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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wärme- und Feuchtigkeitsisolierung von Medienrohren mit einem sekundären Polyamidschaum z. B. als Rohrisolationsmaterial.
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Bekannte Verfahren zur Isolation von Rohren basieren auf der Verwendung von Polyurethan (PUR) in Kombination mit Polyethylen. Hierbei kommen verschiedene Techniken zur Anwendung (Fa. Hennecke GmbH, Kundenjournal „Innovations”, Nr. 105), mit welchen die Medienrohre ummantelt werden.
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Beim traditionellen Verfahren werden einzelne Medienrohre mit Abstandshaltern versehen und anschließend ein Mantelrohr aus Polyethylen aufgezogen. In den Hohlraum zwischen Medien- und Mantelrohr, die sich in einer leicht geneigten Ebene befinden, wird daraufhin der PUR-Schaum mit hoher Geschwindigkeit eingetragen, der sich nachfolgend von oben nach unten ausbreitet. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass sich der PUR-Schaum durch die hohe Einspritzgeschwindigkeit und dem langen Fließweg nicht laminar ausbreitet. Es entstehen Turbulenzen, die zur Lunkerbildung sowie Dichteschwankungen im Rohr führen. Auch weichen die Lambda-Werte lokal stark voneinander ab.
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Mit einem kontinuierlichen Verfahren können Rohrisolationen kontinuierlich statt einzeln angefertigt werden. Nach dem Abkühlen werden die Rohre in die gewünschten Längen geschnitten. Bekannte Kontiverfahren sind das Axial-Kontiverfahren, das Spiral-Kontiverfahren sowie die Mischkopfziehtechnik.
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Beim Axial-Kontiverfahren wird das Medienrohr in einer U-förmigen Aluminiumfolie geführt und die Aluminiumfolie mit PUR-Schaum ausgespritzt. Anschließend wird die gefüllte Folie um das Medienrohr gelegt und geschlossen, so dass das Medienrohr mit dem PUR-Schaum ummantelt ist. In einer Kalibriereinrichtung erfolgt die Aushärtung des PUR-Schaums. Abschließend wird das Rohr mit Polyethylen ummantelt.
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Beim Spiral-Kontiverfahren wird der PUR-Schaum gleichmäßig auf aneinander gereihte Medienrohre aufgespritzt, während diese um die eigene Achse rotieren. In einem zweiten Schritt wird ein Polyethylen-Mantel spiralförmig auf das weiterhin rotierende Rohr aufgebracht.
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Bei der Mischkopfziehtechnik wird der PUR-Schaum mit einem Mischkopf in den Hohlraum zwischen einem Medienrohr und einem Mantelrohr eingetragen, wobei der Mischkopf in den Hohlraum eingeführt ist. Der Mischkopf wird durch den Hohlraum gezogen, während dessen er den Hohlraum mit PUR-Schaum ausspritzt.
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Nachteile dieser Verfahren unter Verwendung von Polyurethanschaum sind die niedrige Temperaturbeständigkeit (maximal 130°C) sowie die geringe mechanische Stabilität. Folgen sind eine schnelle Zerstörung der Isolierung und die daraufhin einsetzende Korrosion der Medienrohre. Ist zudem eine Feuchtigkeitsisolierung der Medienrohre erwünscht oder gefordert, so ist der Polyurethanschaum zusätzlich mit einer Polyethylenschicht zu ummanteln. Dies führt zu hohen Produktionskosten.
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Im Einzelnen soll auf folgendem Stand der Technik verwesen werden.
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Aus der
DE 44 05 061 A1 ist ein Verfahren zur Isolierung von Rohren durch Auftragen eines Polyurethan-Hartschaumstoffs als Isolierschicht und gegebenenfalls einer äußeren Deckschicht nach dem Rotationsgießverfahren bekannt. Die äußere Schicht hat eine wärmeisolierende Funktion. Ferner finden Vernetzer Anwendung.
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Die
DE 693 07027 T2 beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Rohr mit einem Verbundwerkstoff umwickelt wird oder auf das Rohr wird der Verbundwerkstoff aufextrudiert.
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Aus der
DE 24 30 985 A1 ist ein Sprühverfahren bekannt, mit dem verschiedene Stoffe, darunter Schäumungsmittel, auf Tanks gesprüht werden, die ein Vlies mit parallel zur Behälterwand orientierten und ansonsten unorientierten Fasern bilden.
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Die
US 3 399 095 A beschreibt ein Verfahren zur Bildung eines röhrenförmigen Gegenstandes mit folgenden Schritten: Bewegung eines Paares von gegenüberliegenden und beabstandeten Deckfolien in eine gemeinsame lineare Richtung unter Bildung eines Spaltes zwischen den Deckfolien, wobei gleichzeitig in den Spalt zwischen den Deckfolien eine Schicht aus einem aufschäumbaren Kunststoffmaterial eingebracht wird, Schäumen des Harzes in situ zwischen den Deckfolien und autogenes Verkleben der Deckfolien, um ein Laminat zu bilden, und spiralförmiges Wickeln des Laminats zu einem endlosen Mantelrohr.
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Weiter ist aus der
DE 2 839 086 A1 ein Stahlrohr bekannt, das eine mehrschichtige Korrosionsschutzummantelung versehen ist.
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Die Korrosionsumwandlung besteht aus einer Schicht Aluminiumfolie, welche auf das Rohr aufgewickelt und durch einen Klebstoff aus Polymeren mit dem Rohr verbunden ist. Weiter ist eine Außenschicht aus temperatur- und hydrolysebeständigen Polymeren aufgebracht.
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In der
DE 17 71 764 B wird ein Verfahren zum Umwandeln eines Stahlrohres beschrieben, bei dem ein thermoplastischer Kunststoff, insbesondere Polyäthylen, in Form eines Folienbandes eingesetzt wird und mittels eines hochviskosen Klebstoffes verklebt wird. Das Folienband und der Klebstoffstreifen werden getrennt voneinander kurz vor dem Aufwickeln auf das Stahlrohr durch Auspressen erzeugt. Das Wickeln erfolgt schraubenlinienförmig.
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In der
US 2005/0281999 A1 wird ein Strukturmaterial beschrieben, das ein poröses Material umfasst, wobei das poröse Material seine größten Abmessungen im Bereich von etwa 0,05 mm bis etwa 60 mm und eine Blasendichte im Bereich von etwa 0,1 kg/m3 bis etwa 1000 kg/m3 aufweist, und ein Polymer, wobei das Polymer eine polymerisierbare Komponente beinhaltet, deren Härtung bei einer Temperatur unter dem Schmelzpunkt des porösen Materials erfolgt und wobei das Polymer eine im wesentlichen feste Matrix aufweist, in die das poröse Material gekapselt ist, wobei Filamente oder andere Vorsprünge des Polymers sich in das poröse Material erstrecken.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Isolierung von Rohren gegen Wärme und Feuchtigkeit anzugeben, mit welchem die Nachteile bekannter Isolationsverfahren für Rohre überwunden werden und welches kostengünstig ist.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Verfahren zur Wärme- und Feuchtigkeitsisolierung von Medienrohren, wobei zur Ausbildung einer wärmeisolierenden Schicht aus Polyamidschaum ein sekundärer heißplastischer Polyamidschaum auf die Manteloberfläche eines um seine Längsachse rotierenden Medienrohres aufgehaspelt wird, der äußere Bereich des Polyamidschaums unter Beibehaltung der Rohrrotation dann durch Erhitzen des äußeren Bereichs des sekundären heißplastischen Polyamidschaums auf seine Schmelztemperatur in eine feuchtigkeitsisolierende monolithische Polyamidschicht umgewandelt und eine solche ausgebildet wird, unter Beibehaltung der Rohrrotation der sekundäre heißplastische Polyamidschaum mit äußerer monolithischer Polyamidschicht dann durch Umwalzen geformt wird und unter Beibehaltung der Rohrrotation der sekundäre heißplastische Polyamidschaum mit äußerer monolithischer Polyamidschicht abgekühlt wird.
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Der sekundäre heißplastische Polyamidschaum wird bevorzugt aus einer Mischung aus Polyamidcordfasern und Gummipulver, wobei die Mischung direkt durch Zerkleinern von Altreifen gewonnen wird, hergestellt. Insbesondere wird der Polyamidschaum unter Verwendung von Altreifengranulat enthaltend Polyamidcordfasern und Gummipulver, die in einem Extruder unter Bildung einer Schmelzmasse einmalig erwärmt werden und gleichzeitig eine thermische Zerlegung, des Gummipulvers in staubfeinen technischen Kohlenstoff und Spaltgas erfolgt, hergestellt. Vorzugsweise ist die thermische Zerlegung eine Pyrolyse.
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Das gebildete Spaltgas dient als Gasporenbildner zum Verschäumen der Schmelzmasse und der technische Kohlenstoff als armierender Füllstoff zur Erhöhung der Festigkeit des Polyamidschaums. Die im Polyamidschaum eingeschlossenen Gasblasen erhöhen die wärmeisolierenden Eigenschaften des Materials.
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Polyamidschäume haben gegenüber den PUR-Schäumen den Vorteil, dass die Festigkeit des Polyamidschaums ungefähr doppelt so hoch ist wie die des PUR-Schaums. Auch weisen sie mit 230°C eine höhere Schmelztemperatur als PUR-Schäume mit einer Schmelztemperatur von ca. 130°C auf, wodurch die Polyamidschäume eine bessere Temperaturbeständigkeit aufweisen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird der sekundäre heißplastische Polyamidschaum mit einem Extruder aufgetragen. Der Kopf des Extruders kann mit Runddüsen ausgestattet sein, mit welchen der sekundäre heißplastische Polyamidschaum in Polyamidschaumrundkabel geformt und anschließend der Polyamidschaum in Form der Polyamidschaumrundkabel auf das Medienrohr aufgetragen wird.
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Die Auftragung sekundären heißplastischen Polyamidschaums kann einlagig erfolgen, wobei der Polyamidschaum spiralförmig aufgehaspelt wird. Insofern der Polyamidschaum in Form von Polyamidschaumrundkabeln aufgetragen wird, besteht eine Lage aus parallel nebeneinander liegenden Polyamidschaumrundkabeln, welche auf Stoß aneinander liegen. Die dadurch zwischen Manteloberfläche des Rohres und Polyamidschaumrundkabeln gebildeten eingeschlossenen luftgefüllten Hohlräume sind beabsichtigt und erhöhen zusätzlich die Wärmedämmwirkung des Isolationsmaterials. Auch können mehrere Lagen sekundären heißplastischen Polyamidschaums übereinander aufgehaspelt werden, so dass durch die Mehrlagenwickelung einerseits die Dicke des Isolationsmaterials erhöht und damit die gewünschten Isolationseigenschaften angepasst, andererseits durch Bildung von weiteren luftgefüllten Hohlräumen zwischen den einzelnen Lagen die Wärmeleitfähigkeit des Polyamidschaums reduziert werden kann, da Luft einen sehr geringen Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aufweist.
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Zur Vermeidung von Bruch oder Sackungen des sekundäre heißplastische Polyamidschaum während des Auftragens auf das Medienrohr ist unterhalb des Polyamidschaums zwischen Extruderkopf und rotierendem Medienrohr ein Luftstromerzeuger eingerichtet, mit welchem ein vertikal aufrechtströmender Luftstrom erzeugt wird, welcher den sekundären heißplastischen Polyamidschaum bodenseitig stützt. Gleichzeitig können mittels des Gebläses auf der Oberfläche des Polyamidschaums bzw. der Polyamidschaumrundkabel anhaftende Feststoffpartikel wie Ruß oder andere feste Bestandteile entfernt werden. Der Volumenstrom und die Temperatur des den Polyamidschaum tragenden Luftstroms werden durch einen Steuerblock, der vorzugsweise im Extruder eingerichtet ist, gesteuert und geregelt. Der Steuerblock kann zusätzlich den Betrieb des Extruders als auch die Rotationsgeschwindigkeit und den Vortrieb des Medienrohres steuern und regeln.
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Die feuchtigkeitsisolierende Schutzschicht wird durch Erhitzen des äußeren Bereichs des sekundären heißplastischen Polyamidschaums auf seine Schmelztemperatur, bei der der sekundäre heißplastische Polyamidschaum in eine monolithische Polyamidschicht umgewandelt und eine solche ausgebildet wird, erreicht. Bei diesem Vorgang werden die Gas- und/oder Luftblasen im Polyamidschaum eliminiert, so dass eine durchgehende Polyamidschicht entsteht, welche feuchtigkeitsabweisende Eigenschaften besitzt. Unterhalb der monolithischen Polyamidschicht in Richtung des Medienrohres schließt der wärmeisolierende Bereich des Polyamidschaums an, welcher nicht geschmolzen wurde und daher weiterhin Gasblasen und/oder Luftblasen aufweist, so dass nach Erhitzen des äußeren Bereiches zwei Schichten mit unterschiedlichen Eigenschaften vorliegen. Die Schichtdicke des monolithischen Polyamids hängt von der Dauer und der Höhe der einwirkenden Temperatur ab und kann durch Wahl der Temperatur und Einwirkzeit entsprechend den gewünschten wärme- und feuchtigkeitsisolierenden Eigenschaften des gesamten Rohrisolationsmaterials eingestellt werden.
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Das Erhitzen des äußeren Bereichs des sekundären heißplastischen Polyamidschaums auf seine Schmelztemperatur kann mit einem gradlinigen Infrarotheizer, Rundinfrarotheizer oder Materialbearbeitungslaser erfolgen, wobei das rotierende Medienrohr beim geradlinigen Infrarotheizer bzw. Materialbearbeitungslaser an diesem vorbeigeführt, beim Rundinfrarotheizer durch diesen hindurch geführt wird.
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Nach Ausbildung einer monolithischen Außenschicht erfolgt die Endfertigung, d. h. die Ausformung dieser Schicht durch Umwalzen bzw. Umpressen mittels Walzen, vorzugsweise mit konkav geformten Walzflächen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein schnelles Erkalten des Polyamidschaums durch Abkühlen des sekundären heißplastischen Polyamidschaums mit äußerer monolithischer Polyamidschicht mit einer geradlinigen Luftgebläsekühlung oder einer ringförmigen Luftgebläsekühlung erreicht.
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Der Polyamidschaum wird aus einer Mischung aus Polyamidcordfasern und Gummipulver, welche aus Altreifen gewonnen werden, hergestellt.
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Jährlich fallen allein in Europa 2,5 Mio. t Abfälle aus Altreifen an. Die Weiterverarbeitung von Altreifenabfällen in dargestellter Form stellt somit eine die Umwelt entlastende Wertstoffgewinnung dar.
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Insbesondere wird der Polyamidschaum unter Verwendung der Mischung aus Polyamidcordfasern und Gummipulver, wobei die Mischung vorzugsweise ein Altreifengranulat ist, wobei die Mischung in einem Extruder unter Bildung einer Schmelzmasse einmalig erwärmt werden, wobei gleichzeitig eine thermische Zerlegung, vorzugsweise eine Pyrolyse, des Gummipulvers in staubfeinen technischen Kohlenstoff und Spaltgas erfolgt und wobei das Spaltgas als Gasporenbildner zum Verschäumen der Schmelzmasse und der technische Kohlenstoff als armierender Füllstoff zur Erhöhung der Festigkeit des Polyamidschaums dient, hergestellt.
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Auch ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zum Ummanteln von Medienrohren mit einer wärme- und feuchtigkeitsisolierenden Schicht hergestellt aus einem sekundären heißplastischen Polyamidschaum, mit einer Transportvorrichtung für Medienrohre, wobei das Medienrohr um seine Längsachse rotierbar ist, d. h. das Medienrohr im Vortrieb um seine Längsachse rotiert. Die Vorrichtung ist mit einem Extruder mit einem Extruderkopf zum Auftragen des sekundären heißplastischen Polyamidschaums auf das Medienrohr ausgestattet. In Transportrichtung des um seine Längsachse rotierbaren Medienrohres befindet sich eine Heizvorrichtung zum Erhitzen des sekundären heißplastischen Polyamidschaums auf seine Schmelztemperatur und einer hinter der Heizvorrichtung eingerichteten Luftgebläsekühlung.
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Vorzugsweise ist zwischen Extruderkopf und Medienrohr ein Luftstromerzeuger zur Erzeugung eines vertikal aufrechtströmenden Luftstroms eingerichtet.
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In einer besonderen Ausführungsform ist der Extruderkopf mit Runddüsen zur Ausformung des sekundären heißplastischen Polyamidschaums in Form von Polyamidschaumrundkabeln ausgestattet. Die Runddüsen sind in einer Reihe horizontal nebeneinander eingerichtet, wodurch die Polyamidschaumrundkabel schlüssige nebeneinander auf das Medienrohr aufgehaspelt werden können.
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Vorteilhaft ist, wenn die Runddüsen in mindestens zwei horizontalen Reihen übereinander eingerichtet sind, wobei die Runddüsen in einer Reihe horizontal nebeneinander angeordnet sind und wobei die Runddüsen einer Reihe versetzt zu den Runddüsen der darunter eingerichteten Reihe von Runddüsen angeordnet sind. Hierdurch können mit einer Rotation des Medienrohres gleichzeitig mehrere Lagen sekundären heißplastischen Polyamidschaums aufgetragen werden. Durch den Versatz der Runddüsen werden zwischen den einzelnen Polyamidschaumrundkabeln luftgefüllte Hohlkammern gesetzt, welche die wärmeisolierenden Eigenschaften der Ummantelung begünstigen.
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Zwischen der Heizvorrichtung zum Erhitzen des sekundären heißplastischen Polyamidschaums auf seine Schmelztemperatur und der Luftgebläsekühlung sind Walzen zur Ausformung der Ummantelung eingerichtet sind, welche im Kontaktbereich zur Polyamidoberfläche konkave Walzenflächen aufweisen können.
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Die Heizvorrichtung kann ein gradliniger Infrarotheizer, Rundinfrarotheizer oder Materialbearbeitungslaser sein. Die Luftgebläsekühlung kann eine gradlinige Luftgebläsekühlung oder eine ringförmige Luftgebläsekühlung sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich ein Ausführungsbeispiel darstellender Figuren näher erläutert. Es zeigt:
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1: schematische Darstellung eines Extruders
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2: schematische Darstellung einer Vorrichtung, mit welcher das Herstellungsverfahren für Rohrisolationen durchführbar ist
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3: schematische Darstellung der wärme- und feuchtigkeitsisolierenden Schicht aus Polyamidschaum.
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Das Medienrohr 1, insbesondere ein Stahlrohr, ist auf einem Stand fixiert. Es können auch mehrere Medienrohre hintereinander dort fixiert sein. In Extruder 2 werden die Rohstoffe für die Herstellung eines Polyamidschaums, welche eine Mischung 3 aus Altreifenabfällen, die in der Hauptsache aus Polyamidcordfasern 4 und Gummipulver 5 bestehen, ist, eingefüllt. Der Kopf des Extruders 6 weist eine Reihe horizontal nebeneinander angeordneten Runddüsen 12 auf, mit welchen Polyamidschaumrundkabel 7 geformt werden. Die Polyamidschaumrundkabel werden um das Medienrohr 1 herum auf die Manteloberfläche des rotierenden Medienrohres 1 spiralförmig aufgehaspelt. Der Vortrieb des Rohres pro Rotation entspricht dabei der Breite des Polyamidschaumrundkabelverbunds 21, so dass eine geschlossene Abdeckung der Manteloberfläche des Medienrohres erfolgt.
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Die wärmeisolierenden Eigenschaften des Polyamidschaummantels 8 werden durch die im Schaum eingeschlossenen Gasblasen 9 sowie durch die luftgefüllten Hohlräume 10 zwischen der Manteloberfläche des Medienrohres 1 und bei mehrlagiger Wickelung von Polyamidschaumrundkabeln 7 durch luftgefüllte Hohlkammern 11 zwischen den Polyamidschaumrundkabeln 7 verstärkt.
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Die feuchtigkeitsisolierende Schicht 17, eine monolithische Polyamidschicht, wird durch Erhitzen des äußeren Bereiches 13 des Polyamidschaums 8 erzeugt. Der auf Schmelztemperatur des Polyamids 14 erhitzte Randbereich 13 wandelt sich daraufhin in einen monolithischen Polyamidbereich um, in dem das Polyamid homogen vorliegt. Zum Erhitzen können entweder Infrarotheizer 15, hier ein Ringinfrarotheizer, oder ein Materialbearbeitungslaser 16 eingesetzt werden. Unterhalb der feuchtigkeitsabweisenden monolithischen Polyamidschicht 17 befindet sich der wärmeisolierende Polyamidschaum 8 mit gas- und luftgefüllten Hohlkammern 9, 10 und 11.
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Durch Umwalzen bzw. Umpressen wird die aus monolithischem und geschäumtem Polyamid bestehende Rohrisolation geformt und fertig gestellt. Die zwei Walzen 18, rechts und links zur Längsachse des Medienrohres, haben konkave Walzenflächen, die im Kontaktbereich zur Polyamidoberfläche in Form eines Negativs dem Rohrquerschnitt angepasst sind.
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Zwischen Extruderkopf 6 und Medienrohr 1 ist ein Luftstromerzeuger 19 eingerichtet, mit welchem ein vertikal aufrechtströmender Luftstrom erzeugt wird, welcher den sekundären heißplastischen Polyamidschaum in Form von Polyamidschaumrundkabeln 7 bodenseitig stützt, so dass Brüche oder Sackungen des Polyamidschaums 7 unterbunden und somit eine gleichmäßige Auftragung des Polyamidschaums 7 auf die Manteloberfläche des Medienrohres 1 gewährleistet wird. Der Volumenstrom und die Temperatur des den Polyamidschaum tragenden Luftstroms werden durch einen Steuerblock 20, der vorzugsweise im Extruder 2 eingerichtet ist, gesteuert und geregelt. Der Steuerblock 20 kann zusätzlich den Betrieb des Extruders 2 als auch die Rotationsgeschwindigkeit, den Gang sowie den Vortrieb des Medienrohres 1 steuern und regeln.
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Ein schnelles Erkalten des auf Polyamid basierenden Isolationsmaterials wird durch Abkühlen des sekundären heißplastischen Polyamidschaums 8 mit äußerer monolithischer Polyamidschicht 17 mit einer ringförmigen Luftgebläsekühlung 22, welche innenseitig mit Ringluftdüsen 23 ausgestattet ist, erreicht. Die Luftgebläsekühlung 22 ist mit dem Steuerblock 19 verbunden und die Kühlung wird mit Steuerblock 19 gesteuert und geregelt.
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Der Ablauf des Verfahrens kann programmgesteuert sein und wird dann vorzugsweise durch Steuerblock 19 kontrolliert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Medienrohr
- 2
- Extruder
- 3
- Mischung
- 4
- Polyamidcordfaser
- 5
- Gummipulver
- 6
- Kopf des Extruders
- 7
- Heißplastische Polyamidschaumrundkabel
- 8
- wärmeisolierende Schicht aus Polyamidschaum
- 9
- Gasblasen
- 10
- luftgefüllte Hohlkammer
- 11
- luftgefüllte Hohlkammer
- 12
- Runddüsen
- 13
- äußeren Bereiches des Polyamidschaums 8
- 14
- geschmolzenes Polyamid
- 15
- Infrarotheizer
- 16
- Materialbearbeitungslaser
- 17
- feuchtigkeitsisolierende monolithische Polyamidschicht
- 18
- Walze
- 19
- Luftstromerzeuger
- 20
- Steuerblock
- 21
- Polyamidschaumrundkabelverbund
- 22
- Luftgebläsekühlung
- 23
- Ringluftdüsen
