OTT, Gerhard (Altdorferstrasse 12, München, 80686, DE)
RUSSOW, Tilmann (Oberländer Strasse 5b, München, 81371, DE)
OTT, Gerhard (Altdorferstrasse 12, München, 80686, DE)
Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Coldbox, die eine Tragstruktur und mindestens ein Verkleidungselement aufweist, wobei
- das Verkleidungselement ein Verkleidungsblech (4) mit vertikalen Versteifungen (2) aufweist, die mit Abstand zum seitlichen Rand (5a, 5b) des
Verkleidungsblechs (4) angeordnet sind,
- eine Berechnung der Statik der Tragstruktur durchgeführt wird
- die Elemente der Tragstruktur gemäß den Ergebnissen der Berechnung dimensioniert werden, - die Tragstruktur aus diesen Elementen aufgebaut und
- das oder die Verkleidungsbleche mit der Tragstruktur verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Statik der Tragstruktur die statischen Eigenschaften des Verkleidungselements für den vertikalen Lastabtrag berücksichtigt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Versteifungen durch vertikale Steifen (2) gebildet werden, die kraftschlüssig mit dem Verkleidungsblech verbunden werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei vertikale Steifen (2) des Verkleidungselements einen Abstand von weniger als
700 mm aufweisen.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleidungselement horizontale Riegel (1a, 1 b) aufweist, die kraftschlüssig mit dem Verkleidungsblech (4) verbunden werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die vertikalen Steifen (2) mindestens teilweise als mit dem Verkleidungsblech (4) verbundene Leisten ausgebildet sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Statik der Tragstruktur das Verkleidungselement für den horizontalen Lastabtrag berücksichtigt wird.
7. Coldbox mit einer Tragstruktur, die horizontale Riegel (1a, 1b) aufweist, mit mindestens einem Verkleidungselement, das mit der Tragstruktur verbunden ist und das ein Verkleidungsblech (4) und vertikalen Steifen (2) aufweist, die kraftschlüssig mit dem Verkleidungsblech (4) verbunden und mit Abstand zum seitlichen Rand (5a, 5b) des Verkleidungsblechs angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei vertikale Steifen des Verkleidungsblechs einen Abstand von weniger als 700 mm aufweisen.
8. Coldbox nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur keine vertikalen Zwischenstützen und/oder keine Diagonalen aufweist.
9. Coldbox nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Aufbau aus Paneelen, wobei jedes Paneel einen Teil der Tragstruktur, insbesondere mindestens je zwei vertikale Randprofile (3) und horizontale Riegel (1a, 1 b), und ein Verkleidungsblech (4) mit vertikalen Steifen (2) aufweist.
10. Coldbox nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Paneel eine größere Ausdehnung in vertikaler als in horizontaler Richtung aufweist, wobei es insbesondere mindestens zweimal, insbesondere mindestens dreimal so hoch wie breit ist.
11. Coldbox-Paneel zur Verwendung in einer Coldbox gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei das Paneel mindestens je zwei vertikale Randprofile (3) und horizontale Riegel (1a, 1b) und ein Verkleidungselement aufweist, das ein Verkleidungsblech (4) und vertikale Steifen (2) , die kraftschlüssig mit dem
Verkleidungsblech (4) verbunden und mit Abstand zum seitlichen Rand (5a, 5b) des Verkleidungsblechs (4) angeordnet sind, aufweist und mindestens zwei vertikale Steifen (2) einen Abstand von weniger als 700 mm aufweisen. |
Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER COLDBOX, COLDBOX UND COLDBOX-PANEEL
Die Erfindung betrifft eine Coldbox und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Eine Coldbox stellt eine Einhausung für Teile einer Tieftemperaturanlage, zum Beispiel einer Tieftemperatur-Luftzerlegungsanlage, dar. Sie weist Seitenwände auf, welche sich senkrecht zur Grundfläche der Einhausung erstrecken.
Eine "Tieftemperaturanlage" weist Betriebstemperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur auf, insbesondere unterhalb von 200 K, zum Beispiel unterhalb von 100 K, insbesondere unterhalb von 75 K. Beispielsweise wird bei der Tieftemperaturzerlegung von Luft die zu zerlegende Einsatzluft abgekühlt und mindestens zu einem Teil verflüssigt. Die Luft wird dann in einer oder mehreren Kolonnen bei Temperaturen von etwa 100 K durch Rektifikation zerlegt.
Zur thermischen Isolierung von Tieftemperaturanlagen werden die kalten Teile, wie zum Beispiel Kolonnen, Apparate, Rohrleitungen oder Ventile, mit einer Einhausung versehen. Die Einhausung mit den zu isolierenden Teilen wird auch als Coldbox bezeichnet. Unter einer Coldbox wird im Folgenden insbesondere eine Ummantelung oder eine Umhüllung verstanden, die geeignet ist, ein oder mehrere Bauteile einer Tieftemperaturanlage aufzunehmen und diese thermisch gegen die Umgebung zu isolieren. Die Einhausung ist entweder selbst thermisch isoliert oder kann mit geeignetem thermischen Isolationsmaterial gefüllt werden.
Die im Folgenden verwendeten Richtungsbezeichnungen "vertikal" und "horizontal" beziehen sich auf die Ausrichtung der Coldbox im Zustand der Endmontage.
Zur Isolation wird die Coldbox üblicherweise mit einem pulverförmigen Isoliermaterial wie zum Beispiel Perlite gefüllt. Alternativ oder zusätzlich kann auf die Wände der Coldbox ein festes Isoliermaterial aufgebracht werden. Bei der Konstruktion der Coldbox sind die äußeren Einwirkungen, wie Wind und eventuelle Erdbeben, sowie innere Einwirkungen, wie das Eigengewicht des Blechmantels, der Einbauten und der Rohrleitungen sowie der Perlite-Isolierung und der Spülgasdruck zu berücksichtigen.
Derartige häufig quaderförmige Einhausungen weisen bisher eine Stahlkonstruktion auf, deren Dach und deren Seitenwände mit Blech verkleidet sind.
Bisher bekannte Coldboxen werden aus einem Skelett als Tragstruktur und
Verkleidungsblechen aufgebaut. Ein bekanntes Skelett besteht aus vertikalen Stützen, horizontalen Riegeln und Diagonalen, die zum Beispiel aus zusammengesetzten, offenen oder geschlossen Profilen, zum Beispiel mit rechteckigem, quadratischem, U-, T-, I- oder L-förmigem Querschnitt, gebildet und vorzugsweise aus Stahl hergestellt sind. Nach dem Aufbau des Skeletts wird die Coldbox mit einem oder mehreren vertikal versteiften Verkleidungsblechen, den "Verkleidungselementen", beplankt und geschlossen. Die Versteifungen können durch mit dem Verkleidungsblech kraftschlüssig verbundene vertikale Steifen oder durch entsprechende Verformung des Verkleidungsblechs mit vertikal verlaufenden Sicken, Kanten oder Wellenbergen gebildet sein; auch eine Kombination der verschiedenen Versteifungsarten ist möglich. Das Verkleidungsblech kann als Glattblech mit Steifen oder als geformtes Blech (Wellblech oder Trapezblech) mit oder ohne Steifen ausgeführt sein.
Neben dem Aufbau des Skeletts auf der Baustelle und der anschließenden Beplankung mittels Verkleidungselementen ist es außerdem bekannt geworden, Teile der Tragstruktur mit Verkleidungselement als Paneele vorzufertigen und die Coldbox dann aus diesen vorgefertigten Paneelen zusammenzusetzen (EP 1520079 B1). Die Erfindung bezieht sich auf beide Formen des Aufbaus einer Coldbox.
Für die Standsicherheit der Coldbox bei Wind und Erdbeben wird das
Verkleidungselement der EP 1520079 B1 nicht oder nur für geringe horizontale Kräfte berücksichtigt. Diese Aufgabe erfüllen die Diagonalen in Kombination mit den vertikalen Stützen und den horizontalen Riegeln der Tragstruktur als Fachwerk.
Die Berechnung der Statik der Coldbox, insbesondere der Tragstruktur, erfolgt durch übliche Methoden, beispielsweise die aus dem Hochbau bekannte Finite-Elemente- Methode. Dabei wird insbesondere der globale Lastabtrag berechnet, der zur Dimensionierung der Elemente des Skeletts dient.
Bei dieser Berechnung wird das Verkleidungsblech nicht (beziehungsweise nur für geringe horizontale Kräfte) zur Aussteifung der Tragstruktur angesetzt, da es sich bei der gegebenen Beanspruchung durch Beulen dem Lastabtrag entzieht. Das Verkleidungsblech nimmt lediglich die lokale Belastung aus Perlite, Spülgasdruck und Windbeanspruchung auf und leitet diese gegebenenfalls in die Versteifungen ab. Solche Versteifungen werden zum Beispiel in Form von Ein- oder Mehrfeldträgern (Steifen) zwischen den Elementen des Stahlskeletts angeordnet. Diese Steifen leiten somit die lokale Beanspruchung in das globale Tragwerk, das Stahlskelett (die Tragstruktur) ab.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine Coldbox zu finden, das besonders kostengünstig ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass bei der Berechnung der Statik der Tragstruktur die statischen Eigenschaften des Verkleidungselements für den vertikalen Lastabtrag berücksichtigt werden.
Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren erlaubt es, das Verkleidungselement sowohl für den lokalen als auch den globalen Lastabtrag zu berücksichtigen. Dadurch können ungenutzte Systemreserven im Verkleidungselement und die
Membrantrageigenschaften des Verkleidungsblechs aktiviert werden. Insgesamt wird die Dimensionierung der Elemente der Tragstruktur der Coldbox optimiert. Die Herstellung der Coldbox wird damit insgesamt kostengünstiger.
Bei einer erfindungsgemäß hergestellten Coldbox wird der Vertikallastabtrag mindestens zum Teil vom ausgesteiften Glattblech des Verkleidungsblechs übernommen. Deshalb können die vertikalen Tragglieder der Tragstruktur, die Stützen, vollständig oder teilweise entfallen. Zusätzlich oder alternativ wird der Horizontallastabtrag ebenfalls vom ausgesteiften Glattblech übernommen, deshalb können die Diagonalen der Tragstruktur entfallen und die Riegel um die entfallende Beanspruchung aus der Aussteifung reduziert werden.
Vorzugsweise werden bei der Herstellung der Coldbox die vertikalen Versteifungen durch vertikale Steifen gebildet, die kraftschlüssig mit dem Verkleidungsblech verbunden werden. Das Grundmaterial des Verkleidungsblechs besteht beispielsweise
aus einem ebenen Blech (Glattblech), insbesondere aus einem Metall wie zum Beispiel Stahl.
Im Rahmen der gemäß Anspruch 1 angewandten Berechnungsmethode hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die vertikalen Steifen mit einem relativ geringen Abstand anzuordnen, indem mindestens zwei vertikale Steifen einen Abstand von weniger als 700 mm aufweisen. Im Allgemeinen werden die vertikalen Steifen in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Steifen wird von der linken Kante der einen zur linken Kante der anderen Steife gemessen.
Außerdem ist es günstig, wenn horizontale Riegel kraftschlüssig mit dem Verkleidungsblech verbunden werden. Die horizontalen Riegel sind Bestandteil der Tragstruktur bezeichnet. Sie weisen einen Abstand auf, der wesentlich größer als der Abstand der vertikalen Steifen ist und beispielsweise ein Mehrfaches, insbesondere mehr als das Dreifache des Abstands der vertikalen Steifen beträgt.
Die Versteifungen können grundsätzlich als Wellungen oder Sickungen in das Grundmaterial des Verkleidungsblechs eingearbeitet oder durch mit dem Grundmaterial kraftschlüssig verbundene Leisten gebildet sein; auch eine Kombination dieser beiden Versteifungsmethoden ist möglich. Die Leisten sind zum Beispiel aus massivem oder profiliertem Metall, insbesondere aus U-, T-, I- und/oder L-förmigen Profilen gebildet und vorzugsweise aus Stahl hergestellt.
Vorzugsweise wird bei der Berechnung der Statik der Tragstruktur das Verkleidungsblech nicht nur für den vertikalen, sondern auch für den horizontalen Lastabtrag berücksichtigt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Coldbox gemäß den Patentansprüchen 7 bis 10 und ein Coldbox-Paneel gemäß dem Anspruch 11.
In einer bevorzugten Ausfürhungsform der erfindungsgemäßen Coldbox weist die Tragstruktur keine vertikalen Zwischenstützen und/oder keine Diagonalen auf. Unter "Zwischenstützen" werden hier vertikale Stützen verstanden, die nicht an einer Ecke der Coldbox angeordnet sind. In vielen Fällen (insbesondere auch bei der Anwendung
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auf nicht-eckige, zum Beispiel runde, Coldboxen) kann auf die Verwendung vertikaler Stützen insgesamt verzichtet werden.
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Die Zeichnung zeigt eine quaderförmige Coldbox ohne Deckel. Falls die Coldbox entsprechend hohe Anlagenteile umschließen soll, können mehrere solcher quaderförmigen Boxen übereinander angeordnet sein, mit oder ohne Zwischenebenen.
Grundelemente der Coldbox sind horizontale Riegel 1a, 1b, vertikale Steifen 2, vertikale Eckprofile 3 und Verkleidungsbleche 4. Die Riegel 1a sind als I-Profile, die Riegel 1b als U-Profile ausgebildet. Die vertikalen Steifen 2 sind auf ihrer gesamten Länge kraftschlüssig mit dem entsprechenden Verkleidungsblech verbunden, insbesondere durch eine Schweißverbindung. Sie sind als L-Profile ausgebildet und weisen einen Abstand von 620 mm auf (gemessen von der linken Kante einer Steife zur linken Kante der benachbarten). Außerdem sind sie mit Abstand zum seitlichen Rand (links bzw. rechts in Zeichnung) des Verkleidungsblechs angeordnet. Ein "Verkleidungselement" wird in dem Beispiel durch je ein Verkleidungsblech und die mit ihm verbundenen vertikalen Steifen gebildet.
In dem Beispiel ist die Coldbox aus insgesamt zwölf Paneelen aufgebaut, die alle eine Höhe von 12.000 mm aufweisen. Acht davon sind 3000 mm breit, die übrigen vier 2200 mm. Ab oberen und unteren Rand und an zwei Zwischenstellen sind horizontale Riegel über die gesamte Breite jedes Paneels eingebaut.
Der vertikale Wandstoß 5a, 5b der Paneele wird als geschweißter Stumpfstoß ausgebildet. Der vertikale Eckstoß der Paneele wird mittels eines Profilstoßes (U- förmige Eckprofile 3) realisiert, welcher einem Paneel zugeordnet wird. Die U-förmigen Eckprofile stellen in dem Beispiel die vertieklen Stützen der Tragstruktur darstellen; im Rahmen der Erfindung können vertikale Stützen aber auch vollständig entfallen. Der horizontale Stoß der Paneele (in der Zeichnung lediglich als oberer Rand dargestellt) besteht aus zwei miteinander zu verbindenden Profilen, die verschweißt werden. Alternativ können die Profile auch miteinander verschraubt werden.
Die Coldbox und die Paneele des Ausführungsbeispiels weisen neben den Riegeln, der Abstand ein Mehrfaches des Abstandes der vertikalen Steifen beträgt, keine horizontalen Steifen und keine Diagonalen auf. Ihre "Tragstruktur" wird in dem Beispiel durch die horizontalen Riegel 1a, 1 b und durch die vertikalen Eckprofile 3 gebildet.