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1. Stand der Technik – Ausgangssituation
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Die
Isolierung sowie halbleitende Schichten von Mittel- und Hochspannungskabeln
werden aus vernetzbarem Polyethylen hergestellt. Insbesondere für Hoch-
und Höchstspannungskabel
wird ausschließlich
peroxidisch vernetzbares Material eingesetzt, wobei als Peroxid
Dicumylperoxid verwendet wird.
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Die
vernetzbaren Materialien werden bei relativ niedrigen Temperaturen
(+/– 130° C) extrudiert, um
in der Verarbeitungsmaschine (Extruder) noch keine Vernetzungsreaktion
hervorzurufen. Über
einen Umlenkkopf (1;
(4)) werden die extrudierten plastischen Massen schichtweise
auf den durchlaufenden Leiter (1) aufgebracht und der dann
isolierte Leiter als Ader (5) dem sich anschließenden Vernetzungsrohr
(6) zugeführt.
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Zur
thermischen Initiierung und Beschleunigung des Ablaufes der Vernetzungsreaktion
wird der Ader in dem Vernetzungsrohr Energie zugeführt. Hierzu
wird die Oberfläche
auf höhere
Temperaturen gebracht, die in der Praxis 200 – 300° C betragen. Dies kann durch
Kontakterwärmung
erfolgen, wie z.B. bei Horizontalanlagen (sog. MDCV-Anlagen) angewandt.
Weitgehender Standard sind jedoch Vertikal- (2) oder Kettenlinien (1), bei denen die Ader (5) hängend berührungslos
durch das Vernetzungsrohr (CV-Rohr (6)) geführt wird.
Dieses wird in Heizzonen (6.ff) aufgeteilt über ein Rohrtemperaturprogramm
so beheizt, dass die gewünschte
Oberflächentemperatur über Wärmestrahlung
eingestellt wird.
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Über Wärmeleitung
tritt ein zeitabhängiger Temperaturausgleich
in der Ader ein, wobei mit steigender Temperatur die Vernetzungsreaktion
beschleunigt abläuft.
Um die benötigte
Vernetzungszeit und damit auch benötigte Rohrlängen bedingt durch den Temperaturverlauf
der inneren, leiternahen Schichten zu verkürzen, werden die Leiter i.d.R.
vorgeheizt. Diese Leitervorheizung (3) geschieht in Induktionsspulen,
durch die der Leiter (1) hindurchgeführt wird.
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Aus
Effektivitätsgründen werden
die Induktionsspulen meistens vor dem Kopf installiert, wo der noch
blanke Leiter einläuft.
Bekannt ist jedoch auch die Installation direkt nach dem Kopf (4),
wobei die bereits isolierte Ader die Spule zur Leitervorwärmung direkt
vor dem Eintritt in das Vernetzungsrohr (6) durchläuft.
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Die
Vernetzungsreaktion selbst wird durch den wie vorab beschriebenen
thermisch aktivierten Zerfall des Dicumylperoxides eingeleitet.
Bei den dann ablaufenden chemischen Reaktionen entstehen neben der
Vernetzung des Polyethylens auch sog. Spaltprodukte, hauptsächlich Acetophenon,
Cumylalkohol und Methan.
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Da
diese Substanzen in Konzentrationen über dem Lösungsvermögen des Werkstoffes auftreten,
wird der Prozess unter Überdruck
(10 – 16
bar) geführt,
um ein Gasen mit Porenbildungen zu vermeiden. Bei der sogennanten „Trockenvernetzung" in Ketten- und Vertikallinien
sind die Vernetzungsrohre mit Stickstoff als inertem Druckübertragungsmedium gefüllt.
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Direkt
im Anschluss an den Vernetzungsprozess beginnt der ebenfalls unter Überdruck
ablaufende Kühlprozess.
Dieser findet bis in hohe Spannungsklassen meistens als Wasserkühlung statt;
bekannt ist jedoch auch die sog. Trockenkühlung mittels Stickstoff. Die
Kühlung
im Druckrohr (12) wird dabei soweit durchgeführt, dass
auch leiternah die Temperaturen unter den Schmelzpunkt der inneren
Leitschicht sinken, damit aufgrund des nach wie vor hohen Spaltproduktgehaltes
hier keine Porenbildung auftritt. In der Praxis betragen die Leitertemperaturen beim
Rohraustritt an der Endschleuse (14) etwa 80 – 90° C.
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Nach
dem Rohraustritt werden die Adern (5) über Abzugseinrichtungen (15; 17)
dem Aufwickler (18) zugeführt. Dabei findet eine weitere
Abkühlung in
Luftumgebung statt; häufig
werden auch offene Nachkühlstrecken
eingesetzt. Am Aufwickler (18) werden die Adern letztlich
in weitgehend abgekühltem
Zustand auf Trommeln gewickelt, um konstruktionsbedingt weiteren
Arbeitsgängen
zugeführt
zu werden.
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Die
abgekühtten
Adern enthalten trotz bereits begonnener Desorption immer noch sehr
hohe Konzentrationen von Spaltprodukten, die bei Umgebungsbedingungen
wegen sehr langsam ablaufender Diffusionsvorgänge noch lange erhalten blieben. Würden in
kurzfristig erfolgenden weiteren Arbeitsgängen zusätzliche Konstruktionselemente
aufgebracht, so würde
die Desorption über
die Oberflächen zusätzlich behindert
bzw. bei diffusionsdichten Schichten sogar unterbunden. Im praktischen
Einsatz dieser Kabel erfolgt dann der Abbau der Spaltprodukte z.B. über die
Stirnflächen
in den Endverschlüssen
oder Verbindungsmuffen. Insgesamt führt ein derartiger Abbau von
Spaltprodukten zu einem Aufbau von Überdruck in umschließenden Kabelelementen
und folgend zur Beeinträchtigung
der Funktion der Kabel an sich. Um dies zu vermeiden, müssen die
Adern vor der Weiterverarbeitung eine genügend lange Zeit gelagert werden,
um eine ausreichende Entgasung zu gewährleisten. Neben der Temperatur werden
Ausgleichszeiten auch exponentiell durch die Wanddicken bestimmt.
Während
bei Mittelsspannungskabeln mit geringeren Wanddicken auch bei Umgebungsbedingungen
einige Tage ausreichen, würden
bei Höchstspannungskabeln
z T. einige Monate benötigt.
Zur Verkürzung
der Entgasungszeiten werden solche Adern vor der Weiterverarbeitung
bei erhöhten
Temperaturen in Temperkammern gelagert. Aufgrund des Eigengewichtes
sind die Entgasungstemperaturen begrenzt auf etwa 50 – 70 C.
Dennoch werden auch in Temperkammern Entgasungszeiten von 7 – 14 Tagen
benötigt.
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2. Die Online-Entgasung – Grundidee
zu den Verfahren und Anordnungen der Erfindung
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Diffusionsvorgänge laufen
bekannter weise bei höheren
Temperaturen beschleunigt ab. Der Diffusionskoeffizient als Maß für die Geschwindigkeit
eines Konzentrations – ausgleiches
ist dabei exponentiell von der Temperatur abhängig.
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Theoretisch
gilt für
die Temperaturabhängigkeit
eines Diffusionskoeffizienten die Arrheniusfunktion: D
= D0·exp(–E0/kT)
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Dieser
Zusammenhang wird in der Praxis bereits genutzt, wenn wie beschrieben
die Adern in der Temperkammer entgast werden. Hierbei führt bereits eine
Temperaturerhöhung
von etwa 40° C
gegenüber Raumtemperatur
zu einer Zeitreduktion um etwa den Faktor 10.
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Nachteilig
bei diesem Verfahren ist, dass die Temperaturen wegen des Eigengewichtes
nicht weiter erhöht
werden können.
Nachteilig ist auch, dass nach der Abkühlung auf Umgebungsbedingungen große Massen
wieder aufgeheizt werden müssen, was
einem unwirtschaftlichen Energieeinsatz entspricht. Zusätzlich müssen diese
Massen transportiert und zwischengelagert werden.
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Die
Grundidee zu der Erfindung geht nun davon aus, dass bei dem Herstellungsprozess
der VPE-Adern wie beschrieben zwangsläufig ein so hohes Energie-
bzw. Temperaturniveau eingebracht wird, dass dieses grundsätzlich durch
eine neue geeignete Prozessführung
auch für
eine Online-Entgasung genutzt werden kann.
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Geht
man davon aus, dass nach dem Aufwickeln der Ader bzw. nach der Fertigstellung
der Ader in dem konzeptionell geänderten
Fertigungsprozess eine genügende
Entgasung stattgefunden hat, können
die heutigen Prozessrandbedingungen geändert sowie die geschilderten
Nachteile des heutigen Vorgehens vermindert werden.
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Insbesondere
würden
neben einer wirtschaftlicheren Energienutzung Transportvorgänge und
-risiken entfallen, Durchlaufzeiten und Kapitalbindung deutlich
reduziert sowie Investitionen in getrennte Temperkammern mit benötigten Flächen entfallen.
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Die
konzeptionell geänderte
Prozessführung mit
angepasster Anlagentechnik wird im Folgenden mit beispielhaften
Anordnungen bzw. Anordnungsblöcken
beschrieben.
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3. Verfahren
und Anordnungen zur/mit Online-Entgasung
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3.1 Online-Vorentgasung
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, das Energieniveau nach dem Vernetzungsprozess
für eine
Entgasung zu nutzen. Hierzu darf der Verfahrensprozess nicht mehr
so geführt
werden, dass die Ader nach dem Vernetzungsrohr direkt in die Endkühlung eingeleitet
wird, wobei leiternah sogar noch Vernetzungsreaktionen ablaufen
können.
Hierdurch wird die Entgasung durch die Bildung diffusionshemmender
Außenschichten
behindert, was zu der beschriebenen Problemstellung der getrennten
Temperkammerentgasung führt.
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Es
wird vorgeschlagen, im Anschluss an den im Vernetzungsrohr (6)
abgeschlossenen bzw. abzuschließenden
Vernetzungsprozess einen Entgasungsprozess „online" einzuführen. Eine solche Entgasungszone
(9) ist konstruktiv so auszulegen wie die Vernetzungsrohre
bei Vertikal- oder Kettenlinien. Der Prozess könnte also in direktem Anschluss
an die Vernetzung so weiter geführt
werden, dass die dann ausvernetzte Ader berührungslos durch eine weiter
unter Überdruck
gehaltene Stickstoffatmosphäre
der Entgasungszone (9) gefahren wird. In der Entgasungszone
können
die maximal zulässigen Oberflächentemperaturen
auf der Ader gehalten oder eingestellt werden (übliche Rohrheizelemente). Um eine
effektive Entgasung durch Ableitung der oberflächig ausdiffundierenden Spaltprodukte
aufrechtzuerhalten, empfiehlt es sich jedoch, die Stickstoffatmosphäre der Entgasungszone
von der des Vernetzungsrohres in geeigneter Weise durch einen getrennten
Kreislauf zu separieren und die aufgenommene Konzentration von Spaltprodukten
z.B. durch einen Reinigungskreislauf möglichst niedrig zu halten.
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Des
Weiteren wird vorgeschlagen, die Effektivität der Entgasung dadurch zu
erhöhen,
dass die Leitertemperatur zusätzlich
zu der bekannten Leitervorwärmung
(3) vor dem Vernetzungsrohr nochmals in einer „Inlinestufe" erhöht wird.
Hierzu muss eine Induktionsspule (7) in das Vernetzungsrohr
integriert werden. Wird diese Leiter-Inlineerwärmung am Ende des Vernetzungsrohres
vorgesehen, so erbringt die Temperaturerhöhung ausschließlich eine
Effektivitätserhöhung für die Entgasung
mit der kürzesten Entgasungszone.
Zur Optimierung der Gesamtprozesse Vernetzung und Entgasung empfiehlt
es sich jedoch, diese „Inline-Induktionsspule" in das Vernetzungsrohr
(6) zu integrieren, um so durch eine mehrstufige Vernetzungsführung durch
den inline-Leitertemperatursprung auch die Vernetzungseffektivität zu erhöhen. Letzteres
erhöht
auch ohne Entgasung bei konventionellen Anlagen insbesondere die
Vernetzungseffektivität
von Linien, bei denen Leitervorwärmtemperaturen
am Eintritt in die Vernetzungsstrecke begrenzt sind wie z.B. bei
Kettenlinien aufgrund des sog. Abtropfeffektes oder aus anderen Gründen.
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Insgesamt
kann davon ausgegangen werden, dass bei dem praktischen Energieniveau
der Ader (5) nach der Vernetzung aufgrund der exponentiellen
Desorptionsbeschleunigungen die benötigten Entgasungszeiten im
Verhältnis
zu praktischen Temperzeiten äußerst gering
werden. Nach theoretischen Abschätzungen
beträgt
die dazu notwendige Länge der
Entgasungszone (9) nur einen Anteil konventioneller Vernetzungsrohre.
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Bei
einem Einsatz einer Inline-Leitererwärmung innerhalb des CV-Rohres
wirkt die potentielle Verkürzung
der konventionellen Vernetzungsstrecke der dann benötigten Verlängerung
der Entgasungszone entgegen. Ein weiterer Vorteil der Inline-Leitererwärmung ist
daher, dass die resultierende Rohrlänge aus Vernetzungs- und Entgasungszone
nicht oder nicht wesentlich länger
sein muss als die Vernetzungsstrecke konventioneller Anlagen.
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Ein
weiterer Vorteil der beschriebenen Anordnung ist, dass die Nutzung
der einzeln steuerbaren Elemente flexibel anwendbar bzw. anpassbar
ist. Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn z.B. wie
bei Kettenlinien das Produktionsspektrum breit ist und von Mittel-
bis Höchstspannung
mit kleinen bis großen
Leiterquerschnitten reichen kann.
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Beispiele
zu flexibler Anwendung:
- – benötigte Entgasungskapazität hoch (z.B.
Hochspannungsadern mit großen
Leiterquerschnitten): Betrieb der Anlage erfindungsgemäß mit Inline-Leitererwärmung und
voller Entgasungszone
- – benötigte Vernetzungskapazität hoch:
Betrieb der Entgasungszone (9) teilweise oder vollständig als
Vernetzungsstrecke
- – benötigte Kühlkapazität hoch:
Betrieb der Entgasungszone (9) als Vorkühlzone mit getrenntem (gekühlten) Stickstoffkreislauf
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Die
Installation der Entgasungszone selbst kann insbesondere bei Ketten-
und Vertikallinien im direkten Anschluss an das Vernetzungsrohr
erfolgen, wobei die Stickstoffkreisläufe wie vorab beschrieben separiert
werden sollten. Dies kann z.B. durch ein kurzes Zwischenstück und Kreisläufe mit
unterschiedlichen Strömungsrichtungen
erfolgen. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein oder erforderlich
werden, zwischen Vernetzungsstrecke und Entgasungszone eine kurze
Zwischenkühlung
zu installieren, die dann gleichzeitig als Trennung zwischen Vernetzungs-
und Entgasungszone dient. Dies wird z.B. immer erforderlich, wenn
die Ader nach der Vernetzung und vor der Endkühlung umgelenkt werden soll
und damit kurzfristig mechanische Festigkeit zumindest in Oberflächenschichten
erforderlich wird. Die Installation einer Entgasungszone nach einer
Horizontalvernetzung im Kontaktrohr macht dies z. B. erforderlich, um
zur erforderlichen kontaktlosen, hängenden Aderführung in
Stickstoffatmosphäre
z.B. in Kettenform zu kommen (Umlenkung in Druckkessel z.B. unter
Wasserkühlung).
Auch für
eine Vertikallinie kann diese Prozessführung sinnvoll sein, um benötigte Entgasungszonenlänge nicht
in investitionsintensive vertikale Bauhöhe umzusetzen, sondern in Kettenform
auszuführen
mit dann folgender horizontaler Endkühlstrecke. Dies kann insgesamt
die Bauhöhe konventioneller
Vertikallinien deutlich reduzieren. Im Folgenden soll die Anwendung
beispielhaft dargestellt werden.
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In 1 ist
eine Kettenlinie mit Online-Vorentgasung schematisch dargestellt.
Der Leiter (1) wird über
den Bremscapstan (2) der Leitervorwärmung (3) zugeführt. Im
Kopf (4) werden die Isolierungsschichten aufgebracht und
die isolierte Ader (5) im anschließenden Vernetzungsrohr (6)
mit den Heizzonen (6.ff) erwärmt und folgend vernetzt. Erfindungsgemäß ist eine
Induktionsspule (7) in das Vernetzungsrohr integriert integriert,
die die Leitertemperatur nach Erreichen genügender Formstabilität (gegen
Abtropfeffekt) um einen Sprung erhöht. Dies wird genutzt zu einer
Optimierung der Restrohrlänge
(6.4 und 6.5) bei genügender Energieerhöhung für die Entgasung
in der Entgasungszone (9) mit den beheizbaren Rohrelementen
(9.1) und (9.2). Die Entgasungszone ist über ein
Zwischenstück
(8.1) von der Vernetzungsstrecke (6) getrennt
und wird mit einem getrennten Stickstoffkreislauf (10.2)
versorgt. Dieser sollte zweckmäßigerweise
eine andere Strömungsrichtung
als die Stickstoffversorgung (10.1) der Vernetzungsstrecke
haben und mit einer Vorrichtung (10.3) zur Säuberung
von Spaltprodukten versehen sei. Zusätzlich können auch Elemente zur Temperierung
des Stickstoffkreislaufes (10.2) insbesondere auch zu dessen
Kühlung
(z.B. Wärme tauscher)
vorgesehen sein, um die Entgasungszone (9) auch als Temperierstrecke
oder als Vorkühlung
nutzen zu können.
Nach einem weiteren Zwischenstück
(11) schließt
sich das konventionelle Druckkühlrohr
(12) mit dem Kühlmediumsstrom
(13) an.
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In 2 ist
ein erfindungsgemäßes Beispiel einer
Vertikallinie dargestellt. Der Verfahrensprozess bis zum Abschluss
der Vernetzung ist prinzipiell dem der Kette gleich. Lediglich anstelle
des Zwischenstückes
(8.1) der Kettenlinie ist bei der Vertikallinie dieses
als Umlenkkühlung
(8.2) dargestellt, um die Entgasungszone (9) zur
Reduzierung der Anlagenhöhe als
Kette konstruieren zu können.
Die Stickstoffkreisläufe
(10.1) und (10.2) sind damit zwangsläufig getrennt,
wobei in den Kreislauf der Entgasungszone ebenfalls eine Anordnung
(10.3) zur Behandlung des Stickstoffstromes (Reinigung/Temperierung)
vorgesehen ist. Die gesamte Endkühlung
im Druckrohr (12) kann dann in horizontaler Ausführung erfolgen.
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3.2 Online-Nachentgasung
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Der
Erfindung liegt die Idee zugrunde, die auch nach dem Austritt aus
der Kühlstrecke
noch in der Ader gespeicherte Energie zur Entgasung zu nutzen. Dazu
darf die Ader nicht weiter gekühlt
werden wie bei dem heutigen Verfahren, insbesondere nicht in intensiv
kühlenden
Nachkühlstrecken.
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Es
wird vorgeschlagen, die Ader warm bzw. temperiert aufzuwickeln.
Dazu soll die Ader (5) nach dem Verlassen der Kühlstrecke
(12, 14) und dem Passieren der Abzugseinheit (15)
und ggf. von Umlenkungen einer gesteuerten Nacherwärmungszone bzw.
Temperaturhaltestrecke zugeführt
werden. Diese Strecke kann mindestens als wärmeisolierter Kanal (16)
ausgeführt
werden, um die noch im Leiter gespeicherte Energie zu nutzen. Es
empfiehlt sich jedoch, zusätzlich
eine geeignete Temperierung z.B. in Form eines erwärmten Luftstromes
vorzusehen. Hiermit kann der Prozess so geführt werden, dass zum einen
die ausdiffundierenden Spaltprodukte abgeleitet werden und dadurch
die Konzentration in der Entgasungsstrecke zur Aufrechterhaltung
einer effektiven Desorption niedrig gehalten wird. Zum anderen dient
die Temperierung in der Strecke der Steuerung bzw. Regelung der
Adertemperatur so, dass am Aufwickler (18) ausgeglichene
erhöhte
Temperaturen vorzugsweise im Bereich von 55 – 75° C erreicht werden.
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Am
Aufwickler soll die Ader wie vorgeschlagen der Temperierstrecke
folgend warm aufgewickelt werden. Hierzu soll die Aufwickelstation
als wärmeisolierte,
temperierbare Kammer (19.1) analog zu einer Temperkammer
ausgelegt sein. Diese „Online-Temperkammer" muss natürlich der
Verfahrensführung
des einlaufenden, sich bewegenden Gutes Rechnung tragen und insbesondere
Bedien- und Beobachtungsmöglichkeiten
von außen
vorsehen.
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Da
in der Praxis die eingesetzten Leertrommeln kalt sein werden, ist
der Aufwickelarbeitsgang bezüglich
der durchschnittlichen Temperaturführung trotz der geregelten
Zuführung
der Ader aus der Temperierstrecke instationär aber dennoch entgasungsaktiv.
Zur sicheren Vervollständigung
der Entgasung empfiehlt es sich, eine gefertigte Aderlänge einer weiteren
Temperierung zuzuführen.
Falls eine zweite Aufwickelstation wie häufig bei Mittelspannungslinien vorhanden
ist und diese ebenfalls als Online-Temperierstation ausgelegt ist, können diese
wechselseitig als aktive Warmaufwicklung oder als stationäre Temperung
genutzt werden. Falls keine zwei Aufwickelstationen zur Verfügung stehen,
wird vorgeschlagen, an die aktive Warmaufwickelstation (19.1)
mindestens eine weitere stationäre
Temperkammer (19.2) anzuschließen. Die fertige Aderlänge wird
bei dem Trommelwechsel ausgesetzt und in die direkt anschließende Online-Temperkammer
(19.2) befördert. Hierin
steht dann auch für
die zuletzt gefertigten Meter die Zeit für eine weitere Aufwickellänge als
stationäre
Temperzeit zur Verfügung.
Diese beträgt
für praktische
Fertigungslängen
geschwindigkeitsabhängig
einige Stunden.
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Für Mittelsspannungskabel
wird dies für
eine genügende
Entgasung ausreichen; bei Bedarf können jedoch auch mehrere Online-Temperkammern kombiniert
werden, um die Nachentgasung quasi mehrstufig auszuführen.
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Das
vorgeschlagene Verfahren der Online-Nachentgasung kann für Mittelspannungsadern alleine
ausreichend sein, um eine direkte Weiterverarbeitung nach Abkühlung zu
gewährleisten.
Bei Hochspannungsadern ist zwingend die Online-Vorentgasung (im
Druckrohr nach Kap. 3.1) erforderlich; die Nachentgasung, vollständig oder
anteilig (z.B. nur Wärmestrecken
ohne Online-Temperkammern) kann dann als Ergänzung oder in Kombination gesehen
werden, wenn auf einer Fertigungsanlage ein breites Produktsprektrum
gefertigt wird.
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In 3 ist
eine Ausführung
der Erfindung am Beispiel der Aderfertigung in einer Kettenlinie schematisch
dargestellt. Die in der Vernetzungsstrecke (6) vernetzte
Ader (5) verlässt
nach der Kühlung in
der Kühlstrecke
(12) an der Schleuse (14) das Druckkühlrohr.
Nach Abzug und ggf. Umlenkung in einer Einrichtung (15.1)
wird die Ader (5) einer Temperier- und Temperaturhaltestrecke
(16.1) zugeführt. Bei
optimierten Mittelspannungslinien wird häufig ein Auslaufspeicher benutzt,
der bei einem Stopp des Aufwicklers (18.1) die weiter produzierte
Ader (5) aufnimmt. Im Falle der Online-Nachentgasung müsste der Auslaufspeicher in
die Temperierstrecke integriert werden. Es wird vorgeschlagen, den
Auslaufspeicher in einer mindestens wärmeisolierten Kammer (16.2),
die ggf aber auch temperierbar ist zu installieren. In dem Ausführungsbeispiel
ist die Auslaufspeicherkammer (16.2) zwischen den Temperierstrecken
(6.1) und (6.3) dargestellt. Im Falle einer Temperierung
der Entgasungsstrecken kann dies z.B. mit Warmluft geschehen, die
in geeigneten Einrichtungen (16.5), geregelt erwärmt, von
Spaltprodukten gereinigt und im Kreislauf (16.4, 16.5)
geführt wird.
Der Hilfsabzug (17) zieht sie Ader (5) durch die gesamte
Nachentgasungszone (16) und führt die Ader dem Aufwickler
(18.1) zu. Der Wärmeverlust
bei der Durchquerung kurzer Strecken bei Umgebungsbedingungen ist
dabei wegen niedriger Wärmeübertragungskoeffizienten
vernachlässigbar.
Der Aufwickelvorgang selbst der temperierten Ader (5) findet erfindungsgemäß warm in
der Online-Temperkammer (19.1) statt, in der der Aufwickler
(18.1) installiert ist.
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In 4 ist
der Erfindungsvorschlag der mehrstufigen Ausführung der Aufwickelstation
mit Online-Temperkammern schematisch dargestellt. Die vortemperierte
Ader (5) wird dem aktiven Aufwickler mit der Trommel (18.1)
zugeführt.
Der Aufwickelvorgang findet in der temperierten Kammer (19.1)
statt. Die davor gefertigte Aderlänge auf der Trommel (18.2)
befindet sich während
dieser Zeit in der angeschlossenen Temperkammer (19.2).
Beide Temperkammern werden durch eine geeignete Vorrichtung (19.4)
z.B. mit Warmluft temperiert, die ggf. von aufgenommenen Spaltprodukten
gereinigt und im Kreislauf (19.3, 19.5) geführt wird.
Kurz vor dem Fertigungsende der Aderlänge auf der Trommel (18.1)
wird die in der Zwischenzeit abgekühlte Trommel (18.3)
weitertransportiert, die Trommel (18.2) zur Abkühlung aus
der Kammer (19.2) in die Luftumgebung ausgesetzt und dann
die gefertigte Aderlänge auf
der Trommel (18.1) in die Temperkammer (19.2) vorgerollt.
In den dann leeren Aufwickler in der Kammer (19.1) kann
eine neue, leere Trommel eingesetzt werden, um die neue Fertigungslänge aufzunehmen.
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Während dieser
Arbeitsgänge
kann die weiter produzierte Ader in dem Auslaufspeicher (16.2) aufgenommen
werden.
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3.3 Neue Kühlkonzepte
mit Memory-Zone
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Bei
der VPE-Aderfertigung wird wie bereits in 1 aufgeführt in direktem
Anschluss an die Vernetzung intensiv gekühlt. Aufgrund der Gefahr des
Gasens und der Porenbildung durch die Spaltprodukte wird dieser
Prozess solange unter Überdruck
durchgeführt,
bis die Temperaturen der inneren Schichten am Leiter beim Austritt
aus dem Druckrohr (12, 14) unter dem Schmelzpunkt
der inneren Leitschicht üblicherweise
kleiner als 90° C
liegen. Damit hat die Aderisolierung auch genügend mechanische Festigkeit
erreicht, um in der anschließenden
Abzugseinheit (15), in der insbesondere bei Kettenlinien
hohe Haltekräfte aufgebracht
werden müssen,
keine bleibenden Verformungen (Ovalitäten) durch Verdrückung zu
erfahren. Dies hat zum Nachteil, dass die Druckkühlstrecken relativ lang sein
müssen,
die insbesondere bei Kettenlinien voll in die horizontale Baulänge eingehen.
Bei Vertikallinien sind die Abzugskräfte deutlich niedriger; hier
sind Umlenkungen innerhalb der Druckkühlstrecke in Druckkesseln bekannt,
um kostenintensive Bauhöhe
zu sparen. Trotz niedrigerer Abzugskräfte muss ein genügender Abkühlzustand vor
der Umlenkung erreicht werden, um Verdrückungen aufgrund des Anpressdruckes
in der Umlenkung zu vermeiden. In der Praxis wird daher mindestens die
Hälfte
der benötigten
Druckkühlstrecke
vorzugsweise aber mehr vertikal gebaut, bevor die weitere Restkühlung horizontal
geführt
wird.
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Wie
in Kap. 3.1 aufgeführt
kann durch die Prozessführung
der Online-Vorentgasung die VPE-Ader vor der Kühlung entgast werden. Wenn
die Spaltproduktkonzentration dadurch unter die Sättigungskonzentration
des Werkstoffes gesenkt wird, entfällt die Notwendigkeit des bisherigen
Verfahrens, den Kühlprozess
unter Überdruck
durchzuführen; des
Weiteren könnten
auch höhere
Temperaturen bei dem Austritt aus der Kühlstrecke zugelassen werden als
bisher.
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Es
wird daher vorgeschlagen, bei dem neuen Prozess mit Online-Vorentgasungszone
(9) den Abkühlprozess
drucklos in bekannten offenen Kühlrinnen
durchzuführen.
Dies hat gegenüber
dem heutigen Verfahren einige Vorteile wie z.B. der einfacheren
Prozessführung
mit geringeren Investitionen, früherer
Zugang zum Produkt nach kürzeren
Fertigungslängen
z.B. für
optische Kontrollen oder den Einsatz geeigneter Messenrichtungen
(z.B. Durchmesser, Ovalität,
Exzentrizität)
und anderes.
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Prinzipiell
können
entgaste Adern eine Kühlstrecke
auch mit höheren
Temperaturen in leiternahen Schichten als bei dem konventionellen
Prozess verlassen. Allerdings bleibt das Verdrückungsrisikos in Umlenk- oder
Abzugseinheiten, solange kein Verfahrensprozess angewendet wird,
der Verdrückungen
zunächst
erlaubt. Zur Lösung
dieses Problems wird vorgeschlagen, ein besonderes Werkstoffverhalten
des vernetzten Polyethylens, den sog. Memory-Effekt zu nutzen. Polyethylen
verliert bei der Vernetzung auch über der Schmelztemperatur den
ausschließlich
plastischen Charakter und gewinnt elastisches Verhalten. Mit der
wenn auch weitmaschigen räumlichen
Vernetzungsstruktur wird die geometrische Grundform des Produkt
bereits in dem Temperaturbereich über dem alten Schmelzpunkt
in der Vernetzungszone (6) elastisch fixiert. Wird der
Werkstoff im Temperaturbereich unterhalb des Schmelzpunktes mechanisch
beansprucht, so können
Verformungen (z.B. Ovalitäten)
erhalten bleiben. Wird der Werkstoff jedoch wieder erwärmt auf
Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt insbesondere jedoch auch darüber, so
aktiviert die dann wirkende Elastizität im Sinne eines „Erinnerungsvermögens" eine spontane Rückstellung
der Deformation in die geometrische Grundform.
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Es
wird vorgeschlagen, nach jeder Prozessführung, die eine Ovalität durch
Verdrückung
hervorrufen kann, eine sog. Memory-Zone zur Wiedererwärmung insbesondere
der Oberflächenschichten vorzusehen.
Hierzu kann eine geeignete Einrichtung (z.B. Strahler o.ä.) so eingesetzt
werden, dass in dem benötigten
Werkstoffbereich kurzfristig Temperaturen nahe dem Schmelzpunkt
bevorzugt aber zur Verkürzung
der Rückstellzeiten
auch über
dem alten Schmelzpunkt (ungefähr
110° C)
eingestellt werden.
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Insgesamt
sollten Verdrückungen
auch wenn sie zur Rückstellung
einer Memory-Zone zugeführt werden
sollen, so gering wie möglich
gehalten werden. Dies bedingt, dass die Oberflächenschichten der Ader in den
Aggregaten, die eine Oberflächenpressung
verursachen, so kühl
wie möglich
gehalten werden. Bei Umlenkungen in Kühlstrecken ist dies zwangsläufig der
Fall. In Abzugsaggregaten (z.B. 15) nach Kühlstrecken bei Umgebungsbedingungen empfiehlt
es sich ggf., die Ader auch innerhalb der Bänder der Abzugseinheit zu kühlen. Da
die hier abzuführende
Wärme begrenzt
wird durch die niedrigen Wärmeleiteigenschaften
der Kunststoffisolierung ist keine hohe Kühlkapazität notwendig. Es wird vorgeschlagen,
bei Bedarf das durchlaufende Gut und die dieses transportierenden
Bänder
innerhalb des Abzugsaggregates durch strömende Luft zu kühlen.
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Mit
der Summe der vorgeschlagenen Maßnahmen wie Online-Entgasung,
drucklose Kühlung und
Zulassung begrenzter Verdrückungen
bei Einsatz einer Memory-Zone lassen sich VPE-Anlagen konstruktiv
wesentlich flexibler auslegen als mit den bisherigen Randbedingungen.
Insbesondere können die
Baulängen
oder die Bauhöhen
der Anlagen durch konzeptionell geänderte Kühlstrecken trotz Hinzufügung weiterer
Prozessstrecken(z.B. Memory-Zone) bei erhöhter Effektivität gehalten
oder sogar verkürzt werden.
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Im
Folgenden sind beispielhafte Ausführungen zur erfindungsgemäßen Prozessführung schematisch
dargestellt.
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5 zeigt
eine Kettenlinie mit Kühlungsumlenkung
und Memoryzone.
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In
diesem Beispiel wird die Ader (5) in der Online-Entgasungszone
(9) vorentgast. Die entgaste Ader tritt in eine sehr kurze
Druckkühlstrecke
(12) ein, um die Oberflächenschichten
soweit kalt zu halten, dass die Ader die Schleusenendabdichtung
(14) beschädigungsfrei
passieren kann. An dieser Stelle wird die Ader (5) kurz
für Messverfahren
zugängig gehalten.
Die weitere Abkühlung
erfolgt erfindungsgemäß drucklos
in einer offenen Wasserstrecke (20). Nach einem kurzen
Abschnitt (20.1) erfolgt zur Verkürzung der Baulänge der
Anlage eine Umlenkung unter Kühlung
in dem Umlenkbehälter
(21). Da aufgrund der hohen Haltekräfte der Kettenlinie Verdrückungen
auftreten können,
wird die Kühlung
der entgasten Ader nach der Umlenkung unterbrochen und die Ader
in eine Memoryzone (22) geführt, wo die Oberflächenschichten
z.B. durch Heizstrahler kurzfristig auf Temperaturen um oder über 110° C gebracht
werden.
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Nach
der aktivierten Deformationsrückstellung
tritt die Ader wieder in den Endkühlabschnitt (20.2)
ein, um dann bei ausreichender Abkühlung bis zu der Abzugseinheit
(15.2) durch diese dem Aufwickler (18) zugeführt zu werden.
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Anstelle
der drucklosen Kühlstrecke
(
20) kann die Kühlung
z.B. für
nicht vorentgaste Adern aber auch unter Überdruck inklusive der Umlenkung durchgeführt werden.
Eine solche Druckkühlstrecke mit
Autoklavenumlenkung ist in der Fertigung von Gummileitungen auch
bei Kettenlinien durchaus bekannt, konnte aber bei der Fertigung
von VPE-Adern wegen bleibender Verdrückungen nicht angewendet werden.
In diesem Fall muss die Memoryzone (
22) nach dem Druckumlenkungskessel
in den Überdruckprozess
integriert werden. Es empfiehlt sich, diese Zone wie eine Vernetzungszone
auszulegen und die Aderoberflächen über Wärmestrahlung
kurzfristig in einer Stickstoffumgebung aufzuheizen. Eine solche
technische Ausführung
ist prinzipiell bekannt und wird z.B. in der Patentschrift
DE 692 18 797 T2 beschrieben.
Allerdings wird diese Anordnung nicht zur Rückstellung von Deformationen vorgeschlagen, sondern
zur stufenweisen Führung
der thermischen Kontraktion bei der Abkühlung.
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6 zeigt
ein anderes Beispiel einer Kettenauslegung vorzugsweise für die Fertigung
von Hochspannungskabeln. Hierbei ist es erforderlich, dass die Ader
zur Vermeidung des „Abtropfeffektes" im Vernetzungsrohr
rotiert wird. Die Installation der Rotationseinrichtung nach Umlenkungen
empfiehlt sich möglicherweise
nicht, da die Umlenkung die Weiterleitung der Rotation in die Vernetzungsstrecke behindern
kann. Die Abzugs- und Rotationseinheit (15.2) ist vor der
Umlenkung (15.3) installiert. Die Ader (5) wurde
in der Entgasungszone (9) entgast und bei dem Kühlungstrennstück (11)
in die Kühlstrecke
geführt.
Trotz der Entgasung ist die Kühlstrecke hier
als Druckkühlstrecke
(12) dargestellt, könnte aber
auch erfindungsgemäß drucklos
als offene Kühlung
ausgeführt
werden.
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Die
entgaste Ader verlässt
die Endschleuse (14) mit höheren Temperaturen als bisher
zulässig, beispielsweise
mit 110 ° C.
Um eine zu große
Erwärmung
der Oberfläche
bei Umgebungsbedingungen zu vermeiden, wird eine Kühlung bis
durch die Abzugseinheit (15.2) hindurch weitergeführt. Die
vergrößerte Skizze
in 6 zeigt einen schematischen Lösungsvorschlag. Die Abzugsbänder (23),
die die Ader (5) transportieren und teilweise umschließen, bilden
in dem Inneren des Abzugsaggregates (15.2) quasi einen
Kanal. Dieser wird über
ein Gebläse
(24) mit Kühlluft
(25) durchströmt,
die die Aderoberfläche wie
die Bänder
selbst kühlt.
Nach der Umlenkung (15.3) wird die Ader zur Aktivierung
von Rückstellungen
einer Memoryzone (22) zugeführt. Danach kann eine weitere
Behandlung der Ader wie Abkühlung oder
auch eine weitere Temperierung (16.1) z.B. für eine Fortführung der
Entgasung (Online-Nachentgasung)
durchgeführt
werden, bevor die Ader (5) am Aufwickler (18.1)
aufgewickelt wird.
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Prinzipiell
stellt auch die Vertikallinie in 2 mit der
kettenförmigen
Online-Vorentgasungszone ein
Anwendungsbeispiel für
ein Memoryzone dar. In der Umlenkkühlung (8.2), in der
die Ader nach nur kurzer Oberflächenkühlung aus
der vertikalen Prozessführung
in die Kettenlinie gebracht wird, bewirken die erhöhten Kettenkräfte eine
Flächenpressung der
dünnen,
abgekühlten
Oberflächenschichten
mit möglichen
Verformungen. Die folgende Entgasungszone (9) mit Oberflächentemperaturen
weit über
dem Schmelzpunkt wirkt auf den hier ja bereits vernetzten Werkstoff
gleichzeitig als Memoryzone mit einer Aktivierung der elastischen
Rückstelleffekte.