DE102004058137B3

DE102004058137B3 - Vorrichtung zum örtlichen Einfrieren von wassergefüllten Rohrleitungen

Info

Publication number: DE102004058137B3
Application number: DE200410058137
Authority: DE
Inventors: Manfred Waltersdorf
Original assignee: Rothenberger AG
Current assignee: Rothenberger AG
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2004-12-02
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2024-12-03

Abstract

Eine Vorrichtung zum örtlichen Einfrieren von wassergefüllten Rohrleitungen (1) aus der Gruppe Heizungsrohre, Abzweigleitungen und Sanitärleitungen mit einer geteilten Kältemanschette (2), durch die die Rohrleitung (1) hindurchführbar ist, besitzt mindestens ein Paar von gegenüberliegenden, radial auf die Rohrleitung (1) ausgerichteten Düsen (26) mit Düsenmündungen für das Anspritzen der Rohrleitung (1) mit flüssigem Kohlendioxid. Zur Lösung der Aufgaben DOLLAR A a) Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid, DOLLAR A b) Ausschaltung oder Verringerung des Ausstoßes an Kohlendioxid, DOLLAR A c) geringere Belastung der Anwender durch das Kohlendioxid, DOLLAR A d) Einsatzmöglichkeit bei Vorlauftemperaturen bis über 100 DEG C, DOLLAR A e) kurze Einfrierzeiten trotz Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid, DOLLAR A f) Erweiterung des Einsatzbereichs bis zu Nennweiten von 54 mm und darüber ist erfindungsgemäß vorgesehen, den Düsenmündungen je einen Stützkragen (24d) vorzulagern, der sich an zwei zur Rohrachse (A) parallelen Stellen (31) auf der Rohrleitung (1) abstützt und einen Hohlraum einschließt, in dessen Boden die Düse (26) einmündet und aus dem das flüssige Kohlendioxid im rechten Winkel zur Rohrachse (A) in zwei entgegengesetzten Strahlen mit zur Rohroberfläche tangentialen Bewegungskomponenten abströmbar ist, und dass das gasförmige Kohlendioxid aus der Kältemanschette abführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum örtlichen Einfrieren von wassergefüllten Rohrleitungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Es handelt sich nicht um das Einfrieren von kalten Pipe-Lines, die eine Länge von tausenden von Kilometern und Durchmesser von 150 cm und darüber haben können, sondern um Rohrleitungen aus der Gruppe Heizungsrohre, Fernwärmeleitungen, Abzweigleitungen und Sanitärleitungen, die in der Regel mit Wasser, teils auch mit heissem Wasser gefüllt sind, durch Ausbildung eines standfesten Eispfropfens, um an den Rohrleitungen Reparaturen, Austausch- und Wartungsarbeiten durchführen zu können. Solche Rohrleitungen haben einen Durchmesser von maximal 25 cm, in der Regel von 1 bis 8 Zoll.
Das früher teilweise übliche Einfrieren durch Kohlenwasserstoffe, die bei Raumtemperatur unter Druck in Druckgasflaschen gehalten werden können und der Rohrleitung durch Verdampfen Wärme entziehen, wurde aus Sicherheitsgründen aufgegeben, weil solche Dämpfe gesundheitsschädlich und brennbar sind und bei mangelnder Entlüftung zu Verpuffungen und Explosionen führen können. Beispiele hierführ sind z.B. Gase, wie sie für Grillgeräte und zum Füllen von Feuerzeugen verwendet werden können, bei denen aber die Verbrennung gewollt ist.
Die seit 1988 eingesetzten Kältemanschetten aus Kunststoff mit Abblasung über kalte Rohroberflächen (20 °C) haben sich bei Einsatz von Kohlendioxid außer bei abgestellten Heizungen in der Praxis nicht bewährt: Sie brachen nach wenigen Einsätzen, hatten einen hohen Verbrauch an Kohlendioxid, belasteten das Arbeitspersonal und waren auf Nennweiten bis DN 32 begrenzt.
Berücksichtigt man das RÖMPP CHEMIE LEXIKON, Band H-L, 1995, Seiten 2278 bis 2281, so findet man ausser den üblichen physikalischen Daten, dass der Mensch Konzentrationen von Kohlendioxid bis 2,5 verträgt, dass aber ab 8–10 % Kopfschmerzen, Schwindel, Blutdruckanstieg und Erregungszustände auftreten und dass darüber mit ernsthaften Gesundheitsschäden wie Lähmung und Tod zu rechnen ist.
Auch bei Fernwärmeleitungen waren nach 1988 bei häufigem Austausch der Kunststoff-Kältemanschetten durch Brüche (nach 10 Einsätzen), ein hoher Verbrauch und eine unzulässige Emission von Kohlendioxid zu beobachten. Der maximale Einsatzbereich lag bei niedrigen Temperaturen und einer Nennweite von DN 32. Eine Wärmezufuhr in der Nähe einer solchen Kältemanschette, z.B. durch Schweissen, war ausgeschlossen.
Für das Einfrieren der besagten Rohrleitungen hat sich auch flüssiger Stickstoff nicht bewährt. Flüssiger Stickstoff hat einen kritischen Druck von 33,83 bar und eine kritische Temperatur von –147,1 °C. Dies besagt, daß flüssiger Stickstoff nur in offenen Isolierbehältern bei Temperaturen unterhalb von –147,1 °C transportiert und gelagert werden kann. Der Transport, die Lagerung und das Umfüllen in die Einfriervorrichtung sind daher kompliziert und kostenintensiv, insbesondere durch Investitions- und Personalkosten. Ohne besondere Maßnahmen ist auch der thermische Wirkungsgrad schlecht.
Durch die EP 0 584 686 B1 ist es bekannt, zum Einfrieren von Rohrleitungen Kohlendioxid und relativ kurze, aus Halbschalen zusammengesetzte Manschetten mit einer einzigen Kammer zu verwenden, die an den Durchführungsöffnungen für die Rohrleitung elastomere Lippendichtungen aufweisen, die sich unter dem Druck des vergasten Kältemittels nach außen verformen, so das das abströmende Kältemittel noch über eine gewisse Wegstrecke über die Oberfläche der Rohrleitung strömt. Obwohl sich dadurch der Wirkungsgrad des Einfriervorgangs, bezogen auf Zeit und Kältemittelverbrauch, verbessert hat, ist die Wirkung begrenzt, weil der Strömungsverlauf des Kältemittels nach Verlassen der Dichtlippen nicht mehr gezielt beeinflußt werden kann. Strömungen der Umgebungsluft, insbesondere beim Arbeiten im Freien, beeinträchtigen die Wirkung des entwichenen Kältemittels. Auf die vorteilhaften Eigenschaften und Wirkungen von Kohlendioxid wird weiter unten noch ausführlich eingegangen.
Durch das DE 88 02 515 U1 ist eine Einfriermanschette für Rohre zum Betrieb mit flüssigem Kohlendioxid bekannt, das die bekannten und extrem giftigen und explosiven Chlorkohlenwasserstoffe ersetzen soll. In einem zweiteiligen Gehäuse ist mittels einer reibungsbehafteten radialen Durchführung eine einzige Lanze mit einer stirnseitigen Öffnung, einer feinen Düsenmündung, gelagert, die auf dem Rohr aufsitzt und einen Durchmesser zwischen 0,5 und 1,0 mm besitzt. Dadurch soll es möglich sein, zum Wärmeentzug entlang des Rohres einen Kohlendioxidfilm zu erzeugen, der teils flüssig, teils gasförmig strömt. Ferner sollen kürzere Vereisungszeiten und geringerer Kohlendioxidverbrauch erzielt werden. Kohlensäureschnee, der sich am Aussenumfang des Gehäuses bildet, soll dabei eine Wärmeisolation bewirken. Es wird eingeräumt, dass das Gehäuse nicht dicht ist. Ausserdem besteht die nicht angesprochene Gefahr, dass die Lanze mit der Düse unter dem hohen Innendruck in der Manschette gegen die Reibungskräfte nach aussen verschoben wird, so dass sich das Anström- und Verteilungsmuster des Kohlendioxids verändert.
Der nachstehend genannte Stand der Technik bezieht sich teilweise auf das gattungsfremde Einfrieren von Wasser in Pipe-Lines mit einem anderen Kältemittel, nämlich flüssigem Stickstoff:
Durch die US 4 112 706 ist eine völlig gattungsfremde Vorrichtung für Druckprüfungen an Pipelines mit einem Durchmesser von beispielsweise 60 Zoll (ca. 150 cm) bekannt. Solche Pipelines führen Öl und besitzen in Abständen Schleusen, durch die Rohrmolche entsprechenden Durchmessers eingeführt werden können. Zwischen jeweils zwei Rohrmolchen wird Wasser eingefüllt, das durch eine riesige Kältemanschette und flüssigen Stickstoff eingefroren wird.
In diesem Fall wird flüssiger Stickstoff als Kältemittel durch eine Pumpe in die Manschette eingeleitet und durch Blasen gleichzeitig eingeleiteten gasförmigen Stickstoffs in Bewegung gehalten.
Bei Stickstoff muss man sich wegen der kritschen Temperatur von minus 147 Grad Celsius vor Augen halten, dass der Stickstoff – im Gegensatz zu flüssigem Kohlendioxid – weder im Vorratsgefäss noch in der Manschette auch bei noch so druckfester Ausbildung des Systems oberhalb dieser kritischen Temperatur flüssig gehalten werden kann. Eine Flüssighaltung von Stickstoff ist also nur über begrenzte Zeit und durch extrem wirksame Wärmedämmung in Thermosgefässen möglich, wobei in Betriebspausen dennoch durch laufendes Sieden des Stickstoffs eine bestimmte Menge davon in Dampfform entweicht und entweichen muss. Der Mengenbedarf an Stickstoff ist daher schon wegen des grossen Rohrdurchmessers von 1,5 Metern, verbunden mit hohem Wärmetransport, riesig, und weder dieser Stickstoffbedarf noch die Apparatur hierfür sind für einen Handwerksbetrieb erschwinglich. Hinzu kommt der vorübergehende und lokal durch Rohrmolche begrenzte Austausch des nicht einfrierbaren petrochemischen Inhalts (Kohlenwasserstoffe, Rohöl, Petroleum, Kerosin, und Benzin, Erdgas) der Pipe-Line durch Wasser.
Gegen eine Direktanströmung der Pipe-Line spricht auch, dass zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades zwei Massnahmen vorgesehen sind: Einmal soll die Pipeline vor dem Schliessen der Manschette bevorzugt mit einem saugfähigen Material umgeben werden, zum andern kann der Stickstoff auch an den Enden der Manschette durch die radialen Dichtungen austreten und über die Pipe-Line strömen, um diese zusätzlich zu kühlen. Hierbei tritt aber unvermeidbar auch flüssiger Stickstoff mit aus, der dann für Kühlzwecke nicht mehr zu Verfügung steht, aber eine tödliche Gefahr durch Ersticken bildet. Nach dem Schliessen der Manschette wird diese noch mit einer wirksamen Wärmedämmung umgeben, was den zeitlichen und konstruktiven Aufwand weiter vergrössert.
Der bauliche Aufwand ist also beträchtlich und für das Einfrieren häuslicher Rohrleitungen mit geringen Durchmessern weder vorgesehen noch geeignet. Auch in diesem Falle gilt: Bei Heizungs- und Fernwärmeleitungen mit engen Rohrbögen können solche Rohrmolche nicht eingesetzt werden, zumal es auch an Schleusen hierfür fehlt. Solche komplexen und voluminösen Vorrichtungen sind beispielsweise als "Handwerkergepäck" weder vorgesehen noch geeignet und auch umständlich zu montieren und zu demontieren, wonach der Eispfropfen bzw. das Wasser und die beiden Rohrmolche wieder entfernt und der restliche Stickstoff wieder in den Thermosbehälter zurückgeführt werden müssen.
Die gesamte Arbeitsdauer ist mit etwa 3,5 Stunden angegeben, und das bei Temperaturen von minus 147 Grad und darunter. Nimmt man die 6 als massstäblich, so hat die komplette Manschette mit Ihrer Umhüllung einen Durchmesser von 4,20 m, ist also für einen Einsatz im Gebäudebereich oder in einer normalen Grube in bewohnten Gebieten völlig ungeeignet.
Durch die nächstkommende EP 1 273 845 A1 ist es bekannt, zum lokalen Einfrieren von ggf. mit Heisswasser gefüllten Rohrleitungen durch flüssiges Kohlendioxid, Kältemanschetten mit mehreren Wänden zu versehen, die Spalte oder Nuten gegenüber der Rohrleitung frei lassen, damit das bereits verdampfte Kohlendioxid die äussere Rohroberfläche auch nach dem Verlassen der Kältemanschette überstreicht und der Rohrleitung weitere Wärme zum Einfrieren des Wassers entzieht. Die Wünsche haben sich jedoch nur teilweise erfüllt: Zur Bildung eines Verschlussstopfens in einer Leitung mit einem Nenndurchmesser von einem Zoll mit Wasser von ursprünglich 96°C verging eine Zeit von 18 Minuten bei einem Verbrauch von 30 kg flüssigem Kohlendioxid aus Transportflaschen. Bei einer Leitung mit einem Nenndurchmesser von zwei Zoll betrug die Einfrierzeit 68 Minuten beim einem Verbrauch von 130 kg flüssigem Kohlendioxid. Ein wesentlicher Nachteil bestand darin, dass die verdampfte Menge an Kohlendioxid an die Arbeitsumgebung entwich und sich in Räumen mit geschlossenen Fenstern oder hohem Fensterniveau ansammelte, weil die Dichte des gasförmigen Kohlendioxids grösser ist als die Dichte von Luft (der sogenannte "Weinkeller-Effekt). Kohlendioxid und Stickstoff sind zwar nicht giftig, können aber Personen ersticken.
Der Erfindung liegen daher folgende Aufgaben zugrunde:

a) Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid,
b) Ausschaltung oder Verringerung des Ausstosses an Kohlendioxid,
c) geringere Belastung der Anwender durch das Kohlendioxid,
d) Einsatzmöglichkeit bei Vorlauftemperturen bis über 100 °C,
e) kurze Einfrierzeiten trotz Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid,
f) Erweiterung des Einsatzbereichs bis zu Nennweiten von 54 mm und darüber.

Die Lösung der gestellten Aufgaben bzw. Teilaufgaben erfolgt durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1.
Damit werden die gestellten Aufgaben von vollem Umfange gelöst:

a) Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid gegenüber dem Verbrauch bei gleichen Rohrdurchmessern und Vorlauftemperaturen,
b) Ausschaltung oder Verringerung des Ausstosses an Kohlendioxid auf Bruchteile der bisherigen Werte,
c) geringere Belastung der Anwender allenfalls durch Reste austretenden Kohlendioxids,
d) Einsatzmöglichkeit bei Vorlauftemperaturen des Wassers bis über 100 °C,
e) kurze Einfrierzeiten trotz Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid,
f) Erweiterung des Einsatzbereichs bis zu Nennweiten von 54 mm und darüber.

Es lassen sich noch weitere Vorteile erreichen:

g) durch druckfeste Ausbildung der Kältemanschette aus hochfesten Werkstoffen wie Edelstahl, lassen sich praktisch beliebig oft hohe Drücke gegen vorzeitige Verdampfung des flüssigen Kohlendioxids erreichen,
h) Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid gegenüber bisherigen Vergleichswerten,
i) Ausschaltung oder Verringerung des Ausstosses an Kohlendioxid und Ausschaltung einer Erstickungsgefahr für den Anwender,
j) geringere Belastung der Anwender durch das Kohlendioxid,
k) Einsatzmöglichkeit bei Vorlauftemperturen bis über 100 °C,
l) kurze Einfrierzeiten trotz Senkung des Verbrauchs an Kohlendioxid,
m) Erweiterung des Einsatzbereichs bis zu Nennweiten von 54 mm und darüber,
n) Möglichkeiten der Absaugung von Kohlendioxid durch Anschluss von Schläuchen und oder Pumpen,
o) Möglichkeiten zur Verlagerung des Kälteschwerpunktes innerhalb der Kältemanschette und/oder der Rohrleitung durch Ventilsteuerung,
p) Möglichkeit der Durchführung von Schweissarbeiten an der Rohrleitung in der Nähe der Kältemanschette.

Vereinfacht ausgedrückt verursacht die erfindungsgemässe Konstruktion eine genau umgekehrte Strömungsrichtung des Kohlendioxids: Dieses wird zwar nach wie vor auf die Oberfläche der Rohrleitung gespritzt, aber aus einem genau abgegrenzten Volumen zwischen je einer Düse und der Rohrleitung, bildet dort einen fächerförmigen Strahl, dadurch dass durch jeweils zwei sichel- und V-förmige Anordnungen von Spalten flüssiges Kohlendioxid tangential auf die Rohroberfläche gespritzt wird, diese je zweifach tangential weitgehend umströmt und somit noch in flüssigem Zustand einen Grossteil der Wärme durch Verdampfung des Kohlendioxids abführt, wobei mit dem gasförmigen Kohlendioxid völlig innerhalb der Kältemanschette weitere Wärme abgeführt und schliesslich gasförmig aus der Kältemanschette abgesaugt oder abgeführt und an die freie Atmosphäre ausserhalb des Arbeitsraumes geleitet wird, so dass die Kälteleistung erhöht und jede Gefährdung des Anwenders ausgeschaltet wird.
Es ist dabei im Zuge weiterer Ausgestaltungen der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn – entweder einzeln oder in Kombination – .

– zwischen dem Stützkragen und der Oberfläche der Rohrleitung in antiparalleler Anordnung zwei Spalte für den Austritt des Kohlendioxids gebildet sind, die sichel- und keilförmig ausgebildet sind,
– die Düsen auswechselbar in je einen Düsenträger eingesetzt sind, dessen inneres Ende den Stützkragen bildet,
– die Düsen in mindestens zwei Düsenkränzen beiderseits einer radialen Mittenebene der Kältemanschette angeordnet sind und wenn jeder Düsenkranz mindestens zwei Düsen besitzt,
– jeder Düsenkranz mindestens vier Düsen besitzt, die paarweise diametral auf die Rohrleitung ausgerichtet sind,
– die Düsenmündungen einen Abstand von der Rohrleitung aufweisen der zwischen 0,5 und 10 mm, insbesondere zwischen 1,0 und 4,0 mm beträgt und insbesondere einstellbar ist,
– der Austrittsdurchmesser der Düsen zwischen 0,1 und 0,5 mm beträgt,
– die Kältemanschette von beiden Enden her zylindrisch ausgedreht ist und wenn sich zwischen den zylindrischen Bohrungen ein zweiteiliger ringförmiger Steg geringeren Durchmessers befindet, in dem je eine Auslassöffnung für das verdampfte Kohlendioxid angeordnet ist,
– die Kältemanschette im Bereich ihrer Trennfuge mit tangentialen Bohrungen zum gasdichten Verschrauben der beiden Hälften der Kältemanschette versehen ist,
– auf die Enden der Kältemanschette lösbare Hälften von Wänden aufgesetzt sind, deren Innendurchmesser dem Durchmesser der Rohrleitung entspricht,
– die Wände mit Nuten für das Einlegen eines elastomeren Dichtungsmaterials versehen sind, und/oder, wenn
– den Düsen verstellbare Einlassventile vorgeschaltet sind.

Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes und dessen Wirkungsweise und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Radialschnitt durch eine wassergefüllte Rohrleitung und eine Kältemanschette im Achsbereich zweier diametral gegenüber liegender Düsenanordnungen und zweier Verschraubungen der Trennfuge der Kältemanschette sowie einen perspektivischen Ausschnitt aus den dahinter liegenden Teilen der Kältemanschette,
2 eine Draufsicht auf eine Hälfte der Kältemanschette im Bereich der Trennfuge mit einseitig aufgesetzter Wand und einer abgenommenen Wand,
3 einen Ausschnitt aus dem unteren Teil von 1 in vergrössertem Massstab,
4 einen Axialschnitt durch die Rohrleitung und die Kältemanschette im Bereich der Achsen der Düsenanordnungen und der Austrittsöffnungen für das Kohlendioxid und
5 eine grafische Darstellung von Einfriertemperatur im Rohr, an der Aussenwand des Rohres und den additiven Verbrauch an Kohlendioxid über der Zeit (Abszisse).
Die 1 zeigt einen Radialschnitt durch eine wassergefüllte Rohrleitung 1 und eine mit flüssigem Kohlendioxid aus Gasflaschen beaufschlagte Kältemanschette 2 mit einem Mantelteil 2a im Achsbereich zweier diametral gegenüber liegender Düsenanordnungen 3, 4 und zweier Verschraubungen 5 der Trennfuge 6 der Kältemanschette 2 sowie einen perspektivischen Ausschnitt aus den dahinter liegenden Teilen der Kältemanschette 2.
Unter dem Begriff Kältemanschette wird jede Raumform eines teilbaren Hohlkörpers verstanden, der einen Zwischenraum 7 gegenüber der Rohrleitung frei lässt und an beiden Enden mit geteilten Wänden 8 und 9 und halbkreisförmigen Ausnehmungen 8a und 9a versehen ist, die auf dem Umfang so dicht wie möglich an der Rohrleitung 1 anliegen, um Gasaustritte in den Arbeitsbereich – ggf unter Verwendung von Dichtungsmaterial - so weit wie möglich zu verhindern.
2 zeigt eine Draufsicht auf eine Hälfte der Kältemanschette 2 im Bereich der Trennfuge 6 mit einer einseitig aufgesetzten Wand 8 und einer abgenommenen Wand 9. Die andere, aufzusetzende Hälfte der Kältemanschette ist identisch oder analog ausgebildet. Die Rohrleitung 1 ist durch gestrichelte Linien angedeutet. Die Trennfuge 6 ist im Bereich des Mantelteils 2a von sechs Bohrungen 10 durchsetzt, die in einer Hälfte der Kältemanschette als Durchgangsbohrungen und in der anderen Hälfte als Gewindebohrungen ausgeführt sind (siehe 1).
Die auswechselbaren Wände 8 und 9 bestehen aus je zwei Halbringen mit L-förmigem radialem Querschnitt, von denen die achsparallelen Schenkel 11 das jeweilige Ende des Mantelteils 2a der Kältemanschette 2 übergreifen und die radialen Schenkel 12 mit ihren Innendurchmessern 13 von beispielhhaft 60 mm dem Durchmesser der Rohrleitung 1 angepasst sind. Zum Einlegen von Dichtungsmaterial sind jeweils Umfangsnuten 14 vorgesehen. Von Bedeutung ist hierbei, dass – bei Betrachtung der geschlossenen Kältemanschette 2 – von den Enden des Mantelteils 2a zylindrische Bohrungen 15 und 16 ausgehen, die vor einem ringförmigen bzw. halbringförmigen Steg 17 enden, der einen grösseren Durchmesser hat als die Rohrleitung 1. Die Zylinderform der Bohrungen 15 und 16 hat gegenüber U-förmigen Einstichen die Vorteile leichterer Herstellbarkeit und grösserer Präzision.
Dadurch werden auf dem Umfang der Rohrleitung 1 zwei Kammern 18 und 19 gebildet, in die mittels Gewindeverbindungen verstellbar senkrecht zur Trennfuge 6 je zwei Düsenanordnungen 20 und 21 einmünden, von denen hier jeweils nur eine sichtbar ist. In den Stegen 17 ist auf gegenüber liegenden Seiten je eine Auslassöffnung 22 mit einem Innengewinde angeordnet. Die innere Länge "L" der Kältemanschette 2 kann mit etwa 140 mm angegeben werden, die Durchmesser "D" der Bohrungen mit etwa 80 mm, wobei Abweichungen nach unten und oben im Rahmen des Anwendungsbereichs zulässig sind. Die Druckfestigkeit der Kältemanschette 2 und ihrer Verschraubungen 5 reicht bis mindestens 45 bar.
Mit der radialen Verengung auf etwa 70 mm durch die Stege 17 von etwa 25 mm Breite hat es folgende Bewandtnis: Das flüssige Kohlendioxid tritt üblicherweise in radialen Richtungen, also senkrecht zur Zeichenebene, durch die Düsenanordnungen 20 und 21 ein und prallt auf die Rohrleitung 1 auf. Nach dem tangentialen Umströmen und Verdampfen sowie weiterem Wärmeaustausch entweicht das gasförmige Kohlendioxid durch die Auslassöffnungen 22 in den Stegen 17 und daran angeschlossene Schläuche ins Freie (siehe 4), oder wird über einen nicht gezeigten Kompressor in die Gasflasche zurück gepumpt.
Soll nun ein begrenzter Abschnitt einer Rohrleitung 1 zwischen zwei Kältemanschetten 2 durch Einfrieren verschlossen werden, so besteht die Gefahr, dass das zwischen den Einfrierstellen eingeschlossene Wasser durch die wachsenden Eispfropfen unter Druck gesetzt wird. Dem kann dadurch entgegen gewirkt werden, dass jeweils nur die voneinander am weitesten beabstandeten Kammern 18 oder 19 der beiden Kältemanschetten 2 mit flüssigem Kohlendioxid beaufschlagt werden, wodurch eine längere Wassersäule erhalten bleibt.
Die 3 zeigt einen ganz wesentlichen Ausschnitt aus dem unteren Teil von 1 in vergrössertem Massstab. Mittels eines Aussengewindes 23 ist die Düsenanordnung 4 in ein Gegengewinde in der hier nicht gezeigten Kältemanschette 2 eingeschraubt, bis das innere Ende der Düsenanordnung 4 die Oberfläche der Rohrleitung 1 berührt, Die Düsenanordnung 4 enthält einen rotationssymmetrischen Düsenträger 24, der ausser dem Aussengewinde 23 auch ein konzentrisches Innengewinde 25 trägt. In dieses ist eine Düse 26 mit einer engen Düsenmündung 26a von beispielsweise 0,2 mm Durchmesser eingeschraubt, und zwar mittels eines Steckschlüssels und eines Innensechskants 27. Zur Abdichtung ist eine Ringdichtung 28 vorgesehen. Am unteren Ende ist – ausserhalb der Kältemanschette 2 – ein Befestigungsring 29 für ein Einstell- und Absperrventil angeordnet, an das sich eine Zufuhrleitung für flüssiges Kohlendioxid anschliesst, was in 4 gezeigt ist.
Von besonderer Bedeutung sind jedoch hier die konstruktiven Einzelheiten und Vorgänge an den sich rechtwinklig kreuzenden Berührungsstellen zwischen der Rohrleitung 1 und den Düsenanordnungen 3 bzw. 4: Die Düsenmündung 26a ist durch eine Anschlagfläche 24a derart festgelegt, daß vor der Düsenmündung 26a ein Hohlraum 24b gebildet ist, der vorzugsweise zylindrisch ausgebildet ist, einen Boden 24c besitzt und von dem zunächst noch flüssigen Kohlendioxid zentral durchströmt wird. Der Durchmesser des Hohlraums 24b ist vielfach größer als der der Düsenmündung 26a und liegt beispielhaft zwischen 2,5 und 4 mm, vorzugsweise bei 3,2 mm. Das den Hohlraum 24b umgebende Ende des Düsenträgers 24 bildet eine Art Stützkragen 24d.
Je nach Ausbildung der Stirnseite 30 (z.B. Ringfläche oder Kante) liegt der Düsenträger 24 mit zwei Stellen 31 (Linien oder Punkten) an der Rohrleitung 1 an. Dadurch werden auf gegenüber liegenden Seiten zwei sichel- und keilförmige Spalte 32 gebildet, durch die das zunächst noch flüssige Kohlendioxid in tangentialer Richtung zur Rohroberfläche abströmt und hierbei zunehmend verdampft. Auf der diametral gegenüber liegende Seite geschieht das Gleiche.
Die 4 zeigt einen Axialschnitt durch die Rohrleitung 1 und die Kältemanschette 2 im Bereich der Achsen der Düsenanordnungen 3, 4 und der Auslassöffnungen 22 für das jetzt gasförmige Kohlendioxid. Die Auslassöffnungen 22 sind an Rohrstutzen 22a angeschlossen, auf die wiederum hier nicht gezeigt Schläuche aufgeschoben sind, die ggf. an eine nicht gezeigte Saugpumpe angeschlossen sind. Gemäss 2 sind hier zwei Kammern 18 und 19 vorgesehen, zwischen denen der Steg 17 mit den Auslassöffnungen 22 liegt. Die paarweise diametrale Ausrichtung von Düsenanordnungen 3/4 und Auslassöffnungen 22 ist klar erkennbar.
Den Düsenanordnungen 3 und 4 sind Einlass-Ventile 33 vorgeschaltet, die als Absperr- und Regelventile ausgebildet sind und in die Druckstutzen 34 eingeschraubt sind. Diese stehen wiederum mit Druckschläuchen und/oder Verteilerstücken für flüssiges Kohlendioxid in Verbindung, die an Druckgasflaschen oder mindestens einen Kompressor für flüssiges Kohlendioxid angeschlossen sind, was hier nicht näher dargestellt ist. Bei den Druckgasflaschen handelt es sich um tragbare Gasflaschen mit Entnahmeventilen, wie sie im Sanitärgewerbe üblich sind.
Die 5 zeigt eine grafische Darstellung von Einfriertemperaturen im Rohr 1, an der Aussenwand des Rohres 1 und den additiven Verbrauch an flüssigem Kohlendioxid über der Zeit in Minuten (Abszisse). Auf der linken Ordinate sind die Temperaturen in °C aufgetragen, auf der rechten Ordinate der summarischen Kohlendioxid-Verbrauch in Kilogramm. Die Null-Grad-Linie ist strichpunktiert dargestellt.
Die Messungen wurden an einem Stahlrohr mit einer Nennweite von 1 Zoll (= 25.4 mm), einer Umgebungstemperatur von 19 Grad und einer Vorlauftemperatur in der Rohrleitung von anfangs 110 Grad durchgeführt. Die unterste, durchgezogene Kurve 35 zeigt die Einfriertemperatur in der Rohrleitung 1; der Eispunkt wird nach etwa 5 Minuten unterschritten. Die gestrichelte Kurve 36 zeigt die Temperatur an der Aussenwandung der Rohrleitung. Die Eistemperatur wird nach etwa 7 Minuten unterschritten. Die nach oben gerichtete Kurve 37 zeigt den summarischen Verbrauch an flüssigem Kohlendioxid, dessen Zufuhr nach etwa 11 bis 12 min. gedrosselt und nach etwa 40 Minuten abgebrochen werden kann. Der Verbrauch an flüssigem Kohlendioxid beträgt etwa 6 kg. Die Eistemperatur wird erst nach etwa 48 Minuten überschritten. Diese Zeit reicht bei weitem aus, um Reparaturen an der Rohrleitung 1, z.B. das Auswechseln eines Ventils oder Schiebers, vorzunehmen, kann aber durch weitere Zufuhr von Kohlendioxid beliebig verlängert werden.
Es ist zu betonen, dass es hier um einen Wettlauf mit der Zeit geht, dem Wärmezustand in der Rohrleitung von anfangs beispielsweise 110 Grad, der von der Rohrleitung ausgehende Wärmezufuhr durch axiale Wärmeströmungen in der Rohrwand und durch Konvektionsströmungen im Rohrinhalt, durch eine gezielte und effektive Wärmeabfuhr durch die Kältemanschette 2 und das verdampfende Kohlendioxid entgegen zu wirken und dadurch die Wärmeeffekte zu "übertrumpfen", was durch die Erfindung gelungen ist.
Beim Erfindungsgegenstand bilden sich ohne Absenken der Vorlauftemperatur nach 30 Sekunden die ersten Eiskristalle an der inneren Rohrwand und nach 2 Minuten beginnt die Bildung eines Eisstopfens. Bereits nach 5 Minuten hat sich durch Verbrauch von nur 3 kg Kohlendioxid ein Eispropfen von ca. 150 mm Länge gebildet. Im weiteren Verlauf wächst der Froststopfen bis zu einer Länge von mehr als 200 mm, erkennbar an der Bildung von äusserem Raureif. An der Rohrwand werden Temperaturen bis minus 18 Grad gemessen. Vermutet wird, dass sich zwischen der Rohrleitung und der Kältemanschette auch ein Ring aus Trockeneis bildet, der den weiteren Wärmeentzug aus der Rohrleitung unterstützt. Ab diesem Zeitpunkt – nach etwa 11 bis 12 min. – kann die Zufuhr von Kohlendioxid definiert gedrosselt werden, was auch 5 zeigt. Speziell geschultes Fachpersonal ist nicht mehr erforderlich.
Bei ordnungsgemäss abgedichtet montierter Kältemanschette 2 haben die Düsenmündungen einen Abstand von ca. 1,5 mm von der Rohroberfläche. Der als sekundär zu betrachtende Ring aus Kohlendioxidschnee in der Kältemanschette dient im wesentlichen zu Speicherung von Energie und unterstützt die Wirkung des in der Rohrleitung gebildeten Eisstopfens. Dadurch konnte der Verbrauch von Kohlendioxid gegenüber von 18 bis 25 kg auf 4 bis 5 kg gesenkt werden und damit auch die Emissionswerte. Das durch die Leitungen und Schläuche nach aussen geführte Kohlendioxid reduzierte sich entsprechend und konnte wegen seiner Reinheit durch einen Kompressor wieder zu flüssigem Kohlendioxid zurück verwandelt, in eine Druckflasche gepumpt und und erneut im Kreislauf eingesetzt werden. Eine Belastung der Umwelt wurde dadurch vermieden.
Der Aufwand an Mannstunden für den Wechsel eines Schiebers in einer Rohrleitung kann auf rund EURO 200,- geschätzt werden. Würde statt des flüssigen Kohlendioxids flüssiger Stickstoff verwendet, so würden – abgesehen von den nicht mehr erlaubten Emissionsproblemen – Mannstunden in Höhe von EURO 2.000,- entstehen, das ist der zehnfache Wert, und eine Rückgewinnung des Stickstoffs vor Ort ist wegen der physikalischen Grenzwerte unmöglich.
Von einer deutschen Stadtverwaltung wird die Zahl der Einsätze bei relativ neuen Rohrsystemen pro Jahr auf 40 geschätzt. Die Zahl der Einsätze steigt mit dem Alter der Anlagen.
Die Reihenfolge von Montage, Betrieb und Demontage der Kältemanschette 2 ergibt sich aus der bisherigen Beschreibung des Systems.

1: Rohrleitung
2: Kältemanschette
2a: Mantelteil
3: Düsenanordnung
4: Düsenanordnung
5: Verschraubungen
6: Trennfuge
7: Zwischenraum
8: Wand
8a: Ausnehmung
9: Wand
9a: Ausnehmung
10: Bohrungen
11: Schenkel
12: Schenkel
13: Innendurchmessern
14: Umfangsnuten
15: Bohrungen
16: Bohrungen
17: Steg
18: Kammer
19: Kammer
20: Düsenanordnungen
21: Düsenanordnungen
22: Auslassöffnungen
22a: Rohrstützen
23: Aussengewinde
24: Düsenträger
24a: Anschlagfläche
24b: Hohlraum
24c: Boden
24d: Stützkragen
25: Innengewinde
26: Düse
26a: Düsenmündung
27: Innensechskant
28: Ringdichtung
29: Befestigungsring
30: Stirnseite
31: Stellen
32: Spalte
33: Einlass-Ventile
34: Druckstutzen
35: Kurve
36: Kurve
37: Kurve
"L": innere Länge
"D": Durchmesser "
"E": Mittenebene
"X": Abstand

Claims

Vorrichtung zum örtlichen Einfrieren von wassergefüllten Rohrleitungen (1) aus der Gruppe Heizungsrohre, Abzweigleitungen und Sanitärleitungen mit einer geteilten Kältemanschette (2) mit beidendigen Wänden (8, 9) mit Ausnehmungen (8a, 9a), durch die die Rohrleitung (1) hindurch führbar ist, wobei die Kältemanschette (2) mit mindestens einem Paar von gegenüber liegenden, radial auf die Rohrleitung (1) ausgerichteten Düsen (26) mit Düsenmündungen (26a) für das Anspritzen der Rohrleitung (1) mit flüssigem Kohlendioxid versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß den Düsenmündungen (26a) je ein Stützkragen (24d) vorgelagert ist, der sich an zwei zur Rohrachse (A) parallelen Stellen (31) auf der Rohrleitung (1) abstützt und einen Hohlraum (24b) einschließt, in dessen Boden (24c) die Düse (26) einmündet und aus dem das flüssige Kohlendioxid im rechten Winkel zur Rohrachse (A) in zwei entgegen gesetzten Strahlen mit zur Rohroberfläche tangentialen Bewegungskomponenten abströmbar ist und dass das gasförmige Kohlendioxid aus der Kältemanschette abführbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stützkragen (24d) und der Oberfläche der Rohrleitung (1), in antiparalleler Anordnung zwei Spalte (32) für den Austritt des Kohlendioxids gebildet sind, die sichel- und keilförmig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (26) auswechselbar in je einen Düsenträger (24) eingesetzt sind, dessen inneres Ende den Stützkragen (24d) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (26) in mindestens zwei Düsenkränzen beiderseits einer radialen Mittenebene (E-E) der Kältemanschette (2) angeordnet sind und daß jeder Düsenkranz mindestens zwei Düsen (26) besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Düsenkranz mindestens vier Düsen (26) besitzt, die paarweise diametral auf die Rohrleitung (1) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenmündungen (26a) einen Abstand ("X") von der Rohrleitung (1) aufweisen der zwischen 0,5 und 10 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand ("X") zwischen 1,0 und 4,0 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand ("X") einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Austrittsdurchmesser der Düsen zwischen 0,1 und 0,5 mm beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemanschette (2) von beiden Enden her zylindrisch ausgedreht ist und daß sich zwischen den zylindrischen Bohrungen (15, 16) ein zweiteiliger ringförmiger Steg (17) geringeren Durchmessers befindet, in dem je eine Auslassöffnung (22) für das verdampfte Kohlendioxid angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kältemanschette (2) im Bereich ihrer Trennfuge (6) mit tangentialen Bohrungen (10) zum gasdichten Verschrauben der beiden Hälften der Kältemanschette (2) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Enden der Kältemanschette (2) lösbare Hälften von Wänden (8, 9) aufgesetzt sind, deren Innendurchmesser dem Durchmesser der Rohrleitung (1) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Wände (8, 9) mit Nuten (14) für das Einlegen eines elastomeren Dichtungsmaterials versehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß den Düsen (26) verstellbare Einlassventile (33) vorgeschaltet sind.