DE69931274T2

DE69931274T2 - Vakuum-isolierte rohrleitung

Info

Publication number: DE69931274T2
Application number: DE69931274T
Authority: DE
Inventors: D. Stan Titusville AUGUSTYNOWICZ; P. Jon Burnsville WIKSTROM; D. Claus Prior Lake EMMER; R. Jon Edina TURNER; A. Timothy New Prague NEESER
Original assignee: Chart Inc
Current assignee: Chart Inc
Priority date: 1998-10-28
Filing date: 1999-10-27
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2019-10-28
Also published as: DE69931274D1; EP1125078A4; EP1125078A1; WO2000025054A1; ATE325978T1; EP1125078B1; US6257282B1; ES2270637T3; AU1236500A

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die Erfindung betrifft im Allgemeinen isolierte Rohrleitung und insbesondere vorgefertigte, vakuum-isolierte Rohrabschnitte und ein Verfahren zum Verbinden derselben.
Wärmeisolierte Rohre sind industriell vielfältig einsetzbar. Isolierte Rohrleitung wird beispielsweise zum Befördern von Tieftemperaturflüssigkeiten, d.h. Flüssigkeiten, die einen Siedepunkt auf einer Temperatur von unter 65,56 °C (–150 °F) bei atmosphärischem Druck aufweisen, zwischen Lagertanks oder zwischen einem Lagertank und einer Nutzeinrichtung benutzt. Zu anderen Beispielen gehört die Nutzung in Chemiewerken oder beim Erdölraffinieren.
Ein hauptsächlicher Ausgangspunkt für Wärmeverlust bei isolierten Rohrsystemen besteht an der Verbindung zwischen zwei Rohrabschnitten. Es ist daher bevorzugt, derartige Rohrverbindungen auszuschließen. Dies würde jedoch bedeuten, dass die Isolierrohrleitung maßgefertigt wird, um die Längenanforderungen spezifischer Anwendungen zu erfüllen. Eine derartige Anordnung wäre unerschwinglich teuer. Infolgedessen wurden Bemühungen auf die Entwicklung vorgefertigter, isolierter Rohrabschnitte gerichtet, die mit Verbindungen verbunden sein können, welche minimalen Wärmeverlust zulassen. Eine angemessene Anzahl derartiger Abschnitte kann geliefert und vor Ort verbunden werden, um wirksame Rohrsysteme mit gewünschten Längen zu schaffen.
Eine vorgefertigte, isolierte Rohrart weist Abschnitte auf, die aus Kupferrohr gebaut sind, welche mit Schaumisolierung umgeben sind. Die Schaumisolierung ist mit einem PVC-Kunststoffgehäuse umgeben und dadurch geschützt. Derartiges schaumvorisoliertes Rohr wird unter dem Namen X-50 von Process and Cryogenic Services, Inc. aus San Jose, Kalifornien, USA und INSULTEK von Insultek Piping Systems aus Manlius, New York, USA angeboten.
Schaumvorisolierte Rohrabschnitte werden typischerweise durch Hartlöten oder Stumpfschweißen miteinander verbunden. Alternativ können die Enden der Abschnitte mit Gewinde versehen sein. Als nächstes wird Schaumisolierung um die Verbindung gewickelt, angeordnet, aufgeschäumt oder angepasst. Eine „Doppelschale" wird dann über der Schaumisolierung angeordnet, um sie zu schützen und festzuhalten. Die Doppelschale ist typischerweise aus dünnem, gestanzten Metall oder Kunststoffpressstoff gebaut und weist zwei Hälften auf, die zusammengenietet, geklebt oder anderweitig miteinander verbunden werden, wenn die Doppelschale in Position ist.
Obgleich das oben genannte schaumvorisolierte Rohrsystem den Vorteil niedriger Kosten bietet, erfordert eine Anzahl moderner Anwendungen höhere Leistungsebenen. Die Effizienz des schaumvorisolierten Rohrs beträgt typischerweise 420,56 W (1435 BTU/hr) Gesamtwärmeverlust pro 30,49 m (100 ft) 25,4-mm-Rohr (1-Inch-Rohr), wenn Flüssigstickstoff befördert wird. Zudem ist eine längere Nutzdauer erwünscht. Schaumvorisoliertes Rohr erfordert zum Erhalten der Isolierungsleistung auf ursprünglichen Ebenen häufig umfangreiche Reparatur oder Austausch nach einer kurzen Nutzdauer.
Eine andere vorgefertigte Rohrart weist vakuum-isolierte Abschnitte auf. Dieses System wird von MVE, Inc. aus New Prague, Minnesota, USA unter dem Namen VIP angeboten. Ein VIP-Rohrabschnitt ist aus einem inneren Rohr, das von einem äußeren Rohr umgeben ist, gebaut. Das innere Rohr und das äußere Rohr sind konzentrisch angeordnet, sodass ein kreisförmiger Isolierungsraum dazwischen ausgebildet ist. Die Enden des äußeren Rohrs sind an das innere Rohr geschweißt, sodass der ringförmige Raum abgedichtet ist. Entweder das innere Rohr oder das äußere Rohr ist an seinem mittleren Abschnitt mit einem Balgen versehen, sodass die Unversehrtheit der Schweißstellen gewahrt ist, wenn sich die Rohre aufgrund von Temperaturschwankungen in unterschiedlichem Umfang ausdehnen oder zusammenziehen.
Der Isolierungsraum des VIP-Rohrs ist evakuiert und mit mehreren Lagen aus dünnem Stoff gefüllt, der aus feinen Glasfasern, Zellulosefasern oder anderem Fasermaterial gebildet ist, das durch niedrige Wärmeleitfähigkeit gekennzeichnet ist. Zwischen den dünnen Stofflagen sind reflektierende Sperrschichten aus stark reflektierendem Material angeordnet, wie etwa Aluminiumfolie. Wenn sie in Tieftemperaturflüssigkeitsanwendungen genutzt ist, minimiert die Isolierungsanordnung des VIP-Rohrs Leitungs- und Strahlungswärmeverstärkung auf den Tieftemperaturstoff in den inneren Rohren.
Obgleich VIP-Rohrabschnitte auf ähnliche Art und Weise wie schaumisolierte Rohre verbunden werden können, d.h. mit isolierten Doppelschalen, werden sie optimal durch eine Bajonettverbinderanordnung verbunden, wie sie in der US-Patentschrift Nr. 4,491,347 an Gustafson offenbart ist. Die '347-Patentschrift offenbart Rohrabschnitte, die zusammenpassende männliche und weibliche Metallendabschnitte aufweisen. Das Material des weiblichen Abschnitts weist einen Ausdehnungskoeffizienten auf, der größer als der des männlichen Abschnitts ist. Wenn Tieftemperaturflüssigkeit durch die Rohrabschnitte strömt, zieht sich infolgedessen der weibliche Abschnitt zu einem Abdichtungsverhältnis mit dem männlichen Abschnitt zusammen.
Vakuum-isoliertes Rohr wie etwa das VIP-Rohr befindet sich hinsichtlich Leistung wie auch Kosten gegenüber schaumisoliertem Rohr am anderen Ende des Spektrums. Insbesondere ist die Effizienz des VIP-Systems viel höher, mit einem Gesamtwärmeverlust von nur 46,89 W (160 BTU/hr) für 30,49 m (100 ft) 1-Inch-Rohr, wenn Flüssigstickstoff befördert wird. Zudem bewahren vakuum-isolierte Rohre wie etwa das VIP-Rohr ihre ursprünglichen Isolierungsfähigkeiten typischerweise über fünfzehn bis zwanzig Jahre hinweg. Die Komplexität von vakuum-isoliertem Rohr mit Bajonettverbinderenden macht Rohrsysteme wie etwa das VIP-Rohr jedoch teuer in der Herstellung.
Ein weiterer Nachteil in Verbindung mit bestehender vakuum-isolierter Rohrleitung ist, dass sie, wenn der Ausdehnungs-/Zusammenziehungsbalgen einen Abschnitt des äußeren Rohrs umfasst, dem Wettereinfluss ausgesetzt ist und anderweitig beschädigt werden kann. Wenn der Balgen alternativ einen Abschnitt des inneren Rohrs umfasst, sind Reparatur und Austausch schwierig.
US 4,515,397 (Nowobilski et al.) beschreibt eine vakuum-isolierte Leitung, die einen reduzierten Wärmeverlust durch einen Verbindungsbereich aufweist. Die Leitung umfasst innere und äußere Rohre. Ein Balgenglied ist mit dem inneren Rohr und außerdem mit einer kreisförmigen Platte verbunden, die ihrerseits mit dem äußeren Rohr verbunden ist.
US 3,146,005 (Peyton) beschreibt eine vakuum-isolierte Leitung und isolierte Verbindungsmittel. Diese Vorrichtung umfasst wiederum innere und äußere Rohre, und hier ist das innere Rohr mithilfe einer flexiblen Verbindung mit dem äußeren Rohr verbunden, die das innere Rohr mit einem Z-förmigen Glied verbindet, welches seinerseits mit dem äußeren Rohr verbunden ist.
Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isoliertes Rohr bereitzustellen, das in vorgefertigten Abschnitten erzeugt und eingerichtet sein kann.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isoliertes Rohr bereitzustellen, das hohe Isolierungseffizienz zu angemessenen Kosten bietet.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isoliertes Rohr bereitzustellen, das eine lange Nutzdauer aufweist.
Es ist wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein isoliertes Rohr bereitzustellen, das widerstandsfähig ist und leicht repariert werden kann.
Es ist wiederum eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vakuumfeste Verbindung zwischen Abschnitten des isolierten Rohrs bereitzustellen.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindung zwischen den isolierten Rohren bereitzustellen, die bei der thermischen Ausdehnung und dem thermischen Zusammenziehen des isolierten Rohrs hilft.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein isolierter Rohrabschnitt bereitgestellt, dafür geeignet, mit ähnlichen Rohrabschnitten verbunden zu werden, um Fluids zu befördern, die Temperaturen haben, die stark von der Umgebung abweichen, wobei der Rohrabschnitt folgendes umfasst:

a) ein inneres Rohr mit einem Paar von entgegengesetzten Endabschnitten, durch das die Fluids strömen können;
b) ein äußeres Rohr mit einem Paar von entgegengesetzten Endabschnitten, wobei das äußere Rohr konzentrisch um das innere Rohr angeordnet ist,
c) Balgenelemente, die jeweils einen gewellten Mittelabschnitt mit einem Paar von, unmittelbar an demselben befestigten, zylindrischen nicht gewellten Endabschnitten haben, wobei die nicht gewellten Endabschnitte unmittelbar und abdichtend mit den Endabschnitten des inneren und des äußeren Rohrs verbunden sind, sodass zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr ein eingeschlossener ringförmiger Raum definiert wird, wobei der ringförmige Raum bis unter atmosphärischen Druck evakuiert ist, und
d) wärmeisolierendes Material, das in dem ringförmigen Raum angeordnet ist.

Die vorliegende Erfindung ist an ein isoliertes Rohrsystem zum Befördern temperaturempfindlicher Fluids wie etwa Tieftemperaturflüssigkeiten, Kühlmittel, Kohlenwasserstoffe oder Dampf gerichtet. Das System umfasst vorgefertigte Rohrabschnitte. Jeder Rohrabschnitt beinhaltet ein inneres Rohr und ein äußeres Rohr, das konzentrisch um das innere Rohr angeordnet ist. Die Endabschnitte des inneren und äußeren Rohrs sind durch ein Paar Balgenglieder verbunden, sodass ein ringförmiger Raum dazwischen definiert ist. Der ringförmige Raum ist teilweise evakuiert. Ein Abschnitt des inneren Rohrs ist mit Isoliermaterial überzogen. Vorzugsweise ist dieses Isoliermaterial in Lagen um das innere Rohr gewickelt, wobei inerte Isolierkörnchen zwischen den Isolierungslagen angeordnet sind. Eine Anzahl Abstandsstücke kann an der Isolierung angebracht sein. Das äußere Rohr weist eine Öffnung auf, um die Evakuierung des ringförmigen Raums im Feld zu ermöglichen.
Die inneren Rohre der vorgefertigten Rohrabschnitte sind durch Hartlöten oder Stumpfschweißen verbunden. Alternativ können die inneren Rohre über gewindete Enden oder ein Balgenglied verbunden sein. Die Übergangsbalgenglieder an benachbarten Rohrabschnitten und die Verbindung können durch eine Doppelschale abgedeckt sein, die mit Isoliermaterial gefüllt ist. Dies schützt die Balgenglieder und ihre Schweißstellen vor dem Wettereinfluss oder anderen Beschädigungsursprüngen. Zudem ist die Isolierung in der Doppelschale vor Beschädigung durch Feuchtigkeit geschützt. Alternativ können die Übergangsbalgenglieder an benachbarten Rohrabschnitten und die Verbindung mit einer Manschette abgedeckt sein, die ein Vakuum ausbildet. Dies verbessert die thermische Leistung der Verbindung drastisch.
Die folgende detaillierte Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung in Zusammenhang mit den angehängten Ansprüchen und den beiliegenden Zeichnungen liefert ein vollständigeres Verständnis der Beschaffenheit und des Anwendungsbereichs der Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Teilschnittseitenansicht, die einen Abschnitt des vakuum-isolierten Rohrs der vorliegenden Erfindung zeigt, wobei das Isoliermaterial auf dem inneren Rohr teilweise weggebrochen ist.
2 ist eine teilweise weggebrochene Seitenansicht eines der Übergangselemente des isolierten Rohrs von 1.
3 ist eine Teilschnittseitenansicht von zwei isolierten Rohrabschnitten der in 1 gezeigten Art, die gemäß der vorliegenden Erfindung verbunden sind.
4 ist eine auseinander gezogene Perspektivansicht des Doppelschalengehäuses der Verbindung von 3 vor der Einrichtung.
5 ist eine Teilschnittseitenansicht von zwei isolierten Rohrabschnitten der in 1 gezeigten Art, die durch die in 6 gezeigte Vakuummanschette zum Ausbilden einer vakuum-isolierten Verbindung verbunden sind.
6 ist eine teilweise weggebrochene Perspektivansicht einer Ausführungsform der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung.
7 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung entlang Linie 7-7, die auf ein Paar verbundener Rohrabschnitte festgelötet oder – geklebt ist.
8 ist eine Schnittansicht einer dritten Ausführungsform der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung entlang Linie 7-7, die durch einen Bund auf einem Paar verbundener Rohrabschnitte festgehalten ist.
9 ist eine Schnittansicht einer vierten Ausführungsform der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung entlang Linie 7-7, die durch O-Ringe auf einem Paar verbundener Rohrabschnitte festgehalten ist.
10 ist eine Schnittansicht einer fünften Ausführungsform der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung entlang Linie 7-7, die durch O-Ringe in Kombination mit einem Abstandsstück auf einem Paar verbundener Rohrabschnitte festgehalten ist.
11 ist eine Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung entlang Linie 7-7, die durch innere und äußere Nute auf einem Paar verbundener Rohrabschnitte festgehalten ist.
12 ist eine Schnittansicht der Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung mit einer Auspumpöffnung, die an der Vakuummanschette angebracht ist.
13 ist eine Seitenansicht von zwei isolierten Rohren, die durch einen Balgenabschnitt verbunden sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein isolierter Rohrabschnitt, der gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut ist, allgemein bei 10 angezeigt. Der Abschnitt weist ein konzentrisch angeordnetes inneres Rohr 12 und äußeres Rohr 14 auf, die mit Materialien und Stärken gebaut sind, welche auf eine vorgegebene Anwendung zugeschnitten sind. Zu Beispielen geeigneter Materialien gehören unter anderem Eisen- und Nichteisenmetalle wie Kupfer oder Edelstahl. Das äußere Rohr kann eine Wand aufweisen, die stärker als das innere Rohr ist, um zusätzliche Korrosionsbeständigkeit und Vakuumunterstützung vorzusehen.
Ein Paar Balgenglieder 16 und 18 ist zwischen dem inneren und äußeren Rohr verbunden. Die Balgenglieder 16 und 18 können aus Metall gebaut sein. Wie in 2 gezeigt, weist jedes Balgenglied ein Paar nicht gewellte Endabschnitte 22 und 24 und einen gewellten Mittelabschnitt 26 auf. Der Durchmesser eines der Endabschnitte 22 ist derart bemessen, dass er etwas kleiner als der des äußeren Rohres ist, während der andere Endabschnitt 24 einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als der des inneren Rohrs 12 ist. Wie in 1 gezeigt, sind die Balgenglieder derart an die Endabschnitte des inneren und äußeren Rohrs geschweißt, dass dazwischen ein abgedichteter, ringförmiger Raum 28 definiert ist. Alternativ kann der Durchmesser der Endabschnitte 22 und 24 gleich dem Durchmesser des äußeren Rohrs 14 bzw. des inneren Rohrs 12 sein, sodass die Endabschnitte und die Rohre durch eine Stumpfschweißung verbunden sein können.
Neben dem Abdichten des ringförmigen Raums erfüllen die Balgenglieder zwei weitere Funktionen. Zunächst ermöglichen sie die unabhängige Ausdehnung und das unabhängige Zusammenziehen des inneren Rohrs bezüglich des äußeren Rohrs, ohne die Unversehrtheit der Schweißstellen zu beeinträchtigen. Das innere Rohr kann sich beispielsweise im Vergleich zum äußeren Rohr weitgehend zusammenziehen, wenn es Flüssigkeit oder Gas in einem Temperaturbereich von –195,56 °C (–320 °F) bis 204,46 °C (+400 °F) durchströmt. Unter derartigen Umständen würde sich jedes Balgenglied um einen entsprechenden Betrag zusammenziehen oder ausdehnen, sodass die resultierenden Belastungen der Schweißstellen und des äußeren Rohrs minimal sind. Die Anordnung der Balgenglieder zwischen dem inneren und äußeren Rohr ermöglicht, dass jeder Rohrabschnitt thermisches Zusammenziehen und thermische Ausdehnung für Fluids im Bereich von –195,56 °C (–320 °F) bis 204,46 °C (+400 °F) bewältigt.
Die andere wichtige Funktion der Balgenglieder ist, dass ihre gewellten Abschnitte den Wärmeübertragungsweg zwischen dem inneren und dem äußeren Weg verlängern. Dies erhöht die Isolierungseffizienz des Rohrabschnitts, da eine Wärmeübertragung zwischen dem inneren und äußeren Rohr erheblich reduziert ist. Infolgedessen wird Wärme, die dadurch entsteht, dass das äußere Rohr den Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, nicht wirksam auf die Flüssigkeit übertragen, die durch das innere Rohr strömt. Umgekehrt wird Wärme von einer heißen Flüssigkeit, die durch das innere Rohr strömt, nicht leicht durch die Balgenglieder auf das äußere Rohr übertragen.
Wie in 1 gezeigt, ist ein Abschnitt des inneren Rohrs 12 mit Isoliermaterial 29 überzogen. Das innere Rohr kann beispielsweise mit mehreren Lagen einer Deckenisolierung umwickelt sein. Alternativ kann das innere Rohr mit Super-Isolierung umwickelt sein, die aus abwechselnden Lagen von dünnem Stoff und reflektierendem Material besteht. In jedem Falle ist es vorzuziehen, AEROGEL oder ähnliche inerte Isolierkörnchen, die bei 33 in dem weggebrochenen Isolierabschnitt 29 in 1 angezeigt sind, zwischen die Lagen einzusieben, um gesteigerte Isolierleistung auf schwachen Vakuumebenen vorzusehen. Das Isolierkörnchenvolumen kann im Vergleich zum Isolierungsvolumen abhängig von der Anwendung des Rohrs von 1% bis 75% variiert werden.
Wie in 1 dargestellt, sind Abstandsstücke 32 mit niedriger Leitfähigkeit für längere Rohrabschnitte (über ungefähr 6 ft) auf die Isolierung geklammert, geklebt oder anderweitig daran angebracht. Diese Abstandsstücke können aus Materialien wie etwa Keramik oder Glasfaser gebaut sein.
Als letzter Schritt bei der Herstellung des Rohrabschnitts 10 wird Luft durch die gedeckelte Öffnung 30 evakuiert, sodass der ringförmige Raum 28 einen vakuumartigen Druck aufweist. Alternativ kann ein Loch in das äußere Rohr gebohrt sein. Wenn die Luft durch das Loch evakuiert ist, kann es mit einem O-Ringstopfen abgedichtet werden. Die gedeckelte Öffnung 30 oder das verstopfte Loch ermöglichen, dass der ringförmige Raum des Rohrs im Feld erneut evakuiert werden kann. D.h., das Rohr ist außenmontagetauglich. Durch Erhöhen der Menge von AEROGEL oder anderer Körnchen zwischen den Isolierlagen können die Vakuumvoraussetzungen weniger streng sein. Das Herabsetzen der Vakuumvoraussetzungen des Rohrs bietet den Vorteil herabgesetzter Herstellungskosten und verlängerter Nutzdauer.
3 stellt dar, wie zwei Rohrabschnitte, wie etwa der in 1 gezeigte, gemäß der Erfindung wirksam verbunden sein können. Entgegengesetzte Enden benachbarter Rohrabschnitte 40 und 42 werden in anstoßender Beziehung angeordnet und zur Ausbildung der Verbindung 47 hartgelötet, zusammengeschweißt oder anderweitig miteinander verbunden. Alternativ können die Rohrabschnitte mit gewindeten Enden versehen sein, die ineinander eingreifen.
Wenn die Rohrabschnitte verbunden sind, wird eine Doppelschale, allgemein bei 50 in 4 und in Durchsicht in 3 angezeigt, zum Abdecken der Verbindung und des Balgenglieds jedes Rohrs benutzt. Die Doppelschale ist aus Kunststoffpressstoff oder dünnem, gestanzten Metall gebaut und weist eine weibliche Hälfte 52 und eine männliche Hälfte 54 auf, die ineinander eingreifen. Nach der Ineingriffnahme können die Hälften durch Nieten oder Klebstoff aneinander befestigt werden. Die Doppelschale wird mit den äußeren Rohren der Abschnitte 40 und 42, genau unter ihren Balgengliedern, durch ein Silikondichtmittel und Klebstoff oder eine ähnliche Substanz verbunden. Es sollte beachtet werden, dass, obgleich eine Doppelschale dargestellt ist, alternative, im Stand der Technik bekannte Abdeckungen benutzt sein können.
Die zusammengesetzte Doppelschale wird dann durch die Öffnung 60 mit einem Isolierstoff wie etwa Schaum, Faser, Glasschaum oder Pulver gefüllt. Es können außerdem vorgefertigte Schaumabschnitte benutzt werden. Die Wahl des Isoliermaterials hängt von der Anwendung des Rohrsystems ab. Zum Beispiel ist Schaum wirksam, abgesehen von Situationen, in denen die beförderte Flüssigkeit extrem kalt (wie bei Tieftemperaturstoffen) oder extrem heiß ist. In letzterem Fall schmilzt Schaum und zerfällt. Pulver oder Faser würde unter derartigen Bedingungen eine bessere Leistung aufweisen. In Situationen, in denen Tieftemperaturflüssigkeit befördert wird, könnte die Benutzung von Schaum ein Sicherheitsrisiko darstellen, da die Möglichkeit besteht, dass sich Sauerstoff an dem inneren Rohr verflüssigt und im Schaum zurückbleibt. Dies könnte ein Brandrisiko bilden. Die Benutzung von Steinwolle oder Glasschaum – beide inert in Sauerstoff – ergibt eine kryogen sichere Verbindung.
Wenn die Doppelschale mit dem geeigneten Isoliermaterial gefüllt ist, wird die Öffnung 60 über die Deckelabschnitte 62 und 64 abgedichtet. Als Alternative zur Öffnung 60 kann ein Loch durch die Doppelschale angeordnet und abgedichtet werden, wenn die Isolierung eingeführt ist. Als weitere Alternative zur Leistungssteigerung könnte vor dem Einrichten der Doppelschale Stoffisolierung um die Verbindung gewickelt werden. Die Doppelschale kann vor dem Zusammensetzen mit Metallfolie oder Kunststoff ausgekleidet werden, um eine Dampfsperre 65 für die Isolierung vorzusehen.
Die Anordnung der Verbindung und der Balgenglieder innerhalb der Doppelschale bietet mehrere Vorzüge. Die Ausdehnung und das Zusammenziehen der Balgenglieder findet innerhalb der Doppelschale statt. Die Verschiebung der äußeren Rohre bezüglich der Doppelschale ist minimiert, sodass die Abdichtung der Doppelschale bewahrt ist. Dies verhindert das Lecken von Wasser oder anderen Flüssigkeiten in das Innere der Doppelschale, was die Isolierungsleistung ernstlich herabsetzen könnte.
Die Balgenglieder und die Schweißstellen, die sie mit dem inneren Rohr und dem äußeren Rohr verbinden, sind durch die Doppelschale außerdem vor dem Wettereinfluss und Beschädigungen anderen Ursprungs geschützt. Zudem ist die Doppelschale selbst vor Beschädigung geschützt, die auftreten könnte, wenn sich das äußere Rohr übermäßig ausdehnt oder zusammenzieht.
Es wurde herausgefunden, dass die Leistung des Rohrsystems der vorliegenden Erfindung hinsichtlich der Isolierfähigkeit und Nutzdauer herkömmlicher schaumisolierter Rohrleitung überlegen ist. Insbesondere die Wärmeleitfähigkeit der Isolierung der Rohrleitung der vorliegenden Erfindung kann bis zu vierzehn Mal niedriger als Schaum sein. Infolgedessen beträgt der Wärmeverlust des Rohrsystems der vorliegenden Erfindung typischerweise 74,73 W (255 BTU/hr) Gesamtwärmeverlust pro 30,48 m (100 ft) 25,4-mm-Rohr (1-Inch-Rohr) (im Vergleich zu 420,56 W (1435 BTU/hr) für schaumisoliertes Rohr), wenn Flüssigstickstoff befördert wird.
Eine Auswirkung der verbesserten Leistung des Rohrs der vorliegenden Erfindung ist, dass viel längere ungekühlte (oder ungeheizte) Rohrstränge möglich sind. Die verbesserte Effizienz ermöglicht außerdem, dass das Rohr der vorliegenden Erfindung einen kleineren Querschnitt als ein vergleichbares schaumisoliertes Rohr aufweist. Insbesondere weist ein schaumisoliertes Rohr typischerweise einen Durchmesser von mehr als sechs Inch auf, während ein isoliertes Rohr mit besserer Leistung, das gemäß der vorliegenden Erfindung gebaut ist, typischerweise einen Durchmesser von zwei Inch aufweist.
Die Nutzdauer des Rohrsystems der vorliegenden Erfindung ist erheblich länger als die von schaumisolierten Systemen. Tatsächlich wird geschätzt, dass die Nutzdauer der Rohrleitung der vorliegenden Erfindung drei bis fünf Mal so lange sein kann.
Das Rohrsystem der vorliegenden Erfindung bietet alle obigen Vorteile zu Kosten, die erheblich niedriger als die herkömmlicher Vakuumrohrsysteme sind, welche über Bajonettverbinderenden oder geschweißte und evakuierte Verbindungen verbunden sind.
Es sollte beachtet werden, dass, obgleich Rohrleitung mit einem runden Querschnitt in den Figuren dargestellt ist, die vorliegende Erfindung außerdem auf Rohrsysteme mit alternativen Querschnittformen (wie etwa vierkantig, oval usw.) angewendet sein kann.
Eine alternative Ausführungsform des vakuum-isolierten Rohrsystems ist in 5 gezeigt, wobei die Verbindung zwischen dem isolierten Rohr 70 und 72 mit einer Vakuummanschette 80 abgedeckt ist. Die Vakuummanschette 80 versieht eine verbesserte Verbindung, die Wärmeverlust weiter ausschließt. Die Vakuummanschette 80 schützt die Balgenglieder, Schweißstellen, die die Balgenglieder mit dem inneren und äußeren Rohr verbinden, und die Verbindung zwischen den inneren Rohren vor Wettereinfluss oder Beschädigung anderen Ursprungs. Der Verbindungspunkt 78 zwischen den inneren Rohrabschnitten ist nicht isoliert, wodurch eine Wärmeverlustquelle an der geschweißten Verbindung bereitgestellt ist. Die Vakuummanschette 80 erhöht jedoch die Effizienz des isolierten Rohrsystems durch Vorsehen einer Manschette, die die geschweißte Verbindung zwischen den inneren Rohrsystemen abdeckt. Die Vakuummanschette 80 ist über der Verbindung zwischen zwei isolierten Rohren 70 und 72 angeordnet und stellt eine vakuumfeste Verbindung ohne zusätzliche Isoliermaterialien über der Verbindung bereit. Ferner verhindert die Vakuummanschette 80 jegliche potentielle Brandrisiken, die durch Benutzung von Schaum bewirkt sind, und sieht eine leichtere Einrichtung des vakuum-isolierten Rohrsystems vor.
6 zeigt die Vakuummanschette 80 mit einem gewellten Mittelabschnitt 82 und zwei röhrenförmigen Endabschnitten 84, 86. Ein röhrenförmiger Endabschnitt 84, 86 erstreckt sich jeweils vom Ende des gewellten Mittelabschnitts 68. Das Material des gewellten Mittelabschnitts kann unter anderem Kupfer, Aluminium oder Edelstahl sein. Der Durchmesser jedes röhrenförmigen Endabschnitts 84, 86 ist etwas größer als der Durchmesser jedes äußeren Rohrs 74, 76, wodurch ermöglicht ist, dass die Vakuummanschette 80 über das isolierte Rohr der vorliegenden Erfindung gleitet. Die röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 können durch verschiedene Verbindungsverfahren mit den äußeren Rohren 74, 76 des isolierten Rohrsystems verbunden sein.
Es sollte beachtet werden, dass die Vakuummanschette 80 alternativ ohne Wellenbildung bestehen kann und thermisches Zusammenziehen und thermische Ausdehnung durch Aufbringen von O-Ringdichtungen auf eine Ausdehnungsmanschette in der Rohrverbindung geregelt sein kann.
7 bis 11 stellen verschiedene Verbindungsverfahrensweisen der vorliegenden Erfindung dar. 7 stellt die röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 an die äußeren Rohre 74, 76 des isolierten Rohrsystems gelötet oder geklebt 90 dar. 8 stellt die röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 durch einen Bund 92 und Klebstoff an den äußeren Rohren 74, 76 eines isolierten Rohrsystems befestigt dar. 9 stellt die röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 durch O-Ringe 94 an den äußeren Rohren 74, 76 eines isolierten Rohrsystems befestigt dar. 10 stellt die röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 durch O-Ringe 94 in Kombination mit einem Abstandsstück 96 an den äußeren Rohren 74, 76 eines isolierten Rohrsystems befestigt dar. Das Abstandsstück 96 bewahrt die Position der O-Ringe 94 zum Ausbilden der dichten Verbindung. 11 stellt die röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 durch innere Nute 98, äußere Nute 99 und einen Klebstoff an den äußeren Rohren 74, 76 befestigt dar. Die in 11 dargestellten äußeren Rohre 74, 76 sind mit einer inneren Nut 98 gestaltet, und die in 11 dargestellten röhrenförmigen Endabschnitte 84, 86 sind mit einer äußeren Nut 99 gestaltet. Die Verbindung wird durch Auftragen eines Klebstoffs auf die innere Nut 98 und Anordnen der äußeren Nut 99 in einer Sperrverbindung mit der inneren Nut 98 zusammengesetzt, um eine dichte Verbindung auszubilden.
Die Vakuummanschette der vorliegenden Erfindung ermöglicht, dass sich das innere Rohr bezüglich des äußeren Rohrs ausdehnt und zusammenzieht, wenn Fluid durch das isolierte Rohr strömt. Die Ausdehnung und das Zusammenziehen der Balgenglieder findet innerhalb der Vakuummanschette statt. Die Verschiebung der äußeren Rohre bezüglich der Vakuummanschette ist minimal, sodass die Abdichtung zwischen dem isolierten Rohr und der Vakuummanschette bewahrt ist.
Die Vakuummanschette wird durch Schieben der Vakuummanschette über einen Abschnitt des isolierten Rohrs über den Rohren und den Balgengliedern montiert. Als nächstes werden die zwei inneren Rohre verbunden. Die Vakuummanschette wird dann das isolierte Rohr entlang über die Balgenglieder geschoben, bis die Vakuummanschette die Verbindung zwischen den zwei inneren Rohren abdeckt. Die röhrenförmigen Endabschnitte der Vakuummanschette werden über dem äußeren Rohr angeordnet und durch eines der oben beschriebenen und in 7 bis 11 dargestellten Verbindungsverfahren an dem äußeren Rohr abgedichtet.
Alternativ kann die Vakuummanschette mit einem Gasgemisch durch Einleiten des Gasgemischs in eine einzelne Öffnung unter Druck gesetzt werden. Die Vakuummanschette wird dann durch Freisetzen von einem Teil der Luft, die sich in dem Raum 81 zwischen der Vakuummanschette 80 und den isolierten Rohren 70, 72 befunden hat, auf normalen Luftdruck gebracht. Dieser Ablauf wird wiederholt, bis der Raum 81 im Wesentlichen mit einem Gasgemisch wie etwa Kohlendioxid gefüllt ist. Die Öffnung wird dann durch eines der oben beschriebenen Verfahren abgedichtet.
Wenn ein Fluid das isolierte Rohrsystem auf Betriebstemperaturen durchläuft, beginnt sich das Gasgemisch zu verfestigen. Wenn das Gasgemisch zu einem Feststoff wird, schafft es ein Vakuum zwischen der Vakuummanschette 80 und den isolierten Rohren 70, 72. Dieses System schafft die Vakuumisolierung wie gewünscht.
Ein optionales Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, einen Getter zu beinhalten, der in dem Raum 81 zwischen der Vakuummanschette 80 und den isolierten Rohren 70, 72 angeordnet ist. Der Getter geht das Problem der Gasabgabe an und absorbiert chemisch das Gas, das verbleibt, nachdem das Tieftemperaturfluid das System durchlaufen hat. Alternativ kann das Gasabgabeproblem durch Einführen eines Feuchtigkeitsabsorptionsmittels angegangen werden. Das System wird über einen Punkt erhitzt, an dem Feuchtigkeit absorbiert wird, und der Raum 81 wird mit Dampf gefüllt. Wenn die vakuum-isolierte Verbindung abkühlt, kondensiert der Dampf zu Wasser und das Wasser und jegliches überschüssige Gas wird absorbiert.
Zudem ist in 13 eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt. 13 stellt zwei isolierte Rohre 110, 120 dar, die durch einen Balgenabschnitt 130 verbunden sind. Die inneren Rohre 118, 128 des isolierten Rohre 110, 120 sind mit jeder Seite des Balgenabschnitts 130 verbunden. Der Balgenabschnitt 130 ist an die inneren Rohre 118, 128 geschweißt. Dieser Balgenabschnitt 130 ermöglicht, dass sich die Verbindung mit dem isolierten Rohr ausdehnt und zusammenzieht, sodass sich die Abschnitte des isolierten Rohrs nicht mehr in Bezug zueinander ausdehnen oder zusammenziehen. Diese alternative Ausführungsform erleichtert Einrichtungen des Rohrs. Die Vakuummanschette 80 wird dann wie vorher beschrieben und in Durchsicht in 13 angezeigt über dem Rohr angebracht.
Obgleich die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es für den Fachmann ersichtlich, dass Änderungen und Modifikationen daran vorgenommen werden können, ohne vom Anwendungsbereich der beiliegenden Ansprüche abzuweichen.

Claims

Isolierter Rohrabschnitt (10), dafür geeignet, mit ähnlichen Rohrabschnitten verbunden zu werden, um Fluids zu befördern, die Temperaturen haben, die stark von der Umgebung abweichen, wobei der Rohrabschnitt folgendes umfaßt: a) ein inneres Rohr (12) mit einem Paar von entgegengesetzten Endabschnitten, durch das die Fluids strömen können; b) ein äußeres Rohr (14) mit einem Paar von entgegengesetzten Endabschnitten, wobei das äußere Rohr konzentrisch um das innere Rohr (12) angeordnet ist, und gekennzeichnet durch c) Balgenelemente (16, 18), die jeweils einen gewellten Mittelabschnitt (26) mit einem Paar von, unmittelbar an demselben befestigten, zylindrischen nicht gewellten Endabschnitten (22, 24) haben, wobei die nicht gewellten Endabschnitte (22, 24) unmittelbar und abdichtend mit den Endabschnitten des inneren und des äußeren Rohrs (12, 14) verbunden sind, so daß zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr (12, 14) ein eingeschlossener ringförmiger Raum (28) definiert wird, wobei der ringförmige Raum bis unter atmosphärischen Druck evakuiert ist, und d) wärmeisolierendes Material (29, 33), das in dem ringförmigen Raum angeordnet ist.
Isolierter Rohrabschnitt nach Anspruch 1, wobei das wärmeisolierende Material (29) in Lagen um das innere Rohr (12) gewickelt ist, wobei inerte Isolierkörnchen (33) zwischen den Isolierungslagen angeordnet sind.
Isolierter Rohrabschnitt nach Anspruch 1, der ferner wenigstens ein Abstandsstück (32) umfaßt, das zwischen dem wärmeisolierenden Material und dem äußeren Rohr angeordnet ist, so daß zwischen dem wärmeisolierenden Material und dem äußeren Rohr (14) ein von isolierendem Material freier Abschnitt des ringförmigen Raums definiert wird.
Isolierter Rohrabschnitt nach Anspruch 1, wobei das äußere Rohr (14) eine wiederabdichtbare Öffnung (30) zum erneuten Evakuieren des ringförmigen Raums (28) aufweist, um Bedingungen unter dem atmosphärischen Druck wiederherzustellen.
Isoliertes Verrohrungssystem zum Befördern von Fluids, die Temperaturen haben, die stark von der Umgebung abweichen, wobei das System wenigstens zwei isolierte Rohrabschnitte (40, 42) nach einem der vorliegenden Ansprüche umfaßt, wobei die Endabschnitte der inneren Rohre (12) miteinander verbunden sind, so daß die inneren Rohre (12) aneinanderstoßen und für einen Fluidstrom durch dieselben in Verbindung miteinander sind.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 5, das ferner eine Doppelschale (50) umfaßt, um die verbundenen Endabschnitte der inneren Rohre (12) und zwei der Balgenelemente (16, 18) abzudecken, so daß sie isoliert und geschützt sind.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 6, wobei die Doppelschale (50) Isolierungsmaterial enthält.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 7, wobei die Doppelschale (50) mit Kunststoff ausgekleidet ist, um so eine Dampfsperre (65) für das Isolierungsmaterial zu bilden.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 7, wobei die Doppelschale (50) mit Metallfolie ausgekleidet ist, um so eine Dampfsperre (65) für das Isolierungsmaterial zu bilden.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 5, wobei ein Abschnitt des inneren Rohrs (12) mit wärmeisolierendem Material (29) überzogen ist.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 5, wobei der ringförmige Raum (28) teilweise bis unter atmosphärischen Druck evakuiert ist.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 11, wobei ein Abschnitt des inneren Rohrs (12) mit wärmeisolierendem Material (29) überzogen ist.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 12, wobei das wärmeisolierende Material (29) in Lagen um das innere Rohr (12) gewickelt ist, wobei inerte Isolierkörnchen (33) zwischen den Isolierungslagen angeordnet sind.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 5, wobei das äußere Rohr (14) eine wiederabdichtbare Öffnung (30) aufweist, so daß Luft teilweise aus dem ringförmigen Raums (28) evakuiert werden kann.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 6, wobei die Doppelschale (50) eine wiederabdichtbare Öffnung (60) aufweist, durch die Isolierungsmaterial hinzugefügt oder ersetzt werden kann.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 10, wobei zwischen dem wärmeisolierenden Material und dem äußeren Rohr (14) Abstandsstücke (32) angeordnet sind, so daß zwischen dem wärmeisolierenden Material und dem äußeren Rohr (14) ein von Isolierungsmaterial freier Abschnitt des ringförmigen Raums definiert wird.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 6, wobei die Doppelschale (50) mit einem wasserdichten Dichtmittel, wie beispielsweise Silikon, mit den äußeren Rohren (14) der Rohrabschnitte verbunden ist.
Isoliertes Verrohrungssystem nach Anspruch 6, wobei die Doppelschale (50) mit Kunststoff ausgekleidet ist, um so eine Dampfsperre (65) bereitzustellen.