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Der eckige Isolierbehälter mit CFK-Außenwand verspricht Energieeinsparungen in der Praxis von rund 50 Prozent. (Bildquelle: Giadophoto – Fotolia.com)

Grundlage dieser Produktidee ist die Abkehr von der runden Standardform eines Druckbehälters. Damit einher geht das Ersetzen des Stahls durch Kunststoff, was zu einem um gut 60 Prozent geringeren Gewicht führt. Außerdem geht es darum, die Behälter effektiver zu isolieren, indem ebenes Plattenmaterial aus Aerogel, Vakuumisolierungen etc. zum Einsatz kommt. Geometrische Grundlage eines solchen neuen Behälters ist das Prinzip der Kräfteteilung, das Trennen der radialen und tangentialen Kräfte. Das ermöglichen zwei voneinander unabhängige Wandungen, die äußere besteht aus Kohlefaser-Verbundkunststoff (CFK), die innere aus einem anderen, der Medienverträglichkeit entsprechenden Material wie Metall, einem anderen Kunststoff oder ähnlichem. Zusammen ergeben sie einen doppelwandigen Behälter, dessen äußere Form nicht rund, sondern rechteckig mit flachen Behälterwänden ist. Die Innenwand ist so geformt, dass sie den Innendruck komplett aufnimmt und an den Berührungspunkten mit der Außenwand an diese weitergibt. Die Außenwand nimmt diese Kräfte auf und sorgt durch das Aufnehmen der Zugkräfte für den entsprechenden Gegendruck. Auf diese Weise nimmt die Innenwand die radialen Kräfte auf, die Außenwand die tangentialen. Diese Konstruktion ermöglicht es, beliebige Behältergeometrien zu wählen, seien es Rechtecke, Quadrate, Vierecke, Sechsecke und so weiter – passend zu Einsatzort und -zweck. Ein Nebeneffekt der geraden Behälterwände ist ein besseres Ausnutzen des Volumens: Das Volumen im Bezug auf die Flächennutzung steigt um 20 bis 25 Prozent. Dadurch ist es möglich, den Behälter bei gleichbleibendem Inhalt um etwa 20 Prozent niedriger oder schmaler zu bauen.

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Geometrische Grundlage des Behälters ist das Prinzip der Kräfteteilung, das Trennen der radialen und tangentialen Kräfte. Das ermöglichen zwei voneinander unabhängige Wandungen, die äußere besteht aus Kohlefaser-Verbundkunststoff (CFK), die innere aus einem anderen, der Medienverträglichkeit entsprechenden Material wie Metall oder anderweitiger Kunststoff. (Bildquelle: PHD Technologie)

Die Isolierleistung steigt um das 150-fache

Ein runder Behälter lässt sich mit am Markt erhältlichen Isoliermaterialien nur schwer optimal dämmen. Allein die bekannten Hart- und Weichschäume aus verschiedenen Materialien lassen sich einigermaßen fest und plan an den runden Wänden anlegen. Bei Hartschäumen muss der Anwender vor dem Anbringen die Form des Behälters exakt nachbilden. Bei notwendigen Durchbrüchen, für Leitungs­anschlüsse beispielsweise, führt das zudem oftmals zu Kältebrücken und damit zu Wärmeverlust.

Noch gravierender ist das Isolieren mit Weichschäumen, beispielsweise aus Polyurethan (PU) oder Polyethylen (PE). Durch die Dehnungen des Schaumstoffs ist die Wandstärke der Isolierung am Behälter nicht an allen Stellen gleich dick, sodass sich auch hier große Kältebrücken bilden. Verstärkt wird dieser Effekt auch hier durch den Wärmeverlust an Anschlussdurchbrüchen.

Bei anderen Dämmmaterialien sind die Krümmung der Wandung und vor allem das formschlüssige Anlegen am runden Behälter ebenfalls schwierig. Bei nicht-formschlüssigem Anlegen der Isolierung entsteht aber zwischen Isolierung und Behälterwand ein sogenannter Kamineffekt. Das heißt, in den Zwischenräumen bildet sich Kondenswasser, was die Isolierleistung massiv senkt oder sogar zum großen Teil aufhebt.

Betrachtet man einen angenommenen, optimal isolierten Behälter mit Weichschaum-Isolation mit einer Material­dicke von 200 mm, kommt man auf einen Wärmewert von etwa 0,032 W/m-k. Dieses Ergebnis überbietet auch keine Isolierung aus festem Kunststoff. Eine andere Isolierung ist aus wirtschaftlichen, aber auch aus wärmetechnischen Gründen, nicht einsetzbar. So sind bisher alle Versuche gescheitert, eine hocheffiziente Vakuumisolierung oder ähnliches an einem runden Standardbehälter anzubringen. Sie lässt sich heute technisch bedingt nur in einer ebenen Fläche herstellen – was sich der quaderförmige Behälter zunutze macht.

Zu der Kunststoff-Isolierung des runden Standardbehälters kommt außerdem noch ein Stahlmantel hinzu, der Behälter und Isolierung schützt. Stahl ist aber ein sehr guter Wärme­leiter und somit ein schlechter Isolator, was die effektive Isolierung beeinträchtigt. Im Grunde ist ein Stahlmantel für einen Isolierbehälter daher völlig ungeeignet. Das zeigt eine Gegenüberstellung eines Standard-Stahlbehälters mit einer herkömmlichen Schaumisolierung und dem quaderförmigen Behälter mit geraden Außenwänden und Vakuum-Isolierung:

Runder Behälter mit Stahl­mantel plus PU-Schaum-Isolierung: 47 + 0,032  W/m-k

Quadratischer Behälter aus Kunststoff plus Vakuumisolierung: ­ 0,28 + 0,008 W/m-k

Diese Gegenüberstellung zeigt, dass die Isolierleistung des neuen Behälters um Faktor 150 bis 180 effektiver ist. Unter Berücksichtigung dieser Werte der verschiedenen Materialien lässt sich von einer Energieeinsparung, nur in der Nutzung, von 50 Prozent ausgehen – konservativ gerechnet.

Über den Autor

Hans Dieter Panick

ist Geschäftsführer von PHD Technologie.