9A zeigt
eine direkte Überlagerung zweier
Spiralen;
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9B zeigt
eine Überlagerung
zweier kreisförmiger
Spiralen mit einer 180°-Drehung
der einen Spirale bezüglich
der anderen;
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9C zeigt
zwei identische Spiralen, wobei eine eine Extrahalbwindung lang
ist, so daß beide
für eine
leichte Verbindung auf derselben Seite der Rohrschlange enden, und
zeigt benachbarte Schichten anschließende Rohrverbindungen;
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9D zeigt
eine zweite, um eine Achse in der Spiralebene gedrehte Spirale;
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9E zeigt
eine reine zirkulare oder Kreisspirale, welche der 7A folgt;
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10A zeigt eine rechteckige Rohrschicht mit einer
Rohrverbindung zwischen inneren Spiralen;
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10B zeigt eine Grundrißansicht einer rechteckigen
Rohrschicht, bei der zwei rechteckige Spiralen mit einer 180°-Drehung übereinandergelagert
sind;
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11A zeigt einen S- bzw. Bogenabschnitt, der benachbarte
Schichten verbindet;
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11B zeigt einen S- bzw. Bogenabschnitt zwischen
benachbarten Schichten nach der Außenseite der Stapel;
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12 zeigt
einen Stapel von Spiralpaaren, wie in den 9B und 9C und 10A und 1B gezeigt
ist und zur Bildung eines Rohres verbunden werden können;
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12A zeigt einen pyramidenförmigen Rohraufbau, bei welchem
nachfolgende Schichten reduzierte Breite haben;
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13 ist
ein T-P-Diagramm für
Methan.
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Ausführliche
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Bezieht
man sich nun auf die Zeichnungen, bei denen entsprechende ähnliche
Teile in den unterschiedlichen Figuren mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet
sind, dann werden nun bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es
versteht sich auch, daß das
verwendete Material, um das Rohr und seine Verbindungen herzustellen,
bei den vorgeschlagenen Betriebsbedingungen biegsam bzw. geschmeidig
und nicht spröde
ist. Das Rohr und seine Verbindungen können aus Stahl normaler Anspruchsklasse,
in typischer Weise X70, hergestellt sein. Das Wort aufweisen ist
einschließend
und schließt
nicht andere vorhandene Merkmale aus. Der unbestimmte Artikel „ein" schließt nicht
mehr als ein vorhandenes Element aus. Der Radius der Rohrschlange
bezieht sich allgemein auf den Radius des Rohres. Wenn von dem Querschnittsdurchmesser
des Rohres die Rede ist, ist der Durchmesser des Rohres gemeint.
Es versteht sich, daß eine
kontinuierliche Rohrschlange aus zusammengeschweißten Rohren
hergestellt ist, um sie kontinuierlich zu machen.
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Die 1–4 zeigen eine besondere Ausführungsform
mit verschiedenen Aspekten der Erfindung. Die 1 und 1B veranschaulichen
im einzelnen eine Grundrißansicht
eines Abschnittes des Bodens zweier Schichten einer im allgemeinen kreisförmigen,
kontinuierlichen Länge
eines schmalen Rohres. Andere Rohrschichten liegen nacheinander
auf diesen Bodenschichten, und ihre projizierten Grundrißlinien
fallen entweder auf die erste Schicht, die mit ausgezogenen Linien
dargestellt ist, wenn die Schicht eine ungeradzahlige ist, oder
auf die gestrichelten Übergangslinien
und die ausgezogenen Linien, wenn die Schicht geradzahlig ist. Die
Rohrschlange einer nachfolgenden Schicht liegt direkt auf der Rohrschlange
einer vorhergehenden Schicht und ist mit dieser ausgerichtet, mit
der Ausnahme der Übergangszone,
die noch beschrieben wird. Somit gibt es eine lineare Kontaktzone
zwischen dem Rohr in aufeinanderfolgenden Schichten, wodurch sich
das Gewicht des Rohres in optimaler Weise verteilt.
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Die
erste Schicht 10 beginnt mit einem kleinen Rohr mit einem
Innenradius Rmin 12 und beschreibt
einen Halbkreis. Der Krümmungsmittelpunkt wird
dann abrupt um das halbe Rohr verschoben, und auch der Radius wird
um ein halbes Rohr vergrößert. Dies
führt dazu,
daß die
Innenseite des Rohres, wie bei 16 gezeigt ist, exakt tangential
auf die Außenseite
des Anfangs der Rohrspirale 10 zu liegen kommt. Somit hat
sich die Bahn des Rohres um einen Rohrdurchmesser in einem Durchlauf
von 360 Grad durch die Verwendung von zwei speziellen Halbkreisen
herausbewegt. Hierdurch wird die Vielschichtigkeit des Befehlseingangs
an die Biegerollen, welche die vorbeschriebene Biegekrümmung erteilen,
auf zwei Konstanten verringert. Die Bodenschicht schreitet auf diese
Weise mit immer zunehmenden Halbkreisen nach außen fort. Wenn das Rohr die
Außenseite
des Behälters 18 erreicht,
wird es gezwungen anzusteigen und gelangt direkt oben auf die Außenseite
der Schicht eins 20, und dann läuft es weiter als Schicht zwei,
bis es den Beginn der Übergangszone 22 erreicht.
Dann verläßt es durch
die Bahn, die von einer bestimmten mathematischen Formel vorgeschrieben
ist, wie in den 2, 3 und 5 gezeigt
ist, das Rohr direkt darunter in einer horizontal tangentialen Weise
und schließt
sich tangential und unmittelbar über
das Rohr darunter an, allerdings einige zwei Rohrdurchmesser einwärts.
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Dieser
gezeigte Übergang
A B C wird in einem Abstand von etwa 12 Rohrdurchmessern erreicht
und nimmt am Punkt B den Übergangsstützpunkt
auf.
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Diese
kurze Übergangslänge bedeutet,
daß nur
3% der Wicklung eine sich kontinuierlich verändernde Krümmung hat. Die Pfeile 26 zeigen,
wie durch Einwärtsbewegen
um zwei Rohrdurchmesser und durch Zurückbewegen nach außen um einen
diese geradzahligen Schichten eine reine Einwärtsspiraltranslation haben,
selbst wenn sie direkt für
etwa 94% der Zeit oben auf einer Auswärtsspirale liegen und mit dieser
ausgerichtet sind. Das Folgende sind einige zusammenfassende Feststellungen
bezüglich 1:
- • Ungeradzahlige
Schichten verlaufen spiralförmig
nach außen,
und geradzahlige Schichten laufen spiralförmig nach innen.
- • Ungeradzahlige
Schichten haben keine Übergangszonen.
- • Geradzahlige
Schichten haben eine Übergangszone
gleich etwa 12 Rohrdurchmessern.
- • Etwa
97% der Wicklung verwendet eine reine zirkulare bzw. Kreiskrümmung.
- • Außerhalb
der Übergangszone,
welche etwa 94% der Gesamtwicklung darstellt, liegen alle Rohre
in einer Schicht (ungefähr
40 oder mehr Schichten) direkt oben aufeinander.
- • Über das
ganze Wicklungssystem ist sowohl innerhalb als auch außerhalb
der Übergangszone der
Krümmungsradius
größer als
etwa 11 Durchmesser. Dies gilt auch dort, wo Schichten von einer
zu einer anderen wechseln. Folglich übersteigt die maximale Biegebeanspruchung
nicht eine gewisse vorgeschriebene Grenze von etwa 5%.
- • Wo
eine untere Schicht zu einer höheren
ansteigt, an der Außenseite
und an der Innenseite, wird auch die Übergangsgleichung (in 5)
benutzt. Sie wird jedoch mit zwei kurzen umgekehrten Kreisbögen kombiniert,
welche sich durch eine Tangente anschließen, und zwar in der vertikalen
Ebene, um sowohl den Anstieg als auch die seitliche Translation
aufzunehmen.
- • An
der Außenseite
gehen ansteigende Schichten von ungerade zu gerade, und an der Innenseite
gehen ansteigende Schichten von gerade zu ungerade.
- • Alle 180 Grad ändert sich
in den ungeradzahligen Schichten der Krümmungsradius abrupt um einen
Betrag gleich einem halben Rohrdurchmesser. Außerdem ändert sich der Krümmungsmittelpunkt
um einen gleichen Betrag, wodurch eine gesamte Radialtranslation
eines Rohrdurchmessers nach 360 Grad ermöglicht ist.
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Die
Hinweise auf geradzahlige und ungeradzahlige Schichten können durch
Einführen
der Übergangszone
in die unterste Schicht vertauscht werden, dies ist aber etwas nachteilig,
weil die unterste Schicht dann größere Beanspruchungen an den
untersten Übergangspunkten
erleidet, als wenn sie in der zweiten Schicht wären.
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2 ist
eine Vergrößerung des äußeren Abschnittes
des Übergangsbereiches.
Die verallgemeinerte Grundübergangsgleichung 28 ist
angegeben, und der Mechanismus der Lösung 30 in 5 dargestellt. 2 ist
auf die einfache Funktion 32 dargestellt, welche die reinen
Halbkreise beschreibt, die 97% der Wicklungsgeometrie ausmachen.
Positionsquerschnitte A B C sind gezeigt, und diese können später in 4 verfolgt werden, um das dreidimensionale
Bild zu vervollständigen. 2 zeigt auch
die äußere Wand 18 des
Behälters
und ihre dazugehörige Übergangseigenschaft.
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3 ist
eine Vergrößerung des
inneren Abschnittes des Übergangsbereiches.
Die Schnittorte D E F G sind gezeigt und werden später in 4 dargestellt. Die verallgemeinerte Übergangsfunktion 28 ist
genau dieselbe wie in 2, jedoch unterscheiden sich
spezielle Werte der Konstanten numerisch. Dieser numerische Unterschied
führt zu Übergangskurven,
die nicht umgekehrte Krümmung
haben, wie es bei den äußeren Übergangskurven
der Fall ist.
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Die 4A–4G veranschaulichen
die Bodenschicht 4 oder Bodenschicht 5 auf der
Innenseite und Außenseite
des Rohrschlangen-Containerschiffes. Die Bezugsrohrzahl 6 veranschaulicht
zum Beispiel die Bahnen A B C und D E F G, die in den ersten drei
Figuren gezeigt sind. Das Verfolgen der Rohrzahl 4 in den
Abschnitten A, B und C zeigt, wie sich die erste Schicht in die
zweite Schicht verändert. Hier
kann man sehen, warum nur ungeradzahlige Schichten an der Außenseite
ansteigen. In gleicher Weise kann beobachtet werden, daß nur geradzahlige
Schichten an der Innenseite ansteigen.
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Es
folgt nun eine ausführlichere
Beschreibung der 4A–4G. Den
Beginn der Rohrschlange kann man im Schnitt F an dem Rohr mit der Zahl 1 in
seiner Mitte sehen. Der Schnitt G unmittelbar darüber zeigt
die Rohrzahl 1, und dieser Abschnitt des Rohres ist kurz
hinter dem im Schnitt F plaziert. Der nächste Abschnitt des plazierten
Rohres ist im Schnitt D zu sehen und ist in seiner Mitte mit 2 bezeichnet.
Danach ist der nächste
Abschnitt im Schnitt E und ist in seiner Mitte mit der Nummer 2 gezeigt.
Somit kann die Folge davon, wie das Rohr zu Beginn der Bodenschicht
oder ersten Schicht plaziert wird, als F1 beschrieben werden (bedeutet
Schnitt F, Rohrzahl 1), G1, D2, E2, F2, G2, D3, E3, F3,
G3, D4, E4, F4, G4. Dieses Verfahren setzt sich jeweils um einen
Rohrdurchmesser nach außen
fort, bis die Position A1 im Schnitt A erreicht ist. Die Plazierungsfolge der
Beendigung für
die erste Schicht kann als A1, B1, C1, A3, B2, C2, A3, B3, C3 und
A4 beschrieben werden. Dies beschreibt also das Plazieren der ersten Schicht,
die sich nach außen
windet. Das Rohr steigt dann an und beginnt, sich in der zweiten
Schicht einwärts
zu bewegen. Die Folge wird angegeben durch B4, C4, A5, B5, C5, A6,
B6, C6, A7, B7, C7, A8, B8 und C8. Dieses Verfahren setzt sich einwärts fort
ein Rohrdurchmesser auf einmal, bis im Schnitt D die Position D5
erreicht ist. Die Plazierungsfolge der Beendigung für die zweite
Schicht kann beschrieben werden als D5, E5, F5, G5, D6, E6, F6,
G6. Das Rohr beginnt darin, bei D7 anzusteigen und erreicht die
dritte Schicht bei E7, woraufhin die sich auswärts bewegende Folge F7, G7,
D8, E8, F8, G8, D9, E9, F9, G9 wird. Der Rest der Wicklung schreitet
in ähnlicher Weise
auswärts
und einwärts
fort, wobei man der Sequenz folgt A9, B9, C9, A10, B10, C10, A11,
B11, C11, A12, B12, C12, A13, B13, C123, A14, B14, C14, A15, B15,
C15, A16, B16, C16, ... D10, E10, F10, G10, D11, E11, F11, G11,
D12, E12, F12 und G12. Nur die ersten fünf Schichten sind in den A–4G dargestellt.
Das Muster wiederholt sich selbst um so viele Schichten wie erforderlich,
in typischer Weise 20 oder 30.
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5 veranschaulicht
ein kurzes Programm, das in der Sprache Basic geschrieben ist, welches die
in den ersten drei Figuren beschriebene Geometrie beschreibt. Die
Druckfunktionen sind graphisch, aber der Ausgang kann leicht in
einem numerischen Koordinatensystem ausgedrückt werden. Das Hauptmerkmal
des Programms 30 zwischen den Zeilen 190 und 400 ist die
mathematische Beschreibung, wie die Konstanten der Übergangsgleichung
gelöst werden.
Das Lösungsverfahren
ist im wesentlichen eine Variation eines Standard-Gausschen Verkleinerungsverfahrens.
Die tatsächliche
allgemeine Gleichung 28 ist für
dieses Wicklungsverfahren einzig. Auch der in der Gleichung verwendete
Exponent (D, in Zeile 240) ist einzig insofern, als er wie ein Abstimmparameter verwendet
werden kann, um ein fast perfektes Ineinanderschachteln des Rohres
in der Übergangszone
vorzusehen.
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Man
erkennt also, daß diese
Ausführungsform
der Erfindung vorsieht: ein spezielles Verfahren oder System des
Wickelns eines Rohres mit kleinem Durchmesser mit einer großen kontinuierlichen
Länge des
Rohres mit kleinem Durchmesser von etwa 10 Meilen (etwa 5 bis 8
Zoll im Durchmesser). Etwa 97% des Rohres werden über Intervalle
von etwa 180 Grad-Bögen
auf eine konstante Krümmung
gebogen (eine solche Vereinfachung konstanter Krümmung reduziert in hohem Maß die Konstruktionskosten). Ein
einzigartiges Übergangsverfahren
(für etwa
3% der Rohrschlangenlänge)
schafft die Möglichkeit,
daß etwa
94% des Rohres direkt unter oder oben auf einem anderen Rohr liegen.
Ein solches Stapelmuster reduziert in hohem Maß die örtlichen Biege- und Übergangsbeanspruchungen
und verringert somit die Gesamtwanddicke des Rohres oder erhöht das zulässige Stapelgewicht
in jedem Behälter.
Ein Verfahren zum Wickeln von Rohr, welches durch die Verwendung
einer gestuften konstanten Krümmung
für etwa
97% seiner Gesamtlänge
kontinuierlich spiralförmig
auswärts
und einwärts
verläuft.
Ein mathematisches Verfahren zum Beschreiben der speziellen Wicklungsgeometrie.
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Obwohl
die Rohrschlangen in Halbkreisen mit konstantem Radius gezeigt sind,
könnten
diese Segmente von 360/n Grad sein, wobei jedes Segment im Durchmesser
um 1/n Rohrdurchmesser ansteigt, wobei n größer als 1 ist, aber jeder Anstieg
von n über
2 erhöht
die Anzahl der Rohrbiegejustierungen und ist nicht bevorzugt. Bei
dem Behälteraufbau, welcher
mit diesem Verfahren hergestellt ist, stößt die Rohrschlange in jedem
k-ten Segment an eine Rohrschlange in dem k + n-ten Segment für jedes
k-te Segment mit der Ausnahme von Segmenten, die eine äußere Grenze
des Behälteraufbaus
bilden, um somit einen spaltfreien Aufbau zu formen. Obwohl eine Ausführungsform
gezeigt wurde, bei welcher die Übergangszone
12 Rohrdurchmesser einnimmt, glaubt man doch, daß man noch Vorteile erhält, wenn die Übergangszone
weniger als 50 Rohrdurchmesser einnimmt.
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Die
Rohrschlange bildet einen Behälteraufbau,
der normalerweise an jedem Rohrende mit Ventilen 37 versehen
ist. Die Rohrschlange ist für
die Aufnahme von Gas geeignet. Die Rohrschlange ist vorzugsweise
in einem Behälter 18 aufgenommen,
der vorzugsweise abgedichtet ist, um einen zweiten Behälteraufbau
vorzusehen, und mit einem Leckageerfassungsgerät ausgestattet ist.
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Nun
werden weitere Ausführungsformen
der Erfindung beschrieben, und es wird mit verschiedenen Wicklungsstapeln
mit flachen Mehrfachspiralen begonnen.
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Die 5A und 5B zeigen
Spiralen mit kontinuierlich sich ändernder Krümmung. Für Terminologiezwecke veranschaulicht 5A eine
linkshändige
Spirale und 5B eine rechtshändige Spirale.
Die Händigkeit
wird dadurch bestimmt, daß man den
Daumen hochhält
und nachsieht, für
wel che Hand die Finger dem Rohr in aus- bzw. abgehender Richtung
folgen. Die 5B erhält man aus 5A durch
Herumdrehen derselben, d.h. durch eine 180 Grad-Drehung um eine
Achse in der Ebene der Rohrschlange.
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Die 6A und 6B zeigen
polyzirkulare Spiralen. 6A veranschaulicht
eine polyzirkulare Spirale mit zwei Mitten, welche durch die zwei
Mitten C1 und C2 auf einer vertikalen Achse gebildet ist, durch
einen Abstand von D/2 getrennt, wobei D der Durchmesser des Rohres
ist. Der Bogen A1.1 verläuft über 180
Grad durch einen Radius R von der Mitte C2, der Bogen A2.1 verläuft über 180
Grad durch den Radius R + D/2 von der Mitte C2, der Bogen A1.2 verläuft über 180
Grad durch den Radius R + D von der Mitte C1 usw. 6B veranschaulicht eine
4-Mitten Spirale, welche durch vier Mitten im Abstand von D/4 erzeugt
ist, wobei die Bögen
mit konstantem Radius 90 Grad lang sind, und der Radius um D/4 zwischen
benachbarten Bögen
zunimmt. Viele andere polyzirkulare Spiralen sind möglich. Das
Interesse bzw. der Vorteil bei dieser Variante besteht in der Möglichkeit,
daß das
kontinuierliche Verändern der
Krümmung
für die
genaue Produktion einer Wickelmaschine zu schwierig ist.
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7A zeigt
eine gestufte Kreisspirale. Bei dieser Spirale sind die Rohre ineinandergestapelte, perfekte
Kreise mit Radien, die in Stufen von D zunehmen, mit der Ausnahme
einer kleinen Übergangszone,
die eine S-Biegung enthält,
die aus negativen und positiven Bögen gebildet ist, deren Radien
die minimalen Biegeradien sind. Diese Bögen sind so angeordnet, daß es an
der Stelle der Bewegung zwischen den Bögen oder zwischen den Bögen und den
Kreisen keine Krümmungsveränderung
gibt. Die Übergangszonen
verändern
die Serie von Kreisen in eine Auswärtsspirale (in einem Uhrzeigersinn).
Die Übergangszonen
können
gemäß Darstellung
in 7B einwärtsstufig
wie auch auswärtsstufig
sein. Hier ist die Grundspirale eine polyzirkulare Auswärtsspirale
mit zwei Mitten. Die Übergangszonen
bilden einen doppelten Einwärtsschritt,
wobei eine wirkliche Einwärtsspirale
gebildet wird. 7C erbringt dieselbe polyzirkulare
Auswärtsspirale
mit zwei Mitten und wandelt unter Durchführung zweier einzelner Einwärtsschritte
pro Umdrehung auch eine Auswärtsspirale
in eine Einwärtsspirale
um. Zwar gibt es jetzt zwei Übergangszonen,
der Vorteil ist aber der, daß sie
kürzer
sind als die entsprechende doppelte Übergangszone.
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8A zeigt
ein Beispiel einer rechteckigen Rohrschlange, in diesem Fall einer
quadratischen Rohrschlange. Die Ecken sind alle identische 90 Grad-Segmente
des Rohres, wobei der Krümmungsradius
klein ist, zum Beispiel der minimale Biegeradius. Diese Ecken sind
durch gerade Rohrsegmente zunehmender Länge angeschlossen, so daß eine äußere Rohrschleife
einfach um die inneren Schleifen spiralförmig herumläuft. Eine solche Spirale könnte durch
Anschweißen
der geraden Segmente an den Ecken aufgebaut werden. In diesem Fall
wären die Ecken
solche kurze Rohrstücke,
daß sie
in einer Rotationsbiegewerkzeugeinrichtung unter Verwendung eines
Dornes gebogen werden könnten,
der ohne Ovalisieren des Rohres sehr enge Biegungen erlauben würde. Keine
zwei Rohrsegmente haben dieselbe Länge, sie erhöhen sich
um 1/2 des Rohrdurchmessers gegenüber dem vorherigen Segment.
Dies ist ein Beispiel einer quadratischen Spirale mit 4 Mitten,
die auch schematisch in 8C gezeigt
ist. 8B zeigt eine quadratische Spirale mit 2 Mitten, welche
den Vorteil hat, daß die
Hälfte
der geraden Rohrsegmente dieselbe Länge wie das vorhergehende Segment
haben, wodurch man eine Anzahl unterschiedlicher Rohrlängen hat,
die Herstellungsvorteile haben können.
Falls alle Rohrsegmente auf zwei parallelen Seiten des Quadrates
um einen festen Zuwachs vergrößerte Längen hätten, wäre die sich
ergebende Figur eine rechteckige Spirale. Wenn die lange Seite des
Rechtecks ziemlich lang ist, verringert sich die Anzahl der geschweißten Ecken
relativ zu dem Gesamtvolumen der Spirale bzw. Rohrschlange, wodurch
die Wirtschaftlichkeit verbessert wird. Gleichzeitig könnte der
Radius der Ecken auf sagen wir 2D reduziert werden, wobei hier der
Raumverlust im Inneren der Rohrschlange minimiert wäre. Die
kombinierte Wirkung bestünde
darin, eine preiswerte Rohrschlange herzustellen, die einen rechteckigen
Raum gut füllen
würde.
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Es
werden nun das Anordnen von Spiralen übereinander und Verbinden der
horizontalen Spiralen in Paaren gemäß der vorstehenden Beschreibung
beschrieben. Für
praktische Anwendungen muß der
Rohrschlangenstapel viele Schichten hoch sein, zum Beispiel 20 Schichten.
Da jedoch eine Schicht nur mit der Schicht darunter oder der darüber wechselwirkt,
wird die folgende Diskussion auf zwei benachbarte Schichten beschränkt und
darauf, wie sie zu Paaren verbunden werden können.
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9A zeigt
eine zweite identische Spirale, die direkt oben auf der ersten plaziert
ist. Das Ergebnis ist die perfekte kubische Packung, die Verbindungen
sind aber insofern heikel, als die Rohrenden nebeneinander liegen
und in dieselbe Richtung zeigen. Die Verbindungsanschlußstücke wären einfache Schleifen.
Wir glauben nicht, daß diese
Konfiguration sich als interessant erweist.
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9B zeigt
eine Ausführungsform,
bei welcher eine zweite identische Spirale vor der Überlagerung
in ihrer eigenen Ebene um 180° gedreht
wird. Die zwei Schichten passen mit perfekter hexagonaler Packung
zusammen. Die inneren Enden können durch
Anschweißen
eines S-Biegeanschlußstückes zusammen
verbunden werden, denn es ist kurz und kann stramm gebogen werden,
gegebenenfalls unter Verwendung eines Dorns. Diese Anordnung erscheint
sowohl für
kreisförmige
als auch rechteckige Spiralen interessant, wo das Wickeln der Spiralen
in Scheiben nicht merklich weniger wirksam ist als das kontinuierliche
Wickeln des Rohrschlangenstapels in einer Richtung mit einem fortlaufenden
Rohr.
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9C zeigt
eine ähnliche
Ausgestaltung wie 9B mit der Ausnahme, daß die zweite Schicht
um eine halbe Umdrehung länger
ist, so daß die
zwei außenseitigen
Enden auf derselben Seite der Spule enden. Dies kann nützlich sein,
wenn man einen Vorteil daraus gewinnt, daß man alle die zwischenschichtigen
Verbindungsanschlüsse
(„Ohren") auf derselben Seite
des Rohrschlangenstapels angeordnet hat, wie zum Beispiel bei rechteckigen
Stapeln.
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In 9D ist
die zweite identische Spirale umgedreht, d.h. vor der Überlagerung
um etwa 180 Grad gedreht und die Achse in ihrer Ebene. Man hat jetzt
einen „Ein-/Aus"-Aufbau, wie er durch
kontinuierliches Wickeln eines Rohres in einer Richtung erstellt
werden kann. Die Enden liegen einander gegenüber und können leicht verbunden werden,
nachdem man den Niveauunterschied zugelassen hat. Die Verbindungen
könnten
durch S-Biegeanschlüsse gemacht
sein oder im Fall des kontinuierlichen Wickelns dadurch, daß das Rohr
in der vertikalen Dimension in die S-Biegekonfiguration gebogen
wird. Es gibt jedoch ein ernsthaftes Problem der Rohrhalterung,
da das Stapeln der zwei Schichten weder kubisch noch hexagonal ist.
Das Rohr auf der zweiten Schicht kreuzt nur das Rohr in der ersten
Schicht an Punkten, die 180° im
Abstand sind, und ist dazwischen im wesentlichen ungehaltert. Dies
ist eine nicht akzeptable Situation, welche durch die Verwendung gestufter
Spiralen gelöst
werden kann, wie nachfolgend diskutiert wird.
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9E zeigt
zwei identische gestufte Kreisspiralen mit der zweiten herumgedreht.
Dies sind die Spiralen der 7A. Da
die große
Mehrzahl der Umläufe
dieser Spiralen perfekte Kreise sind, liegen, wenn der zweite umgedreht
ist, ihre Rohre direkt über jenen
der ersten Spirale mit dem Ergebnis einer kubischen Packung. Nur
die Übergangszonen
erreichen nicht die kubische Packung, aber diese sind kurz, und
dort gibt es nicht ein ernsthaftes Problem des ungestützten Rohres.
Da die zweite Spirale umgedreht ist, hat man nun die Ein-/Aus-Konfiguration,
und solche Paare könnten
von einer Maschine hergestellt werden, welche mit einem kontinuierlichen
Rohr in einer Richtung wickelt, vorausgesetzt, man könnte den Niveauwechsel
von einer Spirale zu der benachbarten mit der S-Biegung in der dritten
Dimension an der äußersten
Außenseite
und äußersten
Innenseite erreichen.
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In 9F ist die erste Spirale eine von jenen in
den 5A, 6A oder 6B, und
die überlagerte
Spirale ist eine doppelte gestufte Einwärtsspirale der Art, wie in 7B gezeigt
mit der Einschränkung,
daß die
Grundspirale der letzteren mit der ersten Spirale identisch ist.
Siehe 9F. Die Situation ist sehr ähnlich der 9E oben
mit der Ausnahme, daß die
zweite Spirale nicht umgekehrt bzw. umgelegt ist. Da es dieselbe
Spirale ist wie die unten mit der Ausnahme des Übergangsbereichs, ergibt sich eine
kubische Packung. Durch den doppelten Übergang wird eine Auswärtsspirale
in eine Einwärtsspirale
umgewandelt, so daß wie
in 9E die Enden leicht mit zwei benachbarten Spiralen
mit einem kleinen S-Bogen in der dritten Dimension verbunden sind.
Somit kann mit einer geeigneten Maschine diese Schichtenkombination
aus einem kontinuierlichen Rohr gewickelt werden.
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In 10A ist die erste Spirale eine rechteckige mit
entweder zwei oder vier Mitten, und die überlagerte Spirale ist identisch,
aber in ihrer eigenen Ebene um 190 Grad gedreht. Die Situation ist
direkt analog der 9B mit der Ausnahme, daß die Kreisspirale
durch eine rechteckige Spirale ersetzt ist, so daß man wieder
eine hexagonale Packung hat. Da beide Spiralen auslaufend sind,
müssen
sie im Inneren durch den großen
S-Bogenanschluß verbunden sein,
welcher in der dritten Dimension auch um einen Rohrdurchmesser ansteigt.
Die Außenenden
der Doppelschicht erscheinen an den entgegengesetzten Seiten.
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In 10B ist dieselbe Situation gezeigt wie in 10A mit der Ausnahme, daß eine der Schichten um zwei
weitere Segmente gelängt
wurde, 180°, so
daß beide
Außenenden
auf derselben Seite des Rechtecks erscheinen. Dies kann nützlich sein,
um entweder die Packung benachbarter Rechtecke oder Quadrate zu
verbessern oder anzuordnen, daß alle die äußeren Rohrverbindungen
an einem Ende des Rechtecks auftreten, wie es zum Beispiel für einen Frachtkahn
passend sein kann.
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Es
werden nun Stapel von Spiralpaaren und ihre Verbindungen beschrieben.
Der vorherige Abschnitt betrachtete, wie die in den 5A, 5B, 6A, 6B, 7A, 7B, 7C, 8A, 8B und 8C definierten
Spiralen in Paaren kombiniert werden können, um ein Stapelkriterium
zu erfüllen,
zum Beispiel, daß das
sich ergebende Paar primär
eine kubische Packung oder eine hexagonale Packung haben sollte.
Wegen der Symmetrie einer flachen Spirale von einer Seite zu der
anderen paßt dann,
wenn die Spirale B mit hexagonaler Packung oben auf die Spirale
A paßt,
die Spirale A mit hexagonaler Packung auch oben auf die Spirale
B. Schreitet man auf diese Weise fort, dann besitzt ein Stapel von
vielen identischen Paaren mit hexagonaler Packung durchweg hexagonale
Packungen.
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Das
Stapeln identischer Paare erzeugt selbstverständlich eine säulenförmige Anordnung
in vertikaler Richtung. Die oberen Schichten brauchen aber nicht
so viel Windungen zu besitzen wie die unteren Schichten. Wenn jede
Schicht eine Windung weniger besitzt als die unter ihr, ist der
Stapel um 30 Grad aus der Vertikalen nach einwärts abgewinkelt für einen
hexagonalen Stapel oder um 45 Grad aus der Vertikalen für einen
kubischen Stapel. Das Ergebnis ist ein Stapel in Pyramidenform.
Ein pyramidenförmiger
Stapel stellt offensichtlich weniger Bedingungen an seinen Behälteraufbau
als ein säulenförmiger Stapel,
und dies kann unter einigen Umständen
vorteilhaft sein.
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Von
den oben in dem vorherigen Abschnitt besprochenen Spiralpaaren besitzen
die Ausgestaltungen der 9E und 9F (gestuft kreisförmig) die Eigenschaft der kubischen
Packung (ausgenommen die Übergangszonen).
Sie besitzen auch die Eigenschaft, daß benachbarte Schichten von
Spiralen entgegengesetzte Händigkeit
haben. Dies bedeutet seinerseits, daß das Rohr am Ende einer Spirale
in der entgegengesetzten Richtung dem Rohr zu Beginn der nächsten Spirale
zugeneigt ist, was bedeutet, daß sie
leicht durch einen S-Bogen verbunden werden können, der von einer Schicht
zur anderen ansteigt. Das bedeutet auch, daß sie in einem kontinuierlichen
Wickelverfahren hergestellt werden können, falls dieses Verfahren
die Fähigkeit
hat, den S-Bogen in der dritten Dimension zu machen. Wenn nicht, muß der S-Bogen
ein Anschluß sein,
der eingeschweißt
ist. Diese S-Bögen
werden sowohl auf der Innenseite der Spiralen als auch auf der Außenseite benötigt. Die
Situation ist in den 11A und 11B dargestellt.
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Von
den in dem vorigen Abschnitt diskutierten Spiralpaaren besitzen
die 9B und 9C (kreisförmig) und 10A und 10B (rechteckig) die
Eigenschaft hexagonaler Packung. Sie besitzen diese Eigenschaft,
denn beide Spiralen haben dieselbe Händigkeit, was bedeutet, daß das Rohr
an dem Ende einer Spirale in derselben Richtung wie das Rohr am
Ende der benachbarten Spirale blickt. Das Verbinden einer an die
andere erfordert eine Rohrschleife, die sich um 180 Grad dreht.
Eine einfache, benachbarte Rohre verbindende Schleife kann benutzt
werden. Wenn das Kriterium des minimalen Biegeradius betrachtet
wird, können
diese Schleifen mißlich
sein und können
nicht gut gegen die vertikalen Seiten des Stapels gepackt werden.
Wenn es jedoch Raum vom Stapel fort gibt, was gut der Fall sein kann
bei kreisförmigen
Stapeln, die kubisch gepackt sind, können diese 180 Grad-Schleifen
im wesentlichen in derselben Ebene liegen wie die Spiralen und zur
Seite herausragen. Dies ist in 9B dargestellt, wo
die Schleifen jede zweite Schicht auf einer Seite des Stapels mit ähnlichen
Schleifen auf der anderen Seite des (nicht gezeigten) Stapels verbunden
sind, und die Gestaltung der 9C, wo
die Schleifen mit benachbarten Schichten verbunden sind. Diese horizontalen
Verbindungsschleifen benachbarter oder nächst benachbarter Schleifen
können
in der Situation erwünscht
sein, wo es in dem Rohr eine flüssige Phase
gibt und man Bedenken hat wegen der Poolbildung von Flüssigkeiten,
wo es kleine Punkte oder Flecke in dem Aufbau gibt, weil diese Art
von Schleife nicht für
einen Punkt für
die Poolbildung sorgt.
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In
vielen anderen Situationen, insbesondere bei rechteckigen Spiralen,
ist die dichte Packung der Stapel wichtig, und es ist unerwünscht, daß die Schleifen
aus dem Stapel herausragen. Die Schleifen benachbarter Schichten
können
in die Vertikale gedreht und gegen den Stapel gedrückt sein,
um das Packen zu verbessern, aber eine bessere Lösung erhält man, wenn man nicht die
Verbindung benachbarter Schichten versucht. Die Situation ist schematisch in 12A dargestellt, wo Schleifen mit minimalem Biegeradius,
in diesem Beispiel auch etwa 3D angenommen, benutzt werden, um Rohrenden
zu verbinden, die in der vertikalen Richtung mindestens sechs Rohrdurchmesser
weg sind. Diese Schleifen („Ohren") befinden sich in
einer vertikalen Ebene parallel zu der vertikalen Wand des Stapels,
wo die vertikale Ebene einen Rohrdurchmesser außerhalb des Stapels angeordnet
ist, so daß alle
Schleifen mit einem S-Bogen in der Ebene der Spiralen beginnen müssen, wodurch
sie um einen Rohrdurchmesser nach außen bewegt werden. In diesem
Beispiel gibt es 12 Paare im Stil der Ausgestaltungen der 9B und 10A, die mit 12 Rohrenden auf jeder Seite gestapelt
sind. Die schematische Darstellung zeigt, wie diese durch Ohren
auf den zwei Seiten verbunden sein können, um über alle 24 Spiralen eine kontinuierliche
Rohrbahn vorzusehen. Wo ein Volumen von nur einem Rohrdurchmesser
Dicke bei 10 Rohrdurchmesser Breite auf jeder Seite verloren ging. Wenn
die Paare im Stil der 9C und 10B sind,
dann können
anstelle der Hälfte
der Ohren, die auf der anderen Seite des Stapels erscheinen, beide Gruppen
von Ohren auf derselben Seite des Stapels nebeneinander erscheinen.
Dies ist günstig,
wenn das dichte Packen wichtig ist. Wenn zum Beispiel beide Gruppen
von Ohren auf einer Seite eines rechteckigen Stapels erscheinen,
würde nur
ein Extrarohrdurchmesser zu der Länge des Stapels hinzugefügt, um diese
Verbindungen vorzusehen.
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Durch
die Kombination eines rechteckigen Stapels mit Paaren des Stils
der 10B, hexagonale Packung und
eng passende Ohren, wie oben beschrieben, wird die höchste Rohrdichte
irgendeines hier beschriebenen Designs oder irgendeiner Gestaltung
geschaffen unter der Annahme, daß der zu füllende Raum im wesentlichen
rechteckig ist.
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Die
US-Patentschrift Nr. 5,839,383, auf die oben Bezug genommen wurde,
beschrieb im einzelnen den ausgestalteten Stahlaufbau zur Halterung des
Stapels der 11A und 11B.
Mit entsprechenden Modifikationen könnte ein ähnlicher Stahlaufbau verwendet
werden, um die anderen, hier beschriebenen Stapelarten abzustützen.
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Die
Patentschrift schlug auch die Verwendung einer Matrix vor, welche
den Raum zwischen den Rohren füllt,
als ein Mittel zur Schaffung einer Halterung für die Rohre und folglich Verringerung
der Tendenz zum Ovalisieren, wodurch die Ermüdung gefördert würde. Eine Form einer Matrix,
die vorgeschlagen wurde, war Wasser mit seinem spezifischen Gewicht,
welches durch andere Additive eingestellt wurde, um es dichter an
jenes des Rohres zu bringen. Was nicht erwähnt war, war die Idee, daß die Matrix
eine hohe Wärmekapazität haben
sollte, um die Temperaturschwankungen in der Rohrwand während des
Ladens und Entladens zu reduzieren und ansonsten die thermische
Masse des Behälters
als Ganzes zu erhöhen.
Eine merkliche Verbesserung der thermischen Eigenschaften erhält man durch
die Verwendung von Wassermischungen sowie eines der üblichen
Glykole für
höhere
Dichten (spezifisches Gewicht 1,1) und höhere Temperaturen (Gefrierpunkt etwa –40 Grad
Fahrenheit) oder Wasser und Methanol für niedrigere Dichten (0,9)
und niedrigere Temperaturen (–40
bis –80
Fahrenheit). Wasser ist attraktiv, denn es hat sowohl eine hohe
spezifische Wärme als
auch eine hohe Schmelzwärme.
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Im
Hinblick auf im wesentlichen feste Matrizen sind erwünschte Eigenschaften
niedrige Kosten, niedrige Dichte und die Fähigkeit einer engen Angleichung
an das Rohr, um eine maximale Unterstützung vorzusehen. Hierdurch
wird die Verwendung von preiswerten Kunststoffen empfohlen, wie
zum Beispiel Polyethylen oder gemischter Kunststoffabfall, wo nach
dem Fertigstellen des Stapels von Rohrschlangen mit geeigneten Kunststoffmengen
zwischen den Schichten die Temperatur zum Beispiel dadurch angehoben
werden kann, daß man
Dampf durch die Rohre strömen
läßt, so daß die Kunststoffmatrix
erweichen und eine Anpassung an die Rohre ermöglichen kann. Ein Produkt mit ähnlichen
Eigenschaften, das man auch in Betracht ziehen kann, ist aus Kohle
oder Erdöl
abgeleitetes Pech, welches oxidiert sein kann oder nicht. Die effektive
Viskosität
aller dieser Matrizen muß bei
Umgebungstemperaturen sehr, sehr hoch sein und für alle praktischen Zwecke ein
Feststoff sein. Die Viskosität
kann notwendigenfalls durch die Zugabe von fasrigem Material erhöht werden.
Während
es sonderbar erscheinen kann, ein Stahlrohr mit solchen Produkten
abzustützen,
sollte man beachten, daß sie
nur bei Kompression benutzt werden und die Drücke nicht sehr hoch sind, zum
Beispiel 10 bis 20 psi höchstens.
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Die
Notwendigkeit einer Matrixstütze
wird wichtiger mit der Verschiebung zu Materialien höherer Festigkeit
für die
Rohrkonstruktion, wie in dem nächsten
Abschnitt beschrieben wird, wodurch das Verschieben zu Rohren mit
dünneren
Wänden
gefördert
wird, weil der Widerstand gegen Ovalisieren durch ein Rohr mit der
dritten Potenz der Wanddicke variiert.
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Ein äußerst wichtiger
Faktor bei dem wirtschaftlichen Transportwert von Erdgas in komprimierter
Form ist seine Dichte. Es gibt zwei grundsätzliche Wege, die Dichte von
Gas zu erhöhen,
nämlich den
Druck zu erhöhen
und die Temperatur zu verringern. Im Fall des Transportes von Druckerdgas
sind die Kosten des Druckbehältersystems
hoch wichtig. Die Bewegung weg von dem herkömmlichen Leitungsrohr, welches
preiswert ist, zu Niedrigtemperaturstahl mit wenig Nickel, wie in
der Anmeldung PCT/US98/12726 beschrieben ist, wird durch die höheren Kosten
pro Tonnen Stahl abgeschreckt. Dies gilt auch für Verbundrohre, insbesondere
kontinuierliche Verbundrohre mit Kohlenstoffaser von derselben Druckdimensionierung
wie die Pipelinerohre. Als Faustformel kostet das Kohlenstoffaserrohr
das 1 1/2-fache des gewöhnlichen
Stahlrohres für
dieselbe Druckdimensionierung. Niedriger Nickelgehalt bedeutet hier
von etwa 1 Gew.-% bis 5 Gew.-% Nickel.
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Bei
Umgebungstemperaturen ähnlich
30 bis 50 Grad Fahrenheit gibt es einen sehr großen Dichteunterschied des Gases
zwischen niedrigen Drücken,
wie zum Beispiel 100 bis 1500 psi, und hohen Drücken, wie zum Beispiel 3000
bis 4000 psi. Sobald aber die Temperatur innerhalb 20 Grad Fahrenheit des
kritischen Gaspunktes kommt, nimmt der Unterschied ausgesprochen
ab. Im Ergebnis ist es möglich,
dieselbe oder sogar höhere
Gasdichte bei sagen wir 1000 psi zu erhalten als bei 3000 psi und
Umgebungstemperatur. In diesem Druckbereich kostet ein Kohlenstoffaserrohr
etwa halb so viel pro Fuß wie
gewöhnliches
Leitungsrohr. Mit einem Rohr mit den halben Kosten kann man sich
die Verwendung von doppelt so viel Rohr leisten als Leitungsrohr
und kann folglich die doppelte Gastonnage transportieren. Mit den
Schiffskosten und den Rohrleitungskosten grob gleich und mit doppelter
Fracht wiegen die Einsparungen die zusätzlichen Kühlungskosten mehr als auf,
welche selbst gegen die reduzierten Kompressionskosten gegengerechnet
werden.
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Also
kommt man zu dem überraschenden Ergebnis,
daß die
Wirtschaftlichkeit beim Transport durch Verschieben zu teureren
Behältermaterialien verbessert
werden kann.
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Wenn
die Temperatur in den Bereich des kritischen Punktes abgesenkt wird,
bezeichnet man das Gas häufig
als Gas „dichter
Phase". Unter der
kritischen Temperatur wird es oft als Flüssigkeit bezeichnet, obwohl
es keinen Punkt gibt, bei welchem sich seine Eigenschaften abrupt ändern. Innerhalb
der Phaseneinhüllenden
unter dem kritischen Druck für einen
Temperaturbereich geht das komprimierte Gas mit einer solchen Flüssigkeit
einher. Diese verschiedenen Formen des Gases können alle mit den obigen Behältersystemen
bedient oder transportiert werden, und zum Zwecke dieses Patentdokumentes
werden alle Formen als „komprimiertes
Fluid" bezeichnet.
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Materialien
für die
Konstruktion des Rohres können
sein:
- 1, Gewöhnlicher API-Leitungsrohrstahl.
- 2. Abgeschreckter und gehärteter
Stahl.
- 3. Hochfester Niedrigtemperaturstahl mit einem Nickelgehalt
von weniger als 3%, der auch abgeschreckt und gehärtet sein
kann.
- 4. Stahlrohr, das mit hochfesten Verstärkungsfasern, wie zum Beispiel
Kohlefaser, oder hochfestem Stahldraht, im wesentlichen nur in der
Ringrichtung gewickelt ist. Dies ist ein Mittel, um die Druckkapazität des Rohrs
bei minimaler Erhöhung
der Kosten und des Gewichts zu verdoppeln.
- 5. Verbundrohr, bestehend aus in eingebetteten helikalen Wicklungen
von hochfesten Fasern um ein Kernrohr mit relativ geringer Festigkeit
und idealerweise niedriger Permeabilität für Methan.
- 6. Es sind viele andere Materialien möglich, wie zum Beispiel extrudiertes
Aluminium, extrudiertes orientiertes Polyolefin, mit Keramikfasern
verstärkte
Metalle etc., obwohl die obigen von größter Bedeutung sind.
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Überlegungen
für die
Konstruktion eines Spulen- bzw. Rohrschlangenstapels umfassen:
- 1. Die Erleichterung und Beschleunigung der
Herstellung, zum Beispiel kontinuierliches Wickeln, effizientes
Testen.
- 2. Erleichterung der Reparatur: Im Fall von gestapelten Cosellen
sind Rohrschlangen bzw. Spulen in Form von horizontalen Scheiben
bevorzugt, die es ermöglichen,
eine Leckagescheibe parallel zu schalten.
- 3. Inspektionsmöglichkeit:
Für ein
Stahlrohr, das der Korrosion unterworfen ist, bedeutet dies, daß es möglich sein
muß, einen
intelligenten Rohrreiniger durch die gesamte Rohrschlange hindurchzuführen, was
einen im wesentlichen konstanten inneren Durchmesser einschließlich der
Ecken bedeutet, damit der Rohrreiniger navigieren kann, zum Beispiel
ein Radius von mehr als 2D.
- 4. Operative Überlegungen:
Für den
Fall, daß signifikante
Mengen an erzeugten Flüssigkeiten
gebildet werden, sollte es keine niedrigen Stellen geben, an denen
eine Poolbildung oder Ansammlung auftreten könnte, und wenn ein Fluidstoß eingesetzt
werden soll, sollte der Rohrdurchmesser klein genug sein, damit
das Überströmen oder Unterströmen des
Fluids minimal ist.
- 5. Raumfüllen:
Betrachtet man den zur Verfügung stehenden,
zu füllenden
Raum, dann sollte die maximale Dichte des Rohres bevorzugt sein,
das bedeutet, rechteckige Rohrschlangen werden in typischer Weise
begünstigt
und Flansche innerhalb der Rohrschlange vermieden.
- 6. Sicherheit: Das Vermeiden von Ermüdungsrissen erfordert, daß ein Ovalisieren
des Rohres auf einem Minimum gehalten wird, das seinerseits bedeutet,
daß das
durch Rollen gebogene Rohr einen gewissen Minimalradius haben muß, und um die
Folgen eines Risses aus irgendeinem Grund minimal zu halten, sollte
der Rohrdurchmesser mäßige Größe haben,
so daß die
Gasfließgeschwindigkeit
durch einen großen
Riß durch
den mäßigen Rohrdurchmesser
selbstblockierend ist.
-
Die
Erfindung wurde nun unter Bezugnahme auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben, und das Ersetzen von Teilen und Einsetzen anderer Modifikationen
ergibt sich für
den Fachmann. Unwesentliche Modifikationen der dargestellten Ausführungsbeispiele
sollen in den Geltungsbereich der Erfindung fallen.