DE60205908T2 - System für die wärmeisolierung rohrförmiger körper - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Wärmeisolationssystem für rohrförmige Bauteile, beispielsweise von Rohrleitungen für den Transport von kalten oder heißen Fluids, siehe beispielsweise US-A-6 110 310.
• Es sind viele Arten von Wärmeisolationssystemen bekannt. Insbesondere ist es bekannt, dass es, um die Wärmedämmung eines Bauteils mit beliebiger Form zu bilden, möglich ist, ein solches Bauteil mit einer doppelten Außenwandung zu versehen, in deren Zwischenraum ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie Mineralwolle, Glaswolle oder Polyurethan angeordnet werden kann.
• Die Wärmedämmeigenschaften solcher Materialien sind jedoch nicht sehr hoch, und in manchen Fällen ist es erforderlich, sie mit einer großen Dicke zu verwenden, um die Innentemperatur im Bauteil konstant zu halten. Dies ist beispielsweise der Fall bei untermeerischen Rohrleitungen für den Transport von Rohöl, die im Allgemeinen aus zwei coaxialen Rohren aus rostfreiem Stahl bestehen, in welchem das Öl durch das Innenrohr fließt, während das Außenrohr als Schutz dient. Um den Transport von Rohöl über große Entfernungen zu ermöglichen, wobei ein Viskositätsanstieg zu verhindern ist, muss es auf der Fördertemperatur von etwa 60 bis 90°C gehalten werden, weshalb der Zwischenraum zwischen den zwei Rohren mit einer großen Menge an Wärmedämmmaterial zu füllen ist. Dies erfordert die Verwendung von Rohren mit großem Außendurchmesser, weshalb Gesamtvolumen und -gewicht der Rohrleitung beträchtlich steigen, da die Menge des für das Außenrohr erforderlichen Stahls als Funktion von dessen Durchmesser schnell steigt. Auch erhöhen sich die Kosten für die Herstellung der Rohrleitung proportional.
• Alternativ kann der Zwischenraum zwischen den coaxialen Rohren evakuiert werden, sodass die niedrige Wärmeleitfähigkeit des Vakuums genutzt wird, um die Wärmedämmung der Rohrleitung zu erreichen. In diesem Fall wird jedoch der Bau der Rohrleitung komplexer, und es ist erforderlich, dass in diesem Zwischenraum ein Gettermaterial angeordnet wird, um die Gase zu absorbieren, die aus dem beide Rohre bildenden Stahl mit der Zeit ausgasen können.
• Weiterhin sind evakuierte Wärmedämmpaneele bekannt, die aus einer Hülle gebildet werden, in welcher sich ein Füllmaterial unter Vakuum befindet. Dabei dient die Hülle dazu, den Zutritt von Atmosphärengasen in das Paneel zu verhindern (oder soweit wie möglich zu verringern), um eine Vakuumhöhe aufrechtzuerhalten, die der Wärmedämmung entspricht, die für die Verwendung erforderlich ist. Dazu wird die Hülle aus so genannten "Sperrfolien" hergestellt, die sich durch eine Gasdurchlässigkeit auszeichnen, die auf das höchste Maß verringert ist, und welche aus einer einzigen Komponente bestehen können, aber üblicherweise aus mehreren Schichten aus verschiedenen Komponenten bestehen. Bei mehreren Schichten wird die "Sperrwirkung" von einer der Komponentenschichten bereitgestellt, während die anderen Schichten im Allgemeinen die Aufgabe haben, die Sperrschicht mechanisch zu tragen und zu schützen. Das Füllmaterial andererseits hat hauptsächlich die Funktion, die einander gegenüberliegenden Seiten der Hülle voneinander beabstandet zu halten, nachdem ein Vakuum in dem Paneel angelegt worden ist, und muss eine poröse oder unebene Innenstruktur derart haben, dass seine Porositäten oder Zwischenräume evakuiert werden können, um die Wärmedämmfunktion zu erfüllen. Dieses Material kann anorganisch, beispielsweise Kieselsäurepulver, Glasfasern, Aerogele und Diatomeenerde, oder polymer wie Polyurethan- bzw. Polystyrolhartschaum, beide in Form von Tafel und Pulver, sein.
• Aufgrund ihrer sehr niedrigen Wärmeleitfähigkeit sind sehr dünne evakuierte Paneele geeignet, eine wirksame Wärmedämmung für Ölleitungen herzustellen. Deshalb ist es möglich, die Innenabmessungen des Zwischenraums solcher Rohrleitungen zu verringern, wodurch die zuvor genannten Probleme gelöst werden.
• So ist beispielsweise in der Patentveröffentlichung PCT WO 01/38779 ein evakuiertes Wärmedämmpaneel mit rohrförmiger Gestalt beschrieben, das geeignet ist, um eine untermeerische Erdölleitung herum angeordnet zu werden.
• Jedoch besteht ein erster Nachteil solcher Paneele in der Sprödigkeit ihrer Hülle, die leicht reißen und so den Zutritt von Gasen in das Paneel erlauben kann. Ein solcher Zutritt verschlechtert offensichtlich die Wärmedämmeigenschaften des Paneels und verursacht bei untermeerischen Rohrleitungen eine irreparable Beschädigung, da das beschädigte Paneel nicht ersetzt werden kann.
• Ein weiterer Nachteil evakuierter Paneele besteht darin, dass sie für rohrförmige Bauteile keine adäquate Wärmedämmung bieten. Tatsächlich haben sie im Allgemeinen eine ebene Gestalt und müssen daher gebogen werden, damit die zwei einander gegenüberliegenden Kanten aneinander kom men, um die rohrförmige Gestalt des inneren Zwischenraums der Erdölleitung zu bilden.
• Jedoch ermöglicht ein auf diese Weise gebogenes evakuiertes Paneel nicht, das Innenrohr der Rohrleitung perfekt zu isolieren, speziell kann der Bereich, der den Kanten entspricht, die sich aneinander befinden, schlecht isoliert sein. Insbesondere in diesem Bereich kann sich das Innenrohr und damit auch das dadurch strömende Öl abkühlen, wodurch dieses sich verdickt und eine teilweise Verstopfung der Rohrleitung verursacht.
• Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Wärmeisolationssystem für rohrförmige Bauteile bereitzustellen, das frei von diesen Nachteilen ist. Diese Aufgabe wird von einem Wärmeisolationssystem gelöst, dessen Hauptmerkmale im ersten Patentanspruch und weitere Merkmale in den nachfolgenden Patentansprüchen beschrieben sind.
• Das erfindungsgemäße Wärmeisolationssystem lässt sich leicht herstellen und umfasst mindestens zwei evakuierte dünne Schalen, die übereinander und derart angeordnet sind, dass sie das rohrförmige Bauteil perfekt isolieren, wobei wenigstens eine der evakuierten Schalen des Wärmeisolationssystems als Füllmaterial ein polymeres Material enthält, während in wenigstens einer weiteren Schale als Füllmaterial ein Pulver aus einem inerten Material mit einer mittleren Teilchengröße von kleiner als 100 Nanometer (nm) und vorzugsweise etwa 2 bis 20 nm verwendet wird. Aufgrund der Kombination von zwei Füllmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften ist das Wärmeisolationssystem entsprechend dieser erfindungsgemäßen Ausfüh rungsform besonders für die Wärmedämmung eines rohrförmigen Bauteils mit einer Temperatur, die sich sehr von derjenigen der Umgebung unterscheidet, beispielsweise einer Rohrleitung, durch welche ein Erdöl mit Fördertemperatur fließt und welche sich über dem Meeresboden befindet, geeignet.
• Die diese inerten Pulver enthaltenden Schalen widerstehen den hohen Temperaturen besser als diejenigen, welche polymere Füllmaterialien enthalten, und können somit als Schutz für jene verwendet werden, deren Wärmeisolationseigenschaften sich auf eine unvorhersehbare Weise verändern würden, wenn sie mit einem ausgeprägten Alterungsphänomen über einen langen Zeitraum hohen Temperaturen ausgesetzt wären.
• Außerdem verändern sich die Wärmedämmeigenschaften der auf inerten Pulvern basierenden Schalen bei Auftreten von Rissen weniger. Tatsächlich verändert sich die Wärmeleitfähigkeit von ein inertes Pulver enthaltenden Schalen nur wenig nach Luftzutritt, bleibt bei unter etwa 8 mW/m·K bei einem Innendruck von bis zu einigen zehn mbar und erreicht einen Maximalwert von etwa 20 mW/m·K, wenn der Innendruck 1 bar erreicht. Im Gegensatz dazu steigt bei Schalen, die auf Polymerschäumen basieren, die Wärmeleitfähigkeit schnell von etwa 10 mW/m·K, wenn der Innendruck etwa 1 mbar beträgt, auf etwa 35 mW/m·K bei Atmosphärendruck. Aus diesem Grund können, während es bei den ersten Schalen erforderlich ist, Hüllen zu verwenden, die Aluminiumfolien enthalten, bei den zweiten widerstandsfähigere Hüllen aus mehreren Kunststoffschichten verwendet werden. Weitere Merkmale und Vorteile des erfindungsgemäßen Wärmeisolationssystems kann der Fachmann der folgenden spe ziellen Beschreibung einer Ausführungsform davon unter Bezugnahme auf die im Anhang befindlichen Zeichnungen entnehmen, wobei
• 1 einen Querschnitt durch eine doppelwandige Rohrleitung, in deren Zwischenraum sich das Wärmeisolationssystem entsprechend dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform befindet, und
• 2 einen Längsschnitt durch die Rohrleitung von 1 zeigt.
• In 1 ist die Rohrleitung gezeigt, in welcher das erfindungsgemäße Wärmeisolationssystem angebracht worden ist und welche auf bekannte Weise aus einem Innenrohr 1 und einem Außenrohr 2 besteht, das coaxial zu dem Innenrohr 1 und dessen Durchmesser derart ist, dass zwischen diesen Rohren ein Zwischenraum 3 vorhanden ist. Durch das zu isolierende Rohr 1 strömt ein Fluid, beispielsweise Erdöl. Die Rohre 1 und 2 können aus einem beliebigen geeigneten Material hergestellt werden, beispielsweise rostfreiem Stahl bei untermeerischen Rohrleitungen für den Erdöltransport.
• In dem Zwischenraum 3 sind zwei evakuierte Schalen 4 und 4' angeordnet, die jeweils so gebogen sind, dass sich ihre zwei einander gegenüberliegenden Kanten 5 und 5', die parallel zur Biegeachse verlaufen, nebeneinander befinden. Die anderen zwei Kanten, die in Bezug auf die Biegeachse quer verlaufen, bilden so die Abschlusskanten 6 und 6' der Schalen 4 und 4'. Auf diese Weise bilden die evakuierten Schalen 4 und 4' eine rohrförmige Anordnung und passen in die rohrförmige Gestalt des Zwischenraums. Gegebenenfalls können die gegenüberliegenden Kanten 5 und 5' durch ein beliebiges bekanntes Mittel, beispielsweise Heißversiegeln, zusammen abgedichtet werden.
• Die zwei Schalen 4 und 4' werden derart gegenseitig eingefügt, dass sich die Kante 5 der Schale 4 versetzt zu der Kante 5' der Schale 4' und vorzugsweise in Bezug auf die Kante 5' diametral entgegengesetzt befindet.
• Entsprechend einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform ist auch die Abschlusskante 6 der Schale 4 versetzt zu der Abschlusskante 6' der Schale 4', wie 2 zu entnehmen.
• Eine solche versetzte Anordnung ermöglicht es, eine im Wesentlichen gleichmäßige Wärmeisolation zu erhalten, da der Wärmeübergang von der Umgebung zu dem zu isolierenden Bauteil, der durch den schlecht isolierten Bereich der Kanten einer Schale stattfinden könnte, durch das Vorhandensein der anderen Schale verhindert wird. Außerdem wird, falls eine der beiden Schalen bei oder nach dem Bau der Rohrleitung Risse bekommen sollte, die Wärmedämmung von der anderen Schale sichergestellt.
• Das Wärmeisolationssystem kann auch mehr als zwei Schalen, beispielsweise drei oder vier, umfassen. Diese Schalen können eine herkömmliche Hülle, beispielsweise eine mehrschichtige, und ein anorganisches oder polymeres diskontinuierliches oder poröses Füllmaterial umfassen.
• Erfindungsgemäß gibt es die evakuierten Schalen in zwei Typen: Mindestens eine Schale enthält ein polymeres, beispielsweise aus Polyurethan bestehendes, Füllmaterial, während für mindestens eine weitere Schale als Füllmaterial ein inertes Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von unter 100 nm und vorzugsweise zwischen etwa 2 und 20 nm verwendet wird. Dieses Pulver besteht vorzugsweise aus Kieselsäure. Eine Kieselsäure mit den gewünschten Abmessungen kann durch Ausfällung aus einer alkalischen Silicatlösung erhalten werden, wobei diese Art Kieselsäure beispielsweise von dem englischen Unternehmen Microtherm International Ltd. unter den Bezeichnungen Microtherm G, Microtherm Super G oder Waterproof Microtherm Super G hergestellt und vertrieben wird. Alternativ ist es möglich, eine pyrogene Kieselsäure zu verwenden, eine Kieselsäureform, die durch Verbrennen von SiCl₄ mit Sauerstoff in einer Spezialkammer entsprechend folgender Reaktion erhalten wird: SiCl₄ + O₂ → SiO₂ + 2Cl₂.
• Die durch diese Umsetzung erzeugte Kieselsäure liegt in Form von Teilchen mit Abmessungen von zwischen einigen Nanometern und einigen zehn Nanometern vor, die gegebenenfalls aneinander gebunden sein können, wobei sie Teilchen mit größeren Abmessungen bilden. Eine pyrogene Kieselsäure wird beispielsweise von dem US-Unternehmen CRBOT Corp. unter der Bezeichnung Nanogel^® oder von dem deutschen Unternehmen Wacker GmbH hergestellt und vertrieben.
• Die Kieselsäure kann gegebenenfalls mit Mineralfasern, beispielsweise Glasfasern, vermischt werden, sodass sie sich leicht verfestigen lässt, um Blöcke mit einer Dicke von sogar einigen Millimetern herzustellen, die relativ leicht umhüllt, evakuiert und anschließend gebogen werden können.
• Da solche inerten Materialien im Allgemeinen hohen Temperaturen gut widerstehen, werden die sie enthaltenden Schalen in Berührung mit der Umgebung oder dem zu isolierenden Bauteil angeordnet, die/das die höchste Temperatur hat. Deshalb werden bei Erdölrohrleitungen diese Schalen vorteilhafterweise direkt in Berührung mit dem Innenrohr 1 derart angeordnet, dass sie die das polymere Füllmaterial enthaltenden Schalen vor möglichen Beschädigungen aufgrund einer längeren Exposition gegenüber den höheren Temperaturen des durch das Innenrohr 1 fließenden Rohöls schützen. Bei 1 enthält die Schale 4 vorzugsweise ein inertes Füllmaterial, während die Schale 4' auf einem polymeren Füllmaterial basiert.
• Obwohl die Erfindung die Wärmedämmung einer Erdölrohrleitung betrifft, kann das erfindungsgemäße Wärmeisolationssystem zur Wärmedämmung eines beliebigen anderen Bauteils mit rohrförmiger Gestalt, beispielsweise eines Boilers oder einer Rohrleitung für den Transport eines Tieftemperaturfluids wie flüssiger Stickstoff bzw. Sauerstoff verwendet werden.

Claims (7)

1. Wärmeisolationssystem für rohrförmige Bauteile, das mindestens zwei evakuierte Schalen (4, 4') umfasst, die jeweils im Wesentlichen von einer aus Sperrfolien hergestellten evakuierten Hülle gebildet sind, in welcher ein anorganisches oder polymeres diskontinuierliches oder poröses Füllmaterial enthalten ist, und welche um sich selbst soweit gebogen sind, dass zwei ihrer einander gegenüberliegenden Kanten (5, 5'), die parallel zur Biegeachse verlaufen, sich nebeneinander befinden und die zwei anderen Kanten, die quer zur Biegeachse verlaufen, die Abschlusskanten (6, 6') der gebogenen Schalen bilden, wobei die gebogenen evakuierten Schalen (4, 4') coaxial zu den einander gegenüberliegenden Kanten (5) einer evakuierten Schale (4) angeordnet sind, die in Bezug auf die einander gegenüberliegenden Kanten (5') einer weiteren evakuierten Schale (4') versetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der evakuierten Schalen (4, 4') ein polymeres Füllmaterial enthält und für mindestens eine weitere evakuierte Schale (4, 4') ein Pulver aus einem inerten Material mit einer mittleren Teilchengröße von unter 100 Nanometern als Füllmaterial verwendet wird.
2. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Füllmaterial ein Polyurethan ist.
3. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchengröße des Pulvers aus dem inerten Material etwa 2 bis 20 Nanometer beträgt.
4. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver aus dem inerten Material mit Mineralfasern vermischt ist.
5. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mineralfasern Glasfasern sind.
6. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Material Kieselsäure ist.
7. Wärmeisolationssystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kieselsäure eine pyrogene ist.