DE60120190T2

DE60120190T2 - Verfahren und vorrichtung zur vorwärmung von kabelleiterelementen mit extrudierter isolierung ,besonders leiter mit metallbandverstärkung

Info

Publication number: DE60120190T2
Application number: DE60120190T
Authority: DE
Inventors: Paolo Veggetti; Gaia Dell'anna; Giovanni Pozzati; Marcello 1 20149 Milano DEL BRENNA; Angelo Sala
Original assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Current assignee: Prysmian Cavi e Sistemi Energia SRL
Priority date: 2000-08-14
Filing date: 2001-08-02
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2021-08-03
Also published as: ES2266240T3; EP1316094B1; AU8398001A; WO2002015205A1; CA2419355A1; EP1316094A1; CA2419355C; ATE328353T1; DE60120190D1; US20040042771A1; US6844526B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorwärmen von Kabelleiterelementen bei der Herstellung von extrudierten Hochspannungs- und Extrahochspannungskabeln, insbesondere Leitern mit Metallband-Verstärkungen, wie z.B. Miliken-Leiter.
Der Ausdruck „extrudierte Kabel" bezieht sich auf Kabel, bei denen die Leiterelemente mit mindestens einer extrudierten Isolationsschicht beschichtet sind. Darüber hinaus soll im Folgenden sowie in den beigefügten Ansprüchen manchmal der Kürze halber der Begriff „Leiter" verwendet werden, um die „Leiterelemente" des Kabels als Ganzem zu bezeichnen.
In ihrer vollständig vollendeten Form umfassen extrudierte Hochspannungs- und Extrahochspannungskabel innere Leiterelemente aus Kupfer- oder Aluminiumlitzendrähten, eine innere Halbleiterschicht (Leiterabschirmung), eine Isolierschicht, eine äußere Halbleiterschicht (Isolationsschicht), eine Metallabschirmung, die z.B. aus spiralförmig gewundenen Kupferstreifen und/oder -drähten, extrudierten Blei- oder Aluminiumschichten besteht, und wahlweise eine äußere Hülse, die z.B. aus PVC, extrudiertem Polyvinyl oder anderen geeigneten Kunststoffen hergestellt ist.
Die Isolierschicht, die – wie gesagt – durch Extrusion hergestellt ist, ist besonders kritisch, das sie auf partielle Entladungen empfindlich ist, die bei Vorhandensein von Defekten wie z.B. Mikrohohlräumen und Unterbrechungen zwischen benachbarten Materialschichten auftreten können, welche in der Isolierung vorhanden sein können. Diese partiellen Entladungen beschleunigen das Altern des Isolationsmaterials und verursachen dadurch dessen Perforierung.
Somit muss die Isolationsschicht so gleichmäßig wie möglich sein.
Eine typische Herstellungsanlage für extrudierte Kabel umfasst einen Leiterelemente-Vorwärmer, eine erste Extruderstufe für den inneren Halbleiter, eine zweite Extruderstufe für die Isolierung, eine dritte Extruderstufe für den äußeren Halbleiter und einen Dreifach-Extrusionskopf für die gleichzeitige Beschichtung der obigen Schichten, eine Erhitzungs- und Quervernetzungsröhre und schließlich eine Kühlröhre, um den Quervernetzungsvorgang zu vollenden. Alternativ ist es möglich, mehrere Extrusionsköpfe in einer Tandemanordnung zu verwenden. Somit werden die Leiter traditionell vorgewärmt, kurz bevor sie in den Extrusionskopf eingeführt werden, um den Temperaturunterschied zwischen dem Kunststoff im geschmolzenen Zustand und dem Leiter, auf den er extrudiert wird, zu verringern. Tatsächlich verursacht solch ein Temperaturunterschied die Bildung von Verformungen und ähnlichen Defekten auf der Kontaktoberfläche, die in abschließender Analyse die Eigenschaften des produzierten Kabels verändern.
Der Leitervorwärm-Schritt erlaubt darüber hinaus, dass eine Erhöhung in der Anlagenproduktivität erhalten wird. Tatsächlich muss die Kabelvorschubgeschwindigkeit so sein, dass sie die komplette Quervernetzung des „isolierten Kerns" erlaubt, ein Ausdruck, der sich in der folgenden Beschreibung auf das Leiterelement, die innere Halbleiterschicht, die Isolierung und die äußere Halbleiterschicht als ganze bezieht, d.h. auf das Leiterelement, nachdem dieses durch den Extrusionsabschnitt gelaufen ist. Das Vorwärmen des Leiters verringert die Quervernetzungszeiten, da der Leiter Wärme an das extrudierte Material abgibt – oder zumindest keine Wärme davon absorbiert – wodurch das sogenannte Phänomen des „Gefrierens" der inneren Halbleiterschicht und eines Teils der Isolierung während der Extrusion verhindert wird. Dieses Phänomen besteht darin, dass ohne ein Vorwärmen des Leiters die innere Halbleiterschicht und das Innere der Isolierung beim Berühren des Leiters Wärme schneller an ihn abgeben als sie Wärme durch Wärmeleitung aus den äußersten Schichten erhalten, sodass sie unter die optimale Quervernetzungstemperatur fallen. Somit sind während des Quervernetzungsschrittes eine äußere in Quervernetzung befindliche Schicht, eine geschmolzene Zwischenschicht und eine innere Schicht mit niedriger Temperatur vorhanden. Dank der durch Konvektion und/oder Strahlung empfangenen Wärme wird beim Voranschreiten entlang der Herstellungsanlage auch der innerste Abschnitt, der gekühlt und möglicherweise verfestigt ist, wahlweise wieder aufgeschmolzen, auf die optimale Quervernetzungstemperatur zurückgebracht und danach quervernetzt. Wie bereits gesagt ist nach der Quervernetzung ein Kühlschritt vorhanden, stets in radialer Richtung, von außen nach innen.
Diese Zustandsänderungen und diese Temperaturänderungen bedingen, dass aufgrund der Wärmeausdehnung und -schrumpfung in der Isolierschicht interne Spannungen erzeugt werden, die die Leistungsfähigkeit des Kabels verschlechtern. Was die Effizienz der Herstellungslage betrifft, wird sie durch die Tatsache verschlechtert, dass der Abschnitt, der aufgrund des Kontakts mit dem Leiter abgekühlt oder sogar verfestigt wurde, wieder erwärmt oder sogar wieder aufgeschmolzen werden muss, wodurch die Geschwindigkeit in der Quervernetzungsröhre und dementsprechend in der gesamten Anlage verringert werden muss.
Interne Spannungen, insbesondere in großen Kabeln, können eine Verschlechterung in den dielektrischen Eigenschaften der Isolierschicht hervorrufen.
Die Druckschrift JP 61-271717 beschreibt eine Anlage zur Herstellung eines Kabels mit einer isolierenden Harzbeschichtung, umfassend eine Zuführtrommel, Antriebsrollen, eine Vorwärmvorrichtung, einen Extruder für Harz auf den vorgewärmten Leiter, eine Quervernetzungsröhre für das extrudierte Harz, Antriebsrollen und einen Wickler. Die Vorwärmvorrichtung, für welche die Druckschrift vorschlägt, sie durch eine Vorrichtung zur Verhinderung von Kriechströmen zu verbessern, basiert auf einem System von durch einen elektrischen Transformator induziertem Strom. Somit wird der Leiter durch mithilfe des Joule-Effekts erzeuge Wärme erwärmt.
Zudem wurden direkte Vorwärmtechniken – durch elektrischen Strom – und infrarote Vorwärmtechniken vorgeschlagen.
Trotzdem hat der Anmelder bemerkt, dass die oben genannten Vorwärmtechniken nicht zufriedenstellend auf Leiter angewendet werden können, die mit Verstärkungsbändern aus Metall – insbesondere Kupfer – versehen sind, wie z.B. die sogenannten Miliken-Leiter. Miliken-Leiter, und allgemeiner Leiter mit Keulenquerschnitt, werden weit verbreitet für Hochspannungskabel verwendet, da sie ein niedrigeres Verhältnis von Impedanz zu Widerstand im Vergleich zu äquivalenten Kabeln traditioneller Geometrie aufweisen und sie nicht so sehr durch den sogenannten Skin-Effekt beeinträchtigt werden.
Wie schematisch im Querschnitt der 1 gezeigt ist, besitzt ein Miliken-Leiter 100 eine Vielzahl von Sektoren oder Keulen 101, wobei in 1 als Beispiel fünf Keulen 101 veranschaulicht sind, die um einen Kern 102 herum angeordnet sind. Der Kern 102, der z.B. aus Aluminium besteht, hat den Zweck, die Keulen 101 zu tragen und dabei ihre zentralen Spitzen zu eliminieren. Jede Keule 101 besteht wiederum aus einer Reihe von Drähten 103, 104, ... 106, 107. Jede Reihe von Drähten 103 bis 107 ist spiralförmig um die weiter innen gelegene Reihe von Drähten in derselben Keule 101 herumgewickelt. Diese Mehrfachkeulengeometrie bildet einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt des Leiters 100, wobei an den Verbindungen zwischen den verschiedenen Keulen 101 jedoch im Wesentlichen dreieckige Fugen 108 entlang der Länge des Leiters 100 gebildet werden. Während der Extrusion neigt das extrudierte Material dazu, in die Fugen 108 einzudringen, d.h. es neigt dazu, einen unregelmäßigen Querschnitt anzunehmen, der nicht ringförmig ist (die sogenannte Fioritura"). Wenn die Extrusion bei einem relativ niedrigen Druck geschieht, dringt nur der innere Halbleiter in die Vertiefungen ein, wenn jedoch der Extrusionsdruck höher ist, wie in dem Fall des Dreifachkopf-Extrusionsabschnitts, dringt auch der Isolator dorthin vor, wodurch beim Einsatz des Kabels unerwünschte Potentialgradienten verursacht werden.
Um diesen Nachteil zu überwinden, werden Leiter mit Keulenquerschnitt – insbesondere der Miliken-Art – zusätzlich zum Verleihen mechanischer Stabilität an die Leiter „durch ein Band verstärkt", d.h., sie werden mit einem Verstärkungsband 109 umwickelt. Die Verstärkungsbänder bestehen z.B. aus einer Nylonvlies-Halbleiterschicht, einer Kupferschicht und einer anderen Nylonhalbleiterschicht.
Der Anmelder hat bemerkt, dass bei Vorhandensein der Metallbandverstärkung das Metall den Großteil der während des Leitervorwärmens zur Verfügung gestellten Wärme absorbiert, während das Kabel aufgrund des Faraday-Abschirmungsprinzips kalt bleibt: die magnetischen Feldlinien sind nur auf dem Verstärkungsband verbunden, welches den innerhalb davon angeordneten Leiter vom Induktionsstrom abschirmt, wodurch ein beträchtlicher Wärmegradient zwischen dem Leiterkern und dem Verstärkungsband erzeugt wird.
Solche ein Wärmegradient kann nicht akzeptiert werden, da während des Quervernetzungsvorgangs der innere Abschnitt des Leiters, der kälter ist, Wärme aus dem Verstärkungsband und dem Isoliermaterial, die heißer sind, abführt, mit Entstehung der oben genannten Nachteile.
Somit ist das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende technische Problem jenes, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vorwärmen von Leiterelementen für extrudierte Kabel zu entwickeln, das ein gleichmäßiges Vorwärmen in einer radialen Richtung auch bei Vorhandensein von Metallbandverstärkungen bereitstellen sollte.
Daher stellt die vorliegende Erfindung in ihrem ersten Aspekt ein Verfahren zum Vorwärmen von Leiterelementen von Kabeln bereit, die mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen sind, insbesondere Leiterelementen mit Metallbandverstärkungen, die folgenden Schritte umfassend:

a) Stetiges Zuführen der Leiterelemente zu einer Vorwärmkammer;
b) Erwärmen einer vorbestimmten Flussrate eines thermischen Trägerfluids auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur; und
c) Zuführen der vorbestimmten Flussrate des thermischen Trägerfluids zur Vorwärmkammer.

In der vorliegenden Beschreibung und in den beigefügten Ansprüchen bezieht sich der Ausdruck „Vorwärmtemperatur" auf eine Temperatur des thermischen Trägerfluids, die zwischen einer Temperatur unmittelbar über jener der Leiterelemente und einer Maximaltemperatur liegt, um so nicht die danach auf die Leiterelemente aufgebrachten Polymerschichten, ein auf den Leiterelementen vorhandenes Band oder die Leiterelemente selbst zu schwächen. Bevorzugt wird die Vorwärmtemperatur des thermischen Trägerfluids so gewählt, dass eine Leitertemperatur erzeugt wird, die kleiner oder gleich der Extrusionstemperatur des geschmolzenen Polymers ist, und besonders bevorzugt ungefähr 10°C niedriger als die Extrusionstemperatur ist. Diese Temperatur kann erreicht werden, indem die Temperatur und/oder die Flussrate und/oder die fluiddynamischen Eigenschaften des thermischen Trägerfluids geeignet eingestellt werden. Auf diese Weise wird der Leiter auf eine Temperatur vorgewärmt, die in der Lage ist, die Dauer des nachfolgenden Quervernetzungsschritts der auf die Leiterelemente extrudierten Schichten wesentlich zu verringern.
Gleichzeitig stellt die vorliegende Erfindung in ihrem zweiten Aspekt eine Vorrichtung zum Vorwärmen von Leiterelementen von Kabeln bereit, die mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen sind, insbesondere von Leiterelementen mit Metallbandverstärkung, umfassend:

– eine Vorwärmkammer, die geeignet ist, einen Abschnitt einer vorbestimmten Länge des Leiterelements aufzunehmen, und die einen Einlass und einen Auslass für ein thermisches Trägerfluid aufweist;
– einen Kreislauf zum Zuführen des thermischen Trägerfluids zum Einlass der Vorwärmkammer, und
– eine Vorrichtung zum Erwärmen des thermischen Trägerfluids.

Dadurch dass entsprechend der Erfindung das Vorwärmen hauptsächlich durch die erzwungene thermische Konvektion erzielt wird, ist es möglich, sowohl traditionelle Kabel als auch solche Kabel effektiv vorzuwärmen, die einen mit einer Metallbandverstärkung versehenen Leiter aufweisen, z.B. einen Miliken-Leiter, wodurch die mit dem Vorhandensein des Verstärkungsbands zusammenhängenden Probleme verhindert werden. Darüber hinaus wird der Energieverbrauch im Vergleich mit einem induktiven Vorwärmen wesentlich verringert.
Bevorzugt wird das thermische Trägerfluid der Vorwärmkammer in einem turbulenten Zustand zugeführt. Auf diese Weise wird eine vorteilhafte Verbesserung der Wärmetauschkoeffizienten erzielt.
Vorteilhafterweise wird das thermische Trägerfluid gegen den Strom in Bezug auf die stetige Zuführrichtung des Leiters zugeführt. Auch durch dieses Merkmal wird die Wärmetauscheffizienz verbessert.
Bevorzugt wird das thermische Trägerfluid auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur erwärmt, die aus einem Bereich zwischen 80°C und 200°C, besonders bevorzugt zwischen 100°C und 180°C und ganz besonders bevorzugt 130 bis 160°C gewählt wird. Dieser Temperaturbereich ist der beste Kompromiss zwischen der für das Vorwärmen benötigten Zeit und dem endgültigen Wärmegradienten in radialer Richtung der Leiterelemente.
Vorteilhafterweise stellt das Verfahren der Erfindung darüber hinaus das Messen der Temperatur der Leiterelemente und das Ändern der Vorwärmtemperatur und/oder der Flussrate des thermischen Trägerfluids basierend auf der so gemessenen Temperatur bereit. Gleichzeitig kann die Vorrichtung entsprechend der Erfindung weiter einen Sensor zum Messen der Temperatur der Leiterelemente und eine Steuereinheit zum automatischen Antreiben der Leistung der Heizvorrichtung und/oder der Flussrate des thermischen Trägerfluids basierend auf der vom Sensor gemessenen Temperatur umfassen. Diese Regelung erlaubt es stets, die erwünschte Temperatur der Leiterelemente beim Eintritt in den Extrusionsabschnitt zu erhalten.
Bei dem Verfahren entsprechend der Erfindung kann darüber hinaus vorgesehen werden, das thermische Trägerfluid, im Wesentlichen in einem geschlossenen Kreislauf, auf seinem Auslass der Vorwärmkammer in den Einlass davon wieder zuzuführen. Gleichzeitig kann bei der Vorrichtung entsprechend der Erfindung der Kreislauf zum Zuführen des thermischen Trägerfluids ein Gebläse umfassen, das mit jeweiligen Zuführleitungen und Saugleitungen versehen ist, die sich zwischen dem Gebläse und dem Einlass bzw. Auslass für das thermische Trägerfluid erstrecken. Auf diese Weise wird die Effizienz des Verfahrens bzw. der Vorrichtung weiter verbessert.
Bei der Vorrichtung entsprechend der Erfindung umfasst die Erwärmvorrichtung mindestens einen elektrischen Widerstand, der in Kontakt mit der Vorwärmkammer angeordnet ist, bevorzugt koaxial außerhalb davon. Dies stellt die Vorteile eines einfachen und preisgünstigen Aufbaus zur Verfügung, abgesehen davon, dass eine gewisse Erwärmung des Leiters durch Strahlung bereitgestellt wird.
Darüber hinaus ist bevorzugt die Vorwärmkammer an ihren gegenüberliegenden Enden durch Verschlussvorrichtungen mit mindestens einem Loch zur Aufnahme der Leiterelemente verschlossen, wobei das Loch transversal zu seiner Längsachse beweglich ist. Auf diese Weise ist das Loch transversal zur nominalen Richtung der Leiterelemente beweglich, wodurch es in der Lage ist, sich selbst den Ausrichtungsfehlern der Anlage und der von den Leiterelementen während der Herstellung angenommenen Gestalt anzupassen, insbesondere in Kettenanlagen.
Bevorzugt besitzt jede Verschlussvorrichtung eine erste Platte mit einem mittig vorstehenden Abschnitt, worin das Loch erhalten wird; eine zweite Platte zum Verschließen des Endes der Vorwärmkammer, die einen Schlitz aufweist, in dem der mittige vorspringende Abschnitt der ersten Platte lose aufgenommen wird; und mindestens eine dritte Platte, die an der zweiten Platte befestigt werden kann, wobei die erste Platte zwischengeschoben ist und sich in versetzter Position in Bezug auf das Loch befindet. Solch eine Verschlussvorrichtung erlaubt in der Tat die Beweglichkeit des Lochs, obwohl eine gute Dichtigkeit der Vorwärmkammer bereitgestellt wird.
Besonders bevorzugt besteht die erste Platte aus zwei Abschnitten um das Loch und die zweite Platte besteht aus zwei Abschnitten um den Schlitz. Auf diese Weise können die Verschlussvorrichtungen angebracht und entfernt werden, während der Leiter sich bereits innerhalb der Anlage erstreckt.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung auf einem einstellbaren Stützrahmen angebracht sein. Der Stützrahmen erlaubt die Anpassung an die nominale Position des Leiters in der Anlage, insbesondere in Kettenanlagen.
In einer dritten Ausführungsform davon bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kabels, das mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen ist, umfassend die folgenden Schritte:

– Vorwärmen der Leiterelemente des Kabels nach dem oben veranschaulichten Verfahren;
– Extrudieren von mindestens einer Isolierschicht auf die vorgewärmten Leiterelemente; und
– Erwärmen und darauf folgendes Abkühlen des isolierten Kerns, der aus den Leiterelementen besteht, die mit mindestens einer Isolierschicht versehen sind, um zumindest die Isolierschicht quer zu vernetzen.

In ihrem vierten Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung schließlich auf eine Anlage zur Herstellung eines Kabels, das mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen ist, umfassend eine Vorrichtung zum Vorwärmen der Leiterelemente des Kabels, das die beschriebenen Merkmale aufweist, einen Extrusionsabschnitt für mindestens eine Isolierschicht, eine Quervernetzungsröhre für die extrudierten Schichten, und Mittel zum stetigen Zuführen der Leiterelemente.
Die Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nun mit Bezug auf die bevorzugte Ausführungsform veranschaulicht, die mithilfe eines nicht beschränkenden Beispiels in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist:
1, auf die bereits Bezug genommen wurde, zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Leiter der Miliken-Art;
2 zeigt schematisch eine Anlage zur Herstellung eines extrudierten Kabels, die eine Vorrichtung zum Vorwärmen der Leiterelemente der extrudierten Kabel entsprechend der vorliegenden Erfindung aufweist;
3 zeigt eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorwärmvorrichtung entsprechend der Erfindung;
4 zeigt eine explodierte und teilweise weggeschnittene Ansicht einer Verschlussvorrichtung einer Vorwärmkammer der Vorrichtung der 3;
5 zeigt eine Ansicht der Verschlussvorrichtung der 4 in montiertem Zustand und teilweise weggeschnitten; und
6 zeigt einen Graph der experimentellen Testergebnisse.
Eine in 2 gezeigte Anlage 1 zur Herstellung eines Kabels, das mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen ist, umfasst im Wesentlichen eine Vorwärmvorrichtung 2, einen Extrusionsabschnitt 3 und eine Quervernetzungsröhre 4, die nacheinander von einem Leiter C durchquert werden, der von einer Abwickelspule 5 durch eine sogenannte Zuführ"raupe" 6 stetig zugeführt wird. Stromabwärts der Quervernetzungsröhre 4 sind eine Zug"raupe" 6' und eine Aufwickelrolle 7 für das vollendete Kabel vorgesehen. Die Raupen 6, 6' sind natürlich lediglich Beispiele der stetigen Zuführvorrichtung des Leiters C in der Anlage 1.
Der Extrusionsabschnitt 3 ist schematisch so gezeigt, dass er mit einem Extruder 8 für die innere Halbleiterschicht, einem Extruder 9 für die Isolationsschicht, einem Extruder 10 für die äußere Halbleiterschicht und einem Dreifach-Extrusionskopf 11 versehen ist, jedoch sind natürlich auch andere an sich bekannte Gestaltungen möglich.
Schließlich soll bemerkt werden, dass obwohl 2 eine Draufsicht einer Anlage 1 der horizontalen oder Kettenart zeigt, dies nicht als die Erfindung auf die genannten Anlagenarten einschränkend ausgelegt werden soll, da sie auch auf vertikale Anlagen anwendbar ist.
Die Vorwärmvorrichtung 2 entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in 3 gezeigt, besitzt zuerst eine Vorwärmkammer 12, die geeignet ist, einen Abschnitt der Länge l der Leiterelemente C zu enthalten, die für die Herstellung eines mit extrudierte Isolierung versehenen Kabels bestimmt sind und die bevorzugt in der Vorwärmkammer 12 durch mindestens einen Träger 14 getragen werden.
Die Vorwärmkammer 12 hat bevorzugt eine längliche Röhrenform, z.B. ein Edelstahlrohr, das einer chemischen Vernickelungsbehandlung unterworfen wurde, und weist an ihren Enden dicht anliegende Verschlussvorrichtungen 16 der Kammer 12 auf, die mit einem Durchloch 18 versehen sind, um den Durchtritt der Leiterelemente C zu erlauben. Angesichts der Länge l der Vorwärmkammer 12 kann diese aus mehreren Abschnitten hergestellt sein, wie durch die Verbindungen 13 in 3 gezeigt.
4 und 5 zeigen – jeweils in explodierter Ansicht und im montierten Zustand – eine bevorzugte Ausführungsform der Verschlussvorrichtung 16, wobei das Durchloch 18 transversal entlang der Doppelpfeile A und B der 5 in Bezug auf die nominale Richtung des Leiterelements C beweglich ist, um sich der von ihnen angenommen Gestalt anzupassen, die mit der Horizontalbewegung der Zuführraupe 6 der Anlage 1 variabel ist. Insbesondere umfasst jede Verschlussvorrichtung 16 eine erste Platte 161 mit einem hervorstehenden mittigen Abschnitt 162, worin das Loch 18 erhalten wird. Eine zweite Platte 163 weist eine der Endöffnung der Vorwärmkammer 12 entsprechende äußere Größe, sowie Löcher 164 zur Befestigung dieser durch Schrauben 164' auf. Die zweite Platte 163 weist darüber hinaus einen Schlitz 165 auf, der eine geringfügig größere Abmessung als der vorstehende mittlere Abschnitt 162 der ersten Platte 161 besitzt, um ihn so lose aufzunehmen. Bevorzugt und wie gezeigt ist der Schlitz 165 von einem hinterschnittenen Sitz 166 umgeben, der eine Größe aufweist, die soviel größer als die erste Platte 161 ist, wie der Schlitz 165 größer als der vorstehende mittlere Abschnitt 162 der ersten Platte 161 ist. Mindestens eine dritte Platte 167 (zwei davon sind gezeigt) kann z.B. mithilfe von (nicht gezeigten) Schrauben an der zweiten Platte 163 befestigt werden, wobei die erste Platte 161 zwischengestellt ist und im befestigten Zustand in einer versetzten Position in Bezug auf das Loch 18 in jeder Position der ersten Platte 161 innerhalb des Sitzes 166 der zweiten Platte 163 verbleibt.
Um das Befestigen und Entfernen der Verschlussvorrichtungen 16 zu erlauben, ohne den Leiter C aus der Anlage 1 zu entfernen, besteht die erste Platte 161 bevorzugt aus zwei Hälften 161a und 161b um das Loch 18 herum, die mit Stiften 168 (nur einer ist in 4 gezeigt) und mithilfe von in die hinterschnittenen Sitze 170 z.B. mit Schrauben 169' befestigbaren kleinen Platten 169 zusammengehalten werden. Auf ähnliche Weise besteht die zweite Platte 163 bevorzugt aus zwei Hälften 163a und 163b um den Schlitz 165, die bevorzugt eine abgestufte diametrale Kante 171 für eine bessere Dichtigkeit aufweisen. Die gestrichelten Abschnitte in 4 veranschaulichen die Montagebewegung der Platten 161, 163 um den Leiter C. Schließlich sind auf der ersten und zweiten Platte 161, 163 mit Gewinde versehene blinde Löcher 172 bzw. 173 zur Aufnahme von Extraktionsknöpfen 174 bzw. 175 gezeigt. Es muss bemerkt werden, dass die rechteckige Form des Schlitzes 165 und der ersten Platte 161 zusammen mit der quadratischen Form des mittleren vorspringenden Abschnitts 162 der ersten Platte 161 eine unterschiedliche Bewegungsfähigkeit des Lochs 18 entlang der beiden Richtungen A und B senkrecht zueinander und zur Achse der Vorwärmkammer 12 bedeuten. Die Verschlussvorrichtungen 16 werden an der Vorwärmkammer 12 in einer Kettenanlage 1 mit solch einer Orientierung befestigt, dass die am meisten begrenzte Bewegung in Richtung A horizontal zum Boden auftritt, während die weiteste Bewegung in Richtung B in der vertikalen Richtung auftritt. Die so bereitgestellte horizontale Bewegungsfähigkeit ist besonders für die Kompensierung von axialen Ausrichtungsfehlern während der Installation der Vorwärmvorrichtung 2 nützlich, während die vertikale Bewegungsfähigkeit besonders während dem Betrieb von Nutzen ist, sodass das Loch 18 dem Kettenmuster des Leiters C folgen kann.
Zurückkehrend zu 3 ist die Vorwärmkammer 12 bevorzugt von einer Isolierung 19 umgeben, die z.B. aus einer Glasfaser- oder Keramikfaserschicht, umschlossen von einer Aluminiumschicht 20, besteht. Darüber hinaus ist die Kammer 12 mit einem Einlass 21 und einem Auslass 22 für ein gasförmiges thermisches Trägerfluid, z.B. Luft, versehen, das von einem Gebläse 24 zugeführt wird, welches mit dem Einlass 21 und dem Auslass 22 jeweils durch eine Zuführleitung 26 und eine Saugleitung 28 verbunden ist, die bevorzugt aus Stahl hergestellt und isoliert sind. Die Zuführleitung 26 und die Saugleitung 28 sind bevorzugt mit einer jeweiligen Vorrichtung 27 bzw. 29 zur Kompensierung der Wärmeausdehnung und -schrumpfung versehen, z.B. in Form von Metallbälgen.
Bevorzug zirkuliert, wie in 3 gezeigt, die Luft oder ein anderes Fluid in der Vorwärmkammer 12 von rechts nach links, d.h. gegen den Strom in Bezug auf die Zuführrichtung des Leiters C. Dies erlaubt es, die Wärmetauscheffizienz zu verbessern, was im Wesentlichen durch gezwungene thermische Konvektion geschieht.
Das thermische Trägerfluid nämlich, welches in der Vorwärmkammer 12 den Leiter C berührt, wird durch eine geeignete Heizvorrichtung erwärmt, in 3 als 24 elektrische Halbschalenwiderstände 30 dargestellt, die entlang der Vorwärmkammer 12 innerhalb der Isolierung angeordnet sind, durch welche die Verdrahtung 31 zum Versorgen der Widerstände 30 sichtbar ist. Natürlich kann die Erhitzungsvorrichtung entlang des gesamten Fluidkreislaufs angeordnet werden, d.h. auch entlang der Leitungen 26, 28, und kann auch andere Formen annehmen, z.B. kann sie aus einem Wärmetauscher bestehen, der insbesondere aus anderen Teilen der Anlage 1 erhaltene, heiße Fluide verwenden kann.
Trotzdem muss bemerkt werden, dass die Verwendung von elektrischen Widerständen 30 entlang der Vorwärmkammer 12 das Ergänzen des Wärmetauschs durch gezwungene Konvektion mit Wärmetausch durch Strahlung von den Wänden der Vorwärmkammer 12 erlaubt, die wiederum mit den Widerständen 30 in Kontakt sind, wodurch die Effizienz der Vorrichtung 10 verbessert wird. Trotzdem ist der Wärmetausch durch Strahlung in Bezug auf jenen durch Konvektion vernachlässigbar, da es experimentell gezeigt wurde, dass er ungefähr 4% beträgt.
Das Gebläse 24 kann z.B. ein Zentrifugalgebläse sein.
Darüber hinaus ist die Vorrichtung 2 bevorzugt mit einem Sensor (nicht gezeigt) zur Messung der Temperatur des Leiters C versehen, z.B. mit einem optischen Pyrometer, das stromabwärts der Vorwärmkammer 12 vor dem Einlass des Extrusionsabschnitts 3 angeordnet ist, sowie mit einer Steuereinheit (nicht gezeigt), die auf Grundlage der vom Sensor gemessenen Temperatur die Flussrate des thermischen Trägerfluids und/oder den in den Widerständen 30 fließenden Strom steuert. Bevorzugt empfängt die Steuereinheit andere Parameter in der Eingabe, die von geeigneten Sensoren bereitgestellt werden, z.B. die Temperatur der Vorwärmkammer 12 und die Temperatur der Luft entlang des Kreislaufs, der aus dem Gebläse 24 und der Zuführleitung und der Saugleitung 26, 28 besteht. Im Zuge eines Beispiels zeigt 3 drei Thermoelemente 33 entlang der Vorwärmkammer 12 und ein Thermoelement 34 entlang der Zuführleitung 26. Darüber hinaus ist in derselben Zuführleitung 26 ein Loch 36 zur Aufnahme eines Anemometers (nicht gezeigt) gezeigt, um die Luftströmungsrate zu steuern. Schließlich ist in der Saugleitung 28 ein Hahn 28 gezeigt, um die zirkulierende Luft zu kompensieren, welcher normalerweise geschlossen ist, der jedoch während der Installation der Vorwärmvorrichtung 2 nützlich sein kann.
Darüber hinaus kann die Vorwärmkammer 12 aufmachbar sein, um so das Einsetzen und das Herausnehmen des Leiters C und der Verschlussvorrichtungen 16 zu erleichtern, oder sie kann nicht aufmachbar sein, um so die mechanische Ausführung wesentlich zu vereinfachen und dadurch Kosten zu verringern. Im Fall einer aufmachbaren Kammer kann es zur Sicherheit des verantwortlichen Personals geeignet sein, eine Steuerung über die Temperatur derselben Kammer 12 und ihres effektiven Öffnens und Schließens bereitzustellen.
Darüber hinaus kann die Vorrichtung 2 zu Zwecken ihrer Anpassung an die vom Leiter C in der Anlage 1 angenommene Gestalt, insbesondere in Kettenanlagen, vorteilhafterweise auf einem einstellbaren Stützrahmen 40 angeordnet sein. Der Stützrahmen 40 umfasst Schließrahmen 41 zum Tragen der Röhre, die die Vorwärmkammer 12 bildet. Die Basis 42 der Stützrahmen 41 ist an einem Rahmen 43 mit dazwischengelegten Lagern 44 befestigt, die sowohl als thermische Isolatoren als auch als Vibrationdämpfer dienen. Der Rahmen 43 wird bevorzugt von einer Reihe von Löchern 45 leichter gemacht und weist eine im Wesentlichen trapezoidale Form auf. In seinem unteren Abschnitt ist der Rahmen 43 mit einer Platte 46 versehen, die an einer zweiten Platte 47, am Boden festgelegt, durch eine doppelte Reihe von Bolzen befestigt ist. Die Bolzen 48 einer ersten Reihe sind jeweils mit zwei Muttern 49 versehen und dienen zum Klemmen der beiden Platten 46, 47, während die Bolzen 50 einer zweiten Reihe dazu dienen, eine Feineinstellung der Neigung der oberen Seite des Rahmens 43 und somit der Vorwärmkammer 12 zu erlauben, um so für das Einsetzen in der Kettenanlage geeignet zu sein.
Mit der beschriebenen Vorrichtung kann das Verfahren entsprechend der Erfindung wie folgt durchgeführt werden.
Zuerst werden die Leiterelemente C, die vor dem Eintreten in den Extrusionsabschnitt 3 vorgewärmt werden müssen, stetig in die Vorwärmkammer 12 eingeführt. Gleichzeitig wird in der Vorwärmkammer 12 eine vorbestimmte Flussrate an Luft oder eines anderen, bevorzugt gasförmigen thermischen Trägerfluids auf eine Vorwärmtemperatur erhitzt, wie zuvor definiert, um so den Abschnitt des Leiters C im Wesentlichen durch erzwungene thermische Konvektion zu erwärmen.
Das thermische Trägerfluid wird bevorzugt in turbulentem Zustand und gegen den Strom in Bezug auf die stetige Zuführrichtung des Leiters C zugeführt.
Die Vorwärmtemperatur des thermischen Trägerfluids und eine Flussrate verhalten sich wie folgt unter den folgenden vereinfachenden Hypothesen:

– die Bewegung des Leiters C in der Vorwärmkammer 12 kann vernachlässigt werden, da seine Geschwindigkeit (typischerweise 0,2 bis 0,6 m/s) viel geringer als die Geschwindigkeit des thermischen Trägerfluids (ungefähr 19 bis 38 m/s) ist;
– der Effekt der Strahlung auf den Wärmetausch ist vernachlässigbar, da er gleich ungefähr 4% dessen ist, was durch erzwungene Konvektion bereitgestellt wird;
– die thermodynamischen Eigenschaften der Luft können als konstant angenommen werden, da ihr „thermal head" im stationären Zustand nur 10°C beträgt.

Die Wärmeleistung Q_Cu, die benötigt wird, um eine Änderung ΔT_Cu im Leiter zu verursachen, wird von der Formel der Gleichung 1 gegeben: QCu = qCu·cpCu·ΔTCu (Gleichung 1)wobei q_Cu die Zuführrate des Leiters und C_pCu die spezifische Wärme des Leiters sind.
Ähnlich kann die Wäremleistung Q_f, die vom thermischen Trägerfluid abgegeben wird, durch Gleichung 2 ausgedrückt werden: Qf = qf·cpf·ΔTf (Gleichung 2)wobei q_f die Flussrate des thermischen Trägerfluids ist und c_pf die spezifische Wärme des thermischen Trägerfluids ist.
Unter Berücksichtigung von Verlusten ist die thermische Leistung Q_req, die dem Leiter C bereitgestellt werden soll, durch Gleichung 3 gegeben: Qreq = QCu·K (Gleichung 3)wobei K eine Konstante größer als 1 ist.
Die zwischen dem Leiter C und dem thermischen Trägerfluid ausgetauschte Wärmeleistung ist eine Funktion des Wärmetauschkoeffizienten h_c der Wärmetauschfläche A und der Anfangs- und Endtempertur des Leiters C sowie des thermischen Trägerfluids. Im Fall gezwungener Konvektion in turbulentem Zustand und Gegenstromfluss erhält man die Gleichung 4:
wobei T_Cu die Temperatur des Leiters C ist und T_f die Temperatur des thermischen Trägerfluids ist, wobei das Suffix in den Einlass der Vorwärmkammer 12 bezeichnet, d.h. im Wesentlichen den Auslass 22 des thermischen Trägerfluids, und das Suffix out den Auslass der Vorwärmkammer 12 anzeigt, d.h. im Wesentlichen den Einlass 21 des thermischen Trägerfluids. Im Fall des Wärmetauschs durch Konvektion ist der Koeffizient h_c durch Gleichung 5 gegeben:
wobei Re die Reynolds-Zahl ist, Pr die Pramdtlsche Zahl ist, λ die thermische Leitfähigkeit des Fluids ist und D_Cu der Durchmesser des Leiters C ist.
Durch Ersetzen der Gleichung 1 in Gleichung 3 und Gleichsetzen mit Gleichung 2 sowie durch Gleichsetzen der Gleichungen 2 und 4 erhält man ein System mit zwei Gleichungen. Dieses System setzt zwei unbekannte Größen, Flussrate und Temperatur des thermischen Trägerfluids am Auslass der Vorwärmkammer 12, im Wesentlichen am Einlass 21 des thermischen Trägerfluids, in Beziehung. Es ist gezeigt worden, dass mit einem so berechneten Flussratenwert der Zustand in der Tat wie hypothisiert turbulent ist, d.h. Re > 2.400.
Vorteilhafterweise kann darüber hinaus entsprechend dem Verfahren der Erfindung die Temperatur der Leiterelemente C vom Sensor gemessen werden, bevorzugt am Auslass der Vorwärmkammer 12, d.h. nach dem Schritt des Zuführens des erwärmten thermischen Trägerfluids, und die Vorwärmtemperatur und/oder die Fluidflussrate kann mithilfe der Steuereinheit basierend auf der so gemessenen Temperatur geändert werden.
Darüber hinaus wird bevorzugt das thermische Trägerfluid im Wesentlichen in einem geschlossenen Kreislauf vom Auslass 22 der Vorwärmkammer 12 zu ihrem Einlass 21 wieder zugeführt.
Nach dem Vorwärmen wird beim Verfahren zur Herstellung eines Kabels, das mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht entsprechend der Erfindung versehen ist, mindestens die Isolierschicht auf die vorgewärmten Leiterelemente C extrudiert; dann wird der isolierte Kern erwärmt und danach abgekühlt, um die Isolierschicht und alle anderen extrudierten Schichten quer zu vernetzen.
Im Zuge eines Beispiels wird zum Vorwärmen auf ungefähr 110°C ein Leiter C mit einem 1600 mm² Querschnitt und einem 52 mm Durchmesser d, mit einer Geschwindigkeit von 0,25 bis 0,6 m/min zugeführt, eine Flussrate des thermischen Trägerfluids von 0,5 bis 1,5 m³/sec verwendet, zugeführt mit einer Geschwindigkeit von 19 bis 38 m/sec und erhitzt auf eine Vorwärmtemperatur von 140 bis 170°C. Tatsächlich sind unter solchen Bedingungen experimentelle Tests durchgeführt worden, die Luft als gasförmiges thermisches Trägerfluid verwenden. Die 6 zeigt das Muster der Temperatur T_Cu (°C) des Leiters C als Funktion der Zeit t (min), wobei durchgezogene Linien die von einem Thermoelement gemessene Temperatur darstellen, das am Rand des Leiters C an der Hälfte seiner Länge l angeordnet wurde. Wie aus dem Diagramm entnommen werden kann, haben die experimentellen Tests gezeigt, dass mit einer Lufttemperatur von 200°C – Kurven 60, 61 – die endgültige Leitertemperatur (angezeigt durch die gepunktete Linie 62 der 6) sehr schnell (20–25 min) erreicht wird, jedoch mit einem sehr hohen Gradient in radialer Richtung (die Temperatur der Leiteroberfläche ist ungefähr 15°C höher als in der Mitte). Im Gegensatz dazu ist mit einer Lufttemperatur von 120°C – Kurven 63, 64 – der Temperaturgradient an der endgültigen Temperatur sehr gering (ungefähr 1°C), jedoch erhöhen sich die Erwärmungszeiten wesentlichen (ungefähr 90 min). Im Gegensatz dazu wird mit einer Lufttemperatur von 145°C – Kurven 65, 66 – der beste Kompromiss erhalten, mit einer Erwärmungszeit von ungefähr 45 min und einem Temperaturgradienten von ungefähr 5°C.
Es sollte angemerkt werden, dass obwohl die Erfindung insbesondere zum Vorwärmen von bandverstärkten Leiterelementen anwendbar ist, sie auch bei Abwesenheit der Metallbandverstärkungen im Hinblick auf den Energieverbrauch vorteilhaft ist. In der Tat beträgt im obigen Beispiel der Energieverbrauch der Vorrichtung ungefähr 35 kW, von denen 5 bis 10 kW für das Gebläse und 1,2 kW für jeden der 24 schalenförmigen Widerstände benötigt werden, während ein Induktionsvorwärmer ungefähr 80 kW erfordern würde.
Es ist offensichtlich, dass verschiedene Abwandlungen, Änderungen, Ersetzungen und Ergänzungen an den zuvor beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne dadurch vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die nachfolgenden Ansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Vorwärmen von Leiterelementen (C) von Kabeln, die mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen sind, insbesondere Leiterelementen mit Metallbandverstärkungen, umfassend die folgenden Schritte: a) stetiges Zuführen der Leiterelemente (C) zu einer Vorwärmkammer (12); b) Erwärmen (30) einer vorbestimmten Flussrate eines thermischen Trägerfluids auf eine vorbestimmte Vorwärmtemperatur; und c) Zuführen (24) der vorbestimmten Flussrate des thermischen Trägerfluids zur Vorwärmkammer (12).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) des Zuführens (24) des thermischen Trägerfluids durch Zuführen des Fluids in turbulentem Zustand durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) des Zuführens (24) des thermischen Trägerfluids durch Zuführen des Fluids gegen den Strom in Bezug auf die stetige Zuführrichtung des Leiters (C) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Vorwärmtemperatur in einem Bereich zwischen 80 und 200°C gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, die folgenden weiteren Schritte umfassend: d) Messen der Temperatur der Leiterelemente (C), und e) Ändern der vorbestimmten Vorwärmtemperatur und/oder der vorbestimmten Flussrate des thermischen Trägerfluids basierend auf der im Schritt d) gemessenen Temperatur.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, den folgenden weiteren Schritt umfassend: f) Wiederzuführen, im wesentlichen in einem geschlossenen Kreislauf, des thermischen Trägerfluids aus einem Auslass (22) der Vorwärmkammer (12) in einen Einlass (21) der Vorwärmkammer (12).
Verfahren zur Herstellung eines Kabels, das mit mindestens einer extrudierten Isolationsschicht versehen ist, umfassend die folgenden Schritte: – Vorwärmen der Leiterelemente (C) des Kabels nach dem Vorwärmverfahren eines oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 6; – Extrudieren von mindestens einer Isolationsschicht auf die vorgewärmten Leiterelemente (C); und – Erwärmen und darauffolgendes Abkühlen des isolierten Kerns, der aus den Leiterelementen besteht, die mit mindestens einer Isolierschicht versehen sind, um zumindest die Isolierschicht quer zu vernetzen.
Vorrichtung (2) zum Vorwärmen von Leiterelementen (C) von Kabeln, die mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen sind, insbesondere von Leiterelementen mit Metallbandverstärkung, umfassend: – eine Vorwärmkammer (12), die geeignet ist, einen Abschnitt einer vorbestimmten Länge des Leiterelements (C) aufzunehmen, und die einen Einlass (21) und einen Auslass (22) für ein thermisches Trägerfluid aufweist, wobei die Vorwärmkammer (12) an ihren gegenüberliegenden Enden von Verschlussvorrichtungen (16) mit mindestens einem Loch (18) zur Aufnahme der Leiterelemente (C) verschlossen ist, – einen Kreislauf (24, 26, 28) zum Zuführen des thermischen Trägerfluids zum Einlass (21) der Vorwärmkammer (12), und – eine Vorrichtung (30) zum Erwärmen des thermischen Trägerfluids.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmvorrichtung (30) mindestens einen elektrischen Widerstand (30) umfasst, der die Vorwärmkammer (12) berührt.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (24, 26, 28) zum Zuführen des thermischen Trägerfluids ein Gebläse (24) umfasst, das mit jeweiligen Zuführleitungen (26) und Saugleitungen (28) versehen ist, die sich zwischen dem Gebläse (24) und dem Einlass bzw. Auslass (21, 22) des thermischen Trägerfluids erstrecken.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Loch (18) transversal zu seiner Längsachse beweglich ist.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Verschlussvorrichtungen (16) eine erste Platte (161) mit einem mittig vorstehenden Abschnitt (162) aufweist, wobei das Loch (18) erhalten wird; eine zweite Platte (163) zum Verschließen des Endes der Vorwärmkammer (12) aufweist, die einen Schlitz (165) aufweist, in dem der mittige vorspringende Abschnitt (162) der ersten Platte (161) lose aufgenommen ist; und mindestens eine dritte Platte (167) aufweist, die an der zweiten Platte (163) befestigt werden kann, wobei die erste Platte (161) zwischengeschoben ist und sich in versetzter Position in Bezug auf das Loch (18) befindet.
Vorrichtung (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Platte (161) aus zwei Abschnitten (161a, 161b) um das Loch (18) besteht und die zweite Platte (163) aus zwei Abschnitten (163a, 163b) um den Schlitz (165) besteht.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, durch einen einstellbaren Stützrahmen (40) gekennzeichnet.
Vorrichtung (2) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, weiter einen Sensor zum Messen der Temperatur der Leiterelemente (C) und eine Steuereinheit zum automatischen Antreiben der Leistung der Heizvorrichtung (30) und/oder der Flussrate des thermischen Trägerfluids umfasst, basierend auf der vom Sensor gemessenen Temperatur.
Anlage (1) zum Herstellen eines Kabels, das mit mindestens einer extrudierten Isolierschicht versehen ist, umfassend eine Vorrichtung (2) zum Vorwärmen der Leiterelemente (C) des Kabels entsprechend einem der Ansprüche 8 bis 15; einen Extrusionsabschnitt (2) für mindestens die Isolierschicht; ein Rohr (4) zum Quervernetzen für die extrudierten Schichten; und Mittel (5, 6, 6', 7) zum stetigen Zuführen der Leiterelemente (C).