DE69121049T2

DE69121049T2 - Verzögerndes Wärmeübertragungssystem und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69121049T2
Application number: DE69121049T
Authority: DE
Inventors: Roy E Barth; Atlee E Fritz; Arthur Mcdonald; Joseph M Venable
Original assignee: Thermon Manufacturing Co
Current assignee: Thermon Manufacturing Co
Priority date: 1990-11-02
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1997-03-06
Anticipated expiration: 2011-10-26
Also published as: EP0483681A1; CA2053440A1; ATE140780T1; JPH05196376A; AU8696491A; DE69121049D1; EP0483681B1; CA2053440C; MX9101772A; US5086836A; AU640327B2

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Wärmeübertragung und insbesondere eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zum Übertragen von Wärme aus einem extern angeordneten Wärmeübertragerelement durch ein verzögerndes Wärmeübertragungsmaterial zu einem Rohr.

2. Hintergrund

Der Vorgang des Pumpens eines Fluids durch ein Prozeßrohr erfordert oft, daß das Prozeßrohr erwärmt wird, damit verhindert wird, daß das Fluid kondensiert oder zum Pumpen durch die Rohrleitung zu viskos wird. Erwärmen und Beibehalten der richtigen Temperatur der Prozeßrohrleitung, was beim Regulieren der Strömung des Prozeßfluids hilft, wird oft durch Positionieren eines externen Wärmeübertragerelements oder eines Leitelements am Prozeßrohr erreicht.
Es gibt zwei Arten von externen Wärmeübertragerelementen, die im allgemeinen in diesen Situationen verwendet werden: (1) ein elektrisches Heizkabel oder (2) ein kleines Rohr oder ein Schlauch, das (der) durch ein heisses Fluid erwärmt wird, typischerweise Dampf, der hindurchgeleitet wird.
Jede Art von externem Leitelement (elektrisches Kabel oder Dampfrohrleitung) kann auf dem Prozeßrohr nach einer von zwei Methoden installiert werden: (1) der Methode der Konvektionsleitung oder (2) der Methode der Konduktionsleitung.
Die Konvektionsleitung umfaßt das Befestigen eines kleinen Dampfrohrs oder eines elektrischen Heizkabels direkt an der Außenfläche des Prozeßrohrs. Das Dampfrohr, typischerweise ein Kupfer- oder Edelstahlrohr mit kleinem Durchmesser, oder das elektrische Heizkabel können entweder spiralförmig um das Prozeßrohr gewickelt sein oder parallel dazu verlaufen. Die Konvektionsleitung beruht auf einer Wärmeübertragung durch "Punkt"-Kontakt zwischen dem Leitelement und dem Prozeßrohr in Verbindung mit Konvektion (daher "Konvektionsleitung" genannt) zur umgebenden Luft und Strahlung aus dem Leitelement zum Prozeßrohr. Die Wärmeübertragungseigenschaften des Konvektionsleitungsverfahrens sind nicht nur gering, sondern auch unvorhersagbar. Die Unvorhersagbarkeit der Wärmeübertragungseigenschaften schließt eine präzise oder auch sinnvolle Regelung der Temperatur des Prozeßfluids aus.
Bei der Konduktionsleitung ist ein externes Leitelement am Prozeßrohr mit einem Wärmeübertragermaterial befestigt. Das primäre Ziel der Konduktionsleitung ist, eine erhöhte Wärmeübertragung vom Wärmeübertragungselement (oder Leitelement) zum Prozeßrohr zu erreichen. Die Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik, wie die in den US-Patenten Nr. 3331946 und Re. 29332 offenbarten Zemente oder Kitte, besitzen Eigenschaften, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und daher einen relativ hohen Wärmeübertragungskoeffizienten umfassen, sowie eine gute Haftung auf Metall unter verschiedenen Temperaturbedingungen. Wärmeübertragerzemente bewirken eine Wärmeübertragung durch Konduktion und erhöhen die nutzbare Wärmeabgabe aus dem Leitelement zum Prozeßrohr um ungefähr 1100 %. Ein mit einem Wärmeübertragerzement verbundenes externes Dampfleitelement ist vom Standpunkt des Wärmeverlustes betrachtet effizient zu nutzen und wirtschaftlich zu installieren.
US-Patent Nr. 3331946 offenbart eine Wärmeübertragungsvorrichtung worin ein Wärmeübertragermaterial oder Zement in kittartigem oder plastischem Zustand in ein Kanalglied eingebracht wird. Das Kanalglied mit Wärmeübertragermaterial wird dann auf das Wärmeübertragerelement (ein Dampfrohr oder elektrisches Heizkabel) nach unten gedrückt, was das Wärmeübertragerelement in das Wärmeübertragermaterial einbettet. Die US-Patente Nr. 4123837 und 4203186 offenbaren Methoden zur Verwendung eines Wärmeübertragerzements oder -kitts, der in einem Kanalglied angeordnet ist, bei einem Wärmeübertragerelement. US-Patent Nr. Re. 29332 offenbart ein Wärmeübertragersystem, in dem ein flexibles und nachgiebiges Wärmeübertragermaterial vorgeformt ist, so daß es zu einem Wärmeübertragerelement sehr konform ist und sich der Innenfläche eines Kanalgliedes, das über das Wärmeübertragermaterial und das Wärmeübertragerelement zum Zeitpunkt der Installation aufgebracht wird, anpaßt. Das Wärmeübertragermaterial ist unter ausreichend Druck und Kraft extrudiert oder geformt, so daß praktisch alle Lufträume oder -blasen aus dem Wärmeübertragermaterialstreifen eliminiert sind.
Das primäre Ziel aller Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik war, die Menge der aus dem Leitelement zum Prozeßrohr übertragenen Wärme, im Vergleich zu einem mit dem Prozeßrohr verbundenen nackten Leitelement, zu erhöhen. Daher weisen alle Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik ein hohes Maß an thermischer Leitfähigkeit auf. US- Patent Nr. 3972821 berichtet, daß in Wärmeübertragermaterialien verwendete synthetische Harze und Kunststoffe eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, im allgemeinen unter 1,44 W/(m.K) (10 BTU in/h ft² ºF), so daß das Wärmeübertragermaterial in den Syntheseharzen und Kunststoffen eine beträchtlichen Teil fester Teilchen dispergiert enthält, die eine deutliche thermische Leitfähigkeit von mindestens 14,44 W/(m.K) (100 BTU in/h ft² ºF) aufweisen.
Es ergibt sich jedoch oft die Situation, in der es wünschenswert ist, in einem Wärmeleitsystem ein Wärmemedium von relativ hoher Temperatur zu verwenden, wie Dampf, um ein Prozeßrohr auf niedrige Temperatur zu heizen und zu halten, ohne das Prozeßrohr zu überhitzen. Beispielsweise ist oft Hochtemperaturdampf allgemein verfügbar zur Verwendung als Heizmedium in einem externen Leitelement; Wärmeleitsysteme aus dem Stand der Technik geben jedoch für viele temperaturempfindliche Anwendungen zu viel Wärme ab. Es gibt viele Prozeßfluide, die sehr temperaturempfindlich sind. Einige temperaturempfindliche Prozeßfluide umfassen Produkte wie Ätznatron, Amine, verschiedene Säuren etc.
In anderen Situationen kann es unökonomisch sein, ein Hochtemperaturwärmeübertragerelement zu verwenden, wo weniger Wärme ausreicht. Zum Beispiel heizt die Verwendung eines Dampfleitelements bei einem Prozeßrohr, das nur Frostschutz benötigt, das Prozeßrohr im allgemeinen mehr als für einen einfachen Frostschutz nötig auf, wenn es nach Verfahren des Standes der Technik angewendet wird. Dies ist uneffizient und verschwendet eine übermässige Menge an Wärme im Wärmeleitsystem.
Ebenso sind heute viele Prozeßrohre mit Wärmeleitung, zur größeren Energieeffizienz, mit mehr Isolierung um das Prozeßrohr und das Wärmeleitsystem konstruiert als in der Vergangenheit. Ein Nebenprodukt der erhöhten Isolierung ist, daß ein Wärmeübertragerelement, das zuvor die Verwendung eines Wärmeübertragermaterials erfordert hat, um die Wärmeleitung zum Prozeßrohr zu erhöhen, nun für das stärker isolierte Rohr- und Leitungssystem zuviel Wärme erzeugt.
In der derzeitigen industriellen Praxis wird zur Abhilfe dieser Probleme der Wärmetransfer vom Leitelement zum Prozeßrohr durch Einsetzen von Abstandblöcken zwischen das Wärmeübertragerelement und das Prozeßrohr reduziert. Diese Technik hat einige Nachteile. Während dies die gesamte Wärmeübertragung zum Prozeßrohr reduzieren kann, ist es sehr schwierig auf diese Weise eine gleichmäßige Wärmeübertragung zu erreichen, wegen der Schwierigkeit einen gleichmäßigen Abstand des Wärmeübertragerelements vom Prozeßrohr beizubehalten. Oft tritt ein Überhitzen oder unangemessenes Erhitzen des Prozeßrohrs auf. Die Geschwindigkeit der Wärmeübertragung durch diese Technik ist sehr empfindlich auf den Abstand zwischen dem Wärmeübertragerelement und dem Prozeßrohr. Dies zwang Betriebsingenieure dazu, ihre temperaturempfindlichen Prozeßrohre um elektrische Wärmeleitsysteme zu konstruieren, die genau geregelt werden können, obgleich bei etwas höheren Kosten.
Es wäre vorteilhaft, ein verzögerndes Wärmeleitsystem zu haben, das geeignet ist ein Hochtemperaturwärmeübertragerelement zum Heizen und gleichmäßigen Aufrechterhalten einer niedrigen Temperatur bei einem Prozeßrohr zu verwenden, ohne das Prozeßrohr zu überhitzen. Es wäre auch vorteilhaft, ein verzögerndes Wärmeübertragungssystem zu haben, das die Wärmeabgabe des verzögernden Wärmeübertragungssystems auf das Prozeßrohr optimiert, während die Menge der verschwendeten Wärme, die durch das verzögernde Wärmeübertragungssystem abgegeben wird, minimiert wird. Außerdem wäre es vorteilhaft, ein Wärmeübertragermaterial in einem Wärmeübertragungssystem zu haben, das in einen Streifen von Wärmeübertragungsmaterial geformt werden kann, der eine geforderte Wärmeleitfähigkeit besitzt, die für die spezielle Anwendung berechnet wurde.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein neues und verbessertes verzögerndes Wärmeübertragungssystem, das ein Wärmeübertragungselement hoher Temperatur verwendet, um ein Prozeßrohr mit tiefer Temperatur aufzuheizen und gleichmäßig dabei zu halten, ohne das Prozeßrohr zu überhitzen. Das verzögernde Wärmeübertragungssystem verwendet ein verzögerndes Wärmeübertragermaterial, das in einen vorgeformten, flexiblen Wärmeübertragerstreifen extrudiert oder geformt werden kann. Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen ermöglicht die Verwendung von Dampf oder anderen heißen Fluiden zum Leiten auf Prozeßrohre mit tieferer Temperatur oder, die temperaturempfindlich sind, mit großer Genauigkeit und Präzision. Das verzögernde Wärmeübertragermaterial kann für eine berechnete notwendige Wärmeübertragung bei einer bestimmten Anwendung vorgesehen sein und erlaubt eine genaue Regelung des Wärmeübergangs unter Verwendung externer Dampfzuführung. Das verzögernde Wärmeübertragungssystem mit Dampfleitung kann für eine bestimmte Anwendung konstruiert werden, indem die erforderliche Wärme für das Prozeßrohr genau bestimmt Wird und dann die erforderliche thermische Leitfähigkeit des verzögernden Wärmeübertragungsmaterials berechnet wird. Das verzögernde Wärmeübertragungsmaterial ist in einen flexiblen Streifen geformt oder extrudiert, der ein notwendiges Maß an Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Das verzögernde Wärmeübertragermaterial gemäß der vorliegenden Erfindung verzögert die Geschwindigkeit, mit der Wärme vom Wärmeübertragerselement zum Prozeßrohr übertragen wird und sorgt für einen Bereich an Gesamtwärmeleitfähigkeiten vom Wärmeübertragerelement zum Prozeßrohr, die unter der der Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik liegt. Das verzögernde Wärmeübertragermaterial gemäß der Erfindung ist in einen Streifen vorgeformt, der eine Ausnehmung aufweist, die nahezu konform ist zum Wärmeübertragerelement und ist außen so geformt, daß es nahezu konform ist zur Innenfläche eines Kanalgliedes, das über den verzögernden Wärmeübertragerstreifen und das Wärmeübertragerelement aufgebracht ist.
Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen ist gebildet aus einem geschlossenzelligen Siliconschaum oder einem anderen verschäumten, temperaturtoleranten Kunststoff oder Gummi. Der Verschäumungsgrad und folglich die Dichte des verzögernden Wärmeübertragermaterials kann beim Herstellungsprozeß geregelt werden, so daß ein verzögernder Wärmeübertragerstreifen und ein Kanalsystem mit der gewünschten spezifischen Wärmeleitfähigkeit für eine spezifische Anwendung zur Verfügung gestellt wird.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung einen verzögernden Wärmeübertragerstreifen zur Verfügung, der dem Bedienungspersonal ermöglicht, ein Hochtemperaturwärmeübertragerelement zu verwenden, um ein Prozeßrohr mit relativ geringem Temperaturbedarf zu heizen. Das verzgernde Wärmeübertragermaterial ermöglicht einen Bereich präzise regelbarer Wärmeübertragungsraten zwischen einem Dampfleitelement und einem Prozeßrohr, um die Verwendung einer Dampfleitung für temperaturempfindliche Prozeßfluide zu erlauben.
Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein verzögerndes Wärmeübertragungssystem zur Verfügung, das energieeffizient ist, in dem das System die Menge der zum Prozeßrohr übertragenen Wärme optimiert und die Menge des Wärmeverlustes vom Wärmeübertragerelement an die Atmosphäre minimiert. Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein verzögerndes Wärmeübertragermaterial zur Verfügung, das einer thermisch induzierten Schädigung bei Temperaturen bis und über 478 K (400 ºF) widersteht.
Die vorliegende Erfindung stellt auch einen verzögernden Wärmeübertragerstreifen zur verfügung, der mit der Verwendung bekannter Kanal- und Befestigungsmethoden verträglich ist und der leicht zu installieren, entfernen und wiederzuverwenden ist. Die vorliegende Erfindung stellt auch ein Mittel zur Sicherung einer beständigen und gleichmäßigen Höhe der Wärmeübertragung zwischen einem Wärrneübertragerelement und einem Prozeßrohr zur Verfügung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Zum besseren Verständnis der Merkmale dieser Erfindung folgt eine ausführliche Beschreibung der Erfindung, die in den begleitenden Zeichnungen erläutert ist.
Fig. 1 stellt einen vorgeformten und vorgefertigten Wärmeübertragerstreifen und ein Wärmeübertragerelement begrenzt durch ein Kanalglied dar, wobei Klemmglieder das verzögernde Wärmeübertragersystem zum Zwecke der Wärmeübertragung auf einem Prozeßrohr halten.
Fig. 2 stellt eine Schnittansicht entlang der Linie 2-2 von Fig. 1 dar.
Fig. 3 stellt eine Perspektivansicht des vorgeformten und vorgefertigten verzögernden Wärmeübertragerstreifens dar.

Ausführliche Beschreibung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verzögerndes Wärmeübertragersystem 10, das geeignet ist zum Anbringen auf einem Prozeßrohr P. Kurz gesagt umfaßt das verzögernde Wärmeübertragersystem 10 einen vorgeformten verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12, ein Wärmeübertragerelement 14, ein Kanalglied 16 und Klemmglieder 18 zum Befestigen des verzögernden Wärmeübertragersystems 10 auf dem Prozeßrohr P.
Fig. 1 stellt eine bevorzugte Ausführungsform des verzögernden Wärmeübertragersystems 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das verzögernde Wärmeübertragersystem 10 ist auf der äußeren Fläche des Prozeßrohrs p angebracht und parallel zur Länge des Prozeßrohrs P installiert.
Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 ist allgemein um das Wärmeübertragerelement 14 angeordnet. Typischerweise ist das Wärmeübertragerelement 14 ein mit Wärmeübertragermedium gefülltes Rohr und das Wärmeübertragermedium ist üblicherweise Dampf, das ansonsten als Dampfrohr oder Dampfleitung bezeichnet wird. Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus einem verzögernden Wärmeübertragermaterial 13 gebildet. Das verzögernde Wärmeübertragermaterial 13 ist bevorzugt ein vorwiegend geschlossenzelliges Schaummaterial. Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 ist durch Formen oder Extrudieren des verzögernden Wärmeübertragermaterials 13 in die gewünschte Form gebildet. Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 ist prinzipiell zur Verwendung mit dem Kanalglied 16 vorgesehen. Die Verwendung des Kanalgliedes 16 ist in Wärmeübertragersystemen ausdem Stand der Technik zur Verwendung mit anderen Arten von Wärmeübertragermaterialien bekannt. Das Kanalglied 16 besitzt ein Paar sich längs erstreckender Kanten 17 und eine längsgerichtete Ausnehmung 19, die zwischen den sich längs erstreckenden Kanten 17 ausgebildet ist. Das Kanalglied 16 ist bevorzugt aus Metall oder einem anderen relativ festen Werkstoff gebildet, der fähig ist, den verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 einzuschließen, während die Abmessungen und die Position des Kanalgliedes 16, des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 und des Wärmeübertragerelements 14 auf dem Prozeßrohr P beibehalten werden. Es kann jede Art von Klemmgliedern 18 verwendet werden, so lange sie das Kanalglied 16, den verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 und das Wärmeübertragerelement 14 auf dem Prozeßrohr P in einer ausgewählten Form und Position halten.
Viele der Vorteile und Gründe für die Verwendung des Kanalgliedes 16 bei herkömmlichen Wärmeübertragermaterialien gelten auch in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung. Das Kanalglied 16 gibt einen physikalischen Schutz für das Wärmeübertragerelement 14. Das Kanalglied 16 erlaubt das gleichmäßige Anbringen des Wärmeübertragerelements 14 mit Klemmgliedern 18 am Prozeßrohr P. Die Klemmglieder 18 bestehen im allgemeinen aus Bändern oder Streifen. Wenn außerdem das Kanalglied 16 in der Querschnittsfläche etwas kleiner ist als der nachgiebige, aber kompressible verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der Erfindung, drückt das Kanalglied 16 den verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 etwas zusammen. Dies dient dazu, das Wärmeübertragerelement 14 in engem Kontakt mit dem verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 zu halten und dient auch dazu, den verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 in engem Kontakt mit dem Prozeßrohr P zu halten. Da der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 in Kompression gehalten ist, wird der Kontakt des Wärmeübertragerelements 14 mit den verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 und der Kontakt des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 mit dem Prozeßrohr P aufrechterhalten, trotz der normalen Expansion und Kontraktion der verschiedenen Bauteile als Folge der wechselnden Temperaturen.
Die äußere Form oder Konfiguration 22 des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ist nahezu konform und bevorzugt identisch mit einer inneren Konfiguration 20, die vom Kanalglied 16 ausgebildet ist, das auf dem Prozeßrohr P positioniert ist. Da der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 flexibel und nachgiebig ist, ist verständlich, daß die exakte äußere Form 22 des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 nicht mit der inneren Konfiguration 20 identisch sein muß, da das verzögernde Wärmeübertragermaterial 13 eine solche Form ergeben und annehmen kann, nachdem es zwischen dem Prozeßrohr P und dem Kanalglied 16 eingeschlossen ist.
Außerdem enthält der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 eine längsgerichtete Ausnehmung 24, um das Wärmeübertragerelement 14 aufzunehmen, üblicherweise ein Leitrohr oder -schlauch. Die längsgerichtete Ausnehmung 24 ist vorbestimmt, so daß wenn der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 mit dem Wärmeübertragerelement 14 zusammengebaut wird, die Ausnehmung 24 zum Wärmeübertragerelement 14 sehr konform ist und es effektiv im verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 einbettet. Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 kann auch einen Schlitz 26 entlang der Längsachse aufweisen, um eine Installation des Wärmeübertragerelements 14 zu ermöglichen oder zu ermöglichen, daß der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 auf einem zuvor angeordneten Wärmeübertragerelement 14 installiert wird. Der Schlitz 26 ermöglicht auch, daß der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 entfernt und wiederverwendet wird.
Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 ist auch flexibel, so daß er eine Installation vor Ort ermöglicht, wenn das Wärmeübertragerelement 14 eingesetzt wird. Dies erleichtert in starkem Maße die Installation des verzögernden Wärmeübertragungssystems 10 im Vergleich zu Verfahren, die eine Vorinstallation von Wärmeübertragermaterial auf einem Wärmeübertragerelement 14 im Werk umfassen. In vielen Fällen hängt die leichte Installation direkt mit der Gleichmäßigkeit der Installation und der Gleichmäßigkeit und Zuverlässigkeit des Systemverhaltens zusammen. In Fällen, bei denen flexible Kupferrohre als Wärmeübertragerelement 14 verwendet werden, kann die Leitung viel leichter ausgerichtet und flach ausgelegt werden, wenn der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 noch nicht an Ort und Stelle ist. Dies ermöglicht auch eine Inspektion, so daß eine sonst unerkannte Knickung des Wärmeübertragerelements 14 vermieden wird.
Ein weiterer Vorteil des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Nachgiebigkeit des verzögernden Wärmeübertragermaterials 13, was dem Wärmeübertragerelement 14 ein gewisses Maß an Spannungsausgleich gibt. Da die verschiedenen Bauteile des verzögernden Wärmeleitsystems 10 bei sich verändernder Temperatur ihre Dimensionen ändern, bewegt sich das Wärmeübertragerelement 14 in Bezug auf das Prozeßrohr P. Der nachgiebige verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12, der um das Wärmeübertragerelement 14 fest gehalten ist, absorbiert viel der Spannung und kehrt dennoch in seine ursprüngliche Position zurück, wenn die Belastung nachläßt. Nachgiebigkeit und Dimensionsstabilität des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 sind nötig, um zuverlässige und vorhersagbare Wärmeübertragungsraten einzuhalten. Wenn der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 seine Abmessungen deutlich verändert oder wenn er zu viel Bewegung des Wärmeübertragerelements 14 ermöglicht, kann die gesamte Wärmeleitung des verzögernden Wärmeübertragersystems 10 von den ursprünglichen Sollwerten der gewünschten Parameter abweichen.
Wärmeübertragerelemente 14 wie Rohre und Schläuche können bei Temperaturen bis zu und über 478 K (400 ºF) arbeiten. Das verzögernde Wärmeübertragermaterial 13 gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der Lage, diesen hohen Temperaturen ohne deutlichen Schaden oder Abbau zu widerstehen. Das verzögernde Wärmeübertragermaterial 13 kann eine verschäumte Siliconzusammensetzung sein oder es kann aus einem Schaum oder einem anderen gegen hohe Temperaturen toleranten Kunststoff oder Gummi konstruiert sein, ist aber nicht auf Mitglieder der Fluorpolymerfamilie beschränkt, zum Beispiel auf das unter der Marke "Teflon" verkaufte Tetrafluorpolyethylenmaterial (eine eingetragene Marke der E. I. Du Pont de Nemours and Company, Inc.).
Wenn es gewünscht ist, kann der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 vernetzt werden, wie beispielsweise um die Festigkeit, Elastizität oder Lebensdauer des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 zu erhzöhen. Die Vernetzung kann chemisch oder durch Bestrahlung oder auf jede andere Art erreicht werden. Eine Vernetzung ist jedoch für die Erfindung nicht erforderlich und es versteht sich, daß geeignete verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Vernetzung hergestellt sein können.
Das thermische Verhalten der verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 ist durch zwei Werte am besten charakterisiert. Die thermische Leitfähigkeit des verzögernden Wärmeübertragermaterials 13 wird durch den bekannten K-Faktor beschrieben, der die Geschwindigkeit beschreibt, mit der Wärme durch ein spezifisches Material geleitet wird. Der Wert für einen K-Faktor ist in den Einheiten W/(m.K) (BTU in/h ft² ºF) angegeben. Das verzögernde Wärmeübertragermaterial 13 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt eine thermische Leitfähigkeit im Bereich von nicht weniger als 0,014 W/(m.K) (0,10 BTU in/h ft² ºF) und nicht mehr als 0,22 W/(m.K) (1,5 BTU in/h ft² ºF), bevorzugt zwischen 0,022 bis 0,108 W/(m.K) (0,15 bis 0,75 BTU in/h ft² ºF). Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik, die zur Übertragung von Wärme aus einem Wärmeübertragerelement zu einem Prozeßrohr verwendet wurden, wiesen thermische Leitfähigkeiten im Bereich von 0,22 bis über 14,4 W/(m.K) (1,5 bis über 100 BTU in/h ft² ºF) auf.
Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung zeichnet sich auch aus durch die Merkmale seiner Leistung, die durch das gesamte installierte verzögernde Wärmeleitsystem 10 erreicht wird, das den neuen verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 verwendet. Eine in der Industrie verwendete Standardmessung des Wärmeleitungsverhaltens ist die Leitfähigkeit und insbesondere die Leitfähigkeit des Leiters, Ct. Der Ct-Wert wird experimentell ermittelt, um den normalisierten Wärmeüberübertragungskoeffizienten des Wärmeübertragerelements 14 auszudrücken. Der Koeffizient wird auf eine "Längeneinheit" normalisiert, im allgemeinen in Fuß. Der resultierende Ct wird üblicherweise in den Einheiten W/(m.K) (BTU in/h ft ºF) angegeben. Wenn Q = U.A.ΔT, wo Q = Wärmeverlust W (BTU/h), U gesamter Wärmeübertragungskoeffizient W/(m².K)) (BTU in/h ft² ºF), ΔT Temperaturgradient und A = Oberfläche, dann kann zum Zwecke der Wärmeleitung U.A als Leitfähigkeit des Leiters, Ct, definiert werden, um die komplexen Variablen, die zur Berechnung von U.A nötig sind, zu eliminieren. Die zur Berechnung von U.A. verwendeten komplexen Variablen umfassen Variablen wie die Dicke des Wärmeübertragerstreifens 12, die Größe des Wärmeübertragerelements 14, die Größe des Prozeßrohrs P, die Kontaktfläche zwischen dem Wärmeübertragerstreifen 12 und dem Prozeßrohr P und verschiedene andere Faktoren. Der Ct-Wert wird experimentell ermittelt durch Messen von Q und ΔT in einer bestimmten Installation eines Wärmeleitsystems 10.
Der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich ferner gegenüber dem Stand der Technik in Bezug auf den gesamten Ct von Wärmeleitsystemen, die auf vergleichbare Weise installiert sind. Wärmeleitsysteme, die mit den neuen verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 installiert sind ergeben Ct-Werte in einem Bereich, der beträchtlich unter dem liegt, der für die Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik erreicht oder erwartet werden. Zur Erläuterung dieses Punktes vergleicht die nachfolgende Tabelle Bereiche von Ct-Werten für Wärmeübertragersysteme, ausgehend von der Größe des Wärmeübertragerelements oder Leitelements, in den Kategorien von Zement aus dem Stand der Technik, nackten Leitern und dem verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung. Weil Ct teilweise von der geometrischen Beziehung zwischen der Größe des Leiters und der Größe des Prozeßrohrs P abhängt, ist es notwendig, die Ct-Werte auf Basis des Leitelementdurchmessers zu vergleichen. Die Größe des Prozeßrohrs P hat weniger Einfluß auf den Ct-Wert und ist daher in dieser Tabelle nicht angegeben. Leitfähigkeit des Leiters, Ct (W/(m.K)) (BTU in/h ft ºF)
Bei dieser Betrachtung sind die mit verschiedenen Wärmeübertragermaterialien erreichbaren Ct-Bereiche deutlich. Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik ergeben Wärmeübertragungsraten, die die eines ummantelten oder mit Leiter umhüllten Rohrs erreichen, bei dem das Leiterrohr das Prozeßrohr äußerlich umgibt bzw. innen in des Prozeßrohr eingesetzt ist. Die verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung ergeben vorhersagbare gleichmäßige Wärmeübertragungsraten, die unter denen liegen, die von Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik erreicht werden. Dies ermöglicht die Verwendung von Dampfleitern mit hoher Temperatur für Anwendungszwecke, bei denen niedrige Temperaturen erforderlich sind.
Außerdem erzeugt das verzögernde Wärmeleitsystem 10 wegen der verringerten Wärmeübertragungsgeschwindigkeit eine geringere Menge an Kondensat als Wärmeleitsysteme aus dem Stand der Technik, was die Anzahl der erforderlichen Fallen zur Entfernung des Kondensats aus dem Wärmeübertragungssystem effektiv reduziert. Darüber hinaus können das ganze Prozeßrohr P und das Wärmeleitsystem 10 für einer bessere Wirksamkeit der Systemenergieerhaltung stärker isoliert werden als es bei Verwendung der Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik möglich wäre.
Die Ct-Werte des Wärmeleitsystems 10, das die verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, können sich mit den Ct-Werten, die mit einem nackten Leitersystem erreichbar sind, überlappen; die vorliegende Erfindung bietet jedoch viele Vorteile, die mit einem nackten Leitersystem nicht erreichbar sind. Das Wärmeleitsystem 10 mit den verzögernden Wärmeübertragerstreifen 12 ergibt eine viel gleichmäßigere Leitungsgeschwindigkeit, weil der verzögernde Wärmeübertragerstreifen 12 das Wärmeübertragerelement 14 in einem gleichmäßigen Abstand vom Prozeßrohr P hält. Die Verwendung des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 macht das Wärmeleitsystem 10 viel weniger empfindlich für die Qualität der Installierung und erlaubt eine viel genauere Auswahl von Ct. Die Leitfähigkeit eines nackten Leitelements oder eines Leitelements, der mit Abstandsblöcken installiert ist, ist äußerst empfindlich auf die Qualität der Installation. Dieser große Nachteil wird durch das Wärmeleitsystem 10 gemäß der vorliegenden Erfindung überwunden.
Eine Veränderung von Prozeßvariablen bei der Herstellung des verzögernden Wärmeübertragerstreifens 12 erlaubt eine leichte Vanätion und genaue Regelung der thermischen Leitfähigkeit des verzögernden Wärmeübertragermaterials 13. Während Wärmeübertragermaterialien aus dem Stand der Technik versuchten, Blasen und eingeschlossene Luft zu eliminieren, werden im vorliegenden Fall Luft- oder Gasblasen oder Zellen verwendet, um das Material weniger dicht zu machen und den Wärmeübertragungskoeffizienten zu senken. Unter Anwendung von Methoden, die den Fachleuten bekannt sind, kann der Verschäumungsgrad (Größe und Anzahl der offenen und geschlossenen Zellen) des verzögernden Wärmeübertragermaterials 13 genau geregelt und verändert werden. Es ist für einen Fachmann erkennbar, daß der Wärmeübertragungskoeffizient und der zugehörige Ct des Wärmeleitsystems 10 proportional zur Luft- oder Zelldichte des verzögernden Wärmeübertragermaterialstreifens 12 ist. Alternativ kann der Ct des Wärrneleitsystems 10 durch Anpassen der Abmessungen des Wärmeübertragerstreifens beim Herstellungsprozeß verändert werden, um den Abstand zwischen dem Wärmeübertragerelement und dem Prozeßrohr zu vergrößern oder zu verkleinern.

Claims

1. Verzögerndes Wärmeübertragungssystem (10) geeignet zum externen Beheizen eines Prozeßrohrs (P), das auf einer Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten werden soll, wobei das verzögernde Wärmeübertragungssystem umfaßt: ein Kanalglied (16) mit einem Paar sich in Langsrichtung erstreckender Kanten (17) und einer dazwischen ausgebildeten längsgerichteten Ausnehmung (19), wobei die sich in Längsrichtung erstreckenden Kanten (17) zum Anschlag an das Prozeßrohr (P) vorgesehen sind, ein sich in Längsrichtung in der längsgerichteten Ausnehmung (19) erstreckendes Wärmeübertragerelement (14), einen vorgeformten Wärmeübertragerstreifen (12) mit einer äußeren Form, die im wesentlichen der längsgerichteten Ausnehmung (19) des Kanalgliedes (16) entspricht und in der längsgerichteten Ausnehmung (19) zwischen dem Kanalglied (16) und dem Prozeßrohr (P) angeordnet ist, wobei der Wärrneübertragerstreifen (12) dazu vorgesehen ist, das Wärmeübertragerelement (14) von direktem Kontakt mit dem Prozeßrohr (P) abzuhalten, und Mittel (18) zum Befestigen des Kanalgliedes (16) am Prozeßrohr (P), dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeübertragerstreifen (12) eine Wärmeübertragung verzögert und aus einem Wärmeübertragung verzögernden Material (13) gebildet ist, um die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragerelement (14) und dem Prozeßrohr (P) zu optimieren, wobei das Wärmeübertragerelement (14), in der Anwendung, eine Temperatur aufweist, die wesentlich höher ist als der bestimmte Temperaturbereich des Prozeßrohrs (P), wobei das Wärmeübertragung verzögernde Material eine Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 0,22 W/mK (1,5 Btu in/h ft² ºF) aufweist, so daß die vom Wärmeübertragerelement (14) zum Prozeßrohr (P) übertragene Wärme das Prozeßrohr (P) auf einer Temperatur in dem bestimmten Temperaturbereich hält.

2. System nach Anspruch 1, worin der Wärmeübertragerstreifen zwischen dem Prozeßrohr (P) und dem Wärmeübertragerelement (14) angeordnet ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, worin der Wärmeübertragerstreifen (12) eine längsgerichtete Vertiefung (24) zum Aufnehmen des Wärmeübertragerelements (14) aufweist.

4. System nach Anspruch 3, worin der Wärmeübertragerstreifen (12) einen längsgerichteten Schlitz (26) zum Installieren des Wärmeübertragerelementes (14) in der längsgerichteten Vertiefung (24) aufweist.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Wärmeübertragerstreifen (12) das Wärmeübertragerelement (14) in einem gleichmäßigen Abstand vom Prozeßrohr (P) hält.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Wärmeübertragerelement (14) ein mit einem Wärmeübertragermedium gefülltes Rohr ist.

7. System nach Anspruch 6, worin das Wärmeübertragermedium Dampf ist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Mittel (18) zum Befestigen des Kanalgliedes (16) am Prozeßrohr (P) eine Vielzahl von Klemmgliedern (18) umfaßt.

9. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Wärmeübertragung verzögernde Material (13) Siliconschaum ist.

10. System nach Anspruch 9, worin das Wärmeübertragung verzögernde Material (13) ein im wesentlichen geschlossenporiger Siliconschaum ist.

11. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Wärmeübertragung verzögernde Material (13) einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 1,44 x 10&supmin;² bis 0,22 W/mK (0,10 bis 1,50 Btu in/h ft² ºF), insbesondere 2,2 x 10&supmin;² bis 0,108 W/mK (0,15 bis 0,75 Btu in/h ft² ºF) aufweist.

12. Verfahren zur Herstellung eines verzögernden Wärmeübertragungssystems (10) geeignet zum Anbringen an einem Prozeßrohr (P), das auf einer Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich gehalten werden soll, worin das verzögernde Wärmeübertragungssystem (10) aufweist: ein Kanalglied (16), einen Wärmeübertragerstreifen (12) und ein Wärmeübertragerelement (14) bei einer Temperatur, die wesentlich höher ist als der bestimmte Temperaturbereich des Prozeßrohrs (P), wobei das Verfahren die Schritte umfaßt: Vorformen eines Wärmeübertragung verzögernden Materials (13) zu einem flexiblen formerhaltenden langgestreckten Streifen (12) und Formen der Außenfläche des Wärmeübertragerstreifens (12), so daß sie im wesentlichen einer längsgerichteten Ausnehmung (19) des Kanalgliedes (16) entspricht, bevor das Wärmeübertragermaterial (13) auf dem Prozeßrohr (P) installiert wird, Vorformen des Wärmeübertragerstreifens (12) mit einer längsgerichteten Vertiefung (24) für das Wärmeübertragerelement (14), Einsetzen des Wärmeübertragerelements (14) in die längsgerichtete Vertiefung (24) nachdem diese vorgeformt ist, worin die Verbesserung die Schritte umfaßt:

Herstellen eines Wärmeübertragerstreifens (12) aus einem Wärmeübertragung verzögernden Material (13), das einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von nicht mehr als 0,22 W/mK (1,5 Btu in/h ft² ºF) aufweist und für die erforderliche Wärmeübertragungsanwendung konstruiert ist und so ausgebildet ist, daß die vom Wärmeübertragerelement (14) zum Prozeßrohr (P) übertragene Wärme das Prozeßrohr (P) auf einer Temperatur in dem bestimmten Temperaturbereich hält; und

Vorformen des Wärmeübertragerstreifens (12), so daß der Wärmeübertragerstreifen (12) das Wärmeübertragerelement (14) von direktem Kontakt mit dem Prozeßrohr (P) abhält, wenn er am Prozeßrohr (P) angebracht ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12 umfassend: Schlitzen des Wärmeübertragerstreifens (12) zum Einsetzen des Wärmeübertragerelementes (14) in die längsgerichtete Vertiefung (24).

14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, umfassend:

Positionieren des Kanalgliedes (16) über dem vorgeformten Wärmeübertragerstreifen (12) mit dem Wärmeübertragerelement (14);

Anbringen des verzögernden Wärmeübertragungssystems (10) auf dem Prozeßrohr (P); und

Installieren von Klemmgliedern (18) um das Kanalglied (16) und das Prozeßrohr (P) zum Befestigen des verzögernden Wärmeübertragungssystems (10) am Prozeßrohr (P).

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, worin das Wärmeübertragung verzögernde Material (13) einen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten im Bereich von 1,44 x 10&supmin;² bis 0,22 W/mK (0,10 bis 1,50 Btu in/h ft² ºF), insbesondere von 2,2 x 10&supmin;² bis 0,108 W/mK (0,15 bis 0,75 Btu in/h ft² ºF) aufweist.