Kryotank-Isolierung: Vakuumperlit im Vergleich zur Mehrschichtisolierung

Die Isolierung eines Kryotanks kombiniert ein Hochvakuum im Ringraum mit einem Füllstoff, der Wärmestrahlung blockiert. Verbreitet sind zwei Systeme: Vakuumperlit, eine körnige Schüttung vor allem für größere ortsfeste Tanks, und Mehrschichtisolierung (MLI), eine gewickelte Reflexionsmatte für geringen Wärmeeintrag und niedriges Leergewicht.

Beide Systeme sind auf das Vakuum angewiesen. Ohne Vakuum funktioniert keines von beiden. Die Wahl zwischen ihnen wirkt sich auf die Abdampfrate, das Leergewicht, die Breite des Ringraums, die Kosten und den Reparaturweg nach einem Vakuumverlust aus.

Dieser Beitrag erläutert kurz die physikalischen Grundlagen und vergleicht beide Systeme in den Punkten, die eine Beschaffung beeinflussen. Dazu gehört auch, warum die Isolierungsart eine der ersten Fragen ist, wenn zwei gebrauchte Tanks mit gleichem Volumen zu unterschiedlichen Preisen angeboten werden.

Wie funktioniert die Isolierung eines Kryotanks?

Wärme erreicht die kryogene Flüssigkeit auf drei Wegen, und ein Isoliersystem für Kryotanks muss alle drei beherrschen.

• Gasleitung und Konvektion: Wärme, die von Gasmolekülen im Ringraum zwischen kaltem Innenbehälter und warmem Außenmantel übertragen wird
• Wärmestrahlung: Infrarotenergie, die der warme Außenmantel abgibt und der kalte Innenbehälter aufnimmt, ganz ohne Übertragungsmedium
• Festkörperleitung: Wärme entlang der Stützen, die den Innenbehälter tragen, und entlang der Rohrleitungen, die den Mantel durchdringen

Das Evakuieren des Ringraums beseitigt nahezu die gesamte Gasleitung und Konvektion. Das ist der größte Einzelgewinn und der Grund, warum jeder moderne Kryotank vakuumisoliert ist. Ein Vakuum ändert jedoch nichts an der Wärmestrahlung und nichts an den Stützen. Deshalb wird der Ringraum zusätzlich mit einem strahlungshemmenden Material gefüllt oder umwickelt, und die Stützen bestehen aus schlecht leitenden Werkstoffen mit langen Wärmewegen.

Da das gesamte System vom Bestand des Vakuums abhängt, enthalten sowohl Perlit- als auch MLI-Tanks ein Adsorbens im Ringraum, häufig ein Molekularsieb oder Aktivkohle. Es bindet Gas, das über Jahre aus den Metalloberflächen ausgast. Eine Vakuummessung sollte dennoch alle 6 bis 12 Monate erfolgen.

Was ist Vakuumperlit-Isolierung?

Perlit ist expandiertes vulkanisches Glas, das zu einem leichten körnigen Pulver verarbeitet wird. Der Ringraum wird damit gefüllt und anschließend evakuiert. Die Partikel streuen und absorbieren die Wärmestrahlung über den Spalt hinweg, und ohne Gas besteht zwischen ihnen kaum ein Leitungspfad.

Kaufmännisch relevante Eigenschaften:

• Geringere Material- und Lohnkosten als ein gewickeltes MLI-System, besonders bei großen Behältern
• Robust und tolerant gegenüber kleinen Ausführungsmängeln beim Einbau
• Benötigt einen breiteren Ringraum für einen bestimmten Wärmeeintrag, was den Außendurchmesser und die Aufstellfläche vergrößert
• Höheres Gewicht, sowohl durch das Perlit selbst als auch durch den größeren Außenmantel
• Kann sich mit der Zeit setzen und verdichten, vor allem bei Behältern, die transportiert oder Vibrationen ausgesetzt werden

Das Setzen ist die praktische Schwachstelle. Verdichtet sich das Perlit, kann sich am oberen Ende des Ringraums ein Hohlraum bilden, der örtlich zu einem höheren Wärmeeintrag führt, während das verdichtete Material weiter unten den Innenbehälter belastet. Behälter, die zwischen Standorten bewegt werden, sind davon stärker betroffen. Das ist ein Grund dafür, dass Perlit bei ortsfesten Tanks Standard ist und bei Straßentransportgeräten kaum vorkommt.

Geht das Vakuum verloren und dringt feuchte Luft ein, nimmt das Perlit Wasser auf.

Was ist Mehrschichtisolierung (MLI)?

Die Mehrschichtisolierung, meist MLI oder Superisolierung genannt, ist eine gewickelte Matte. Dünne Reflexionsfolien, üblicherweise aluminiumbedampftes Polyester, wechseln sich mit einem schlecht leitenden Abstandsmaterial wie Glaspapier oder einem feinen Netz ab. Die Matte wird um den Innenbehälter gewickelt, bevor der Außenmantel geschlossen und der Raum evakuiert wird.

Die Reflexionslagen wirken unmittelbar gegen die Wärmestrahlung. Jede Lage reflektiert den größten Teil der einfallenden Infrarotenergie und liegt auf einem tieferen Temperaturniveau als die darüberliegende, sodass sich das Temperaturgefälle auf viele Stufen verteilt. Das Abstandsmaterial verhindert, dass die Folien einander berühren, denn Kontakt würde eine Wärmebrücke bilden.

Kaufmännisch relevante Eigenschaften:

• Geringerer Wärmeeintrag je Flächeneinheit als Perlit bei gleichem Ringraum
• Deutlich schmalerer Ringraum, was den Außendurchmesser bei gegebenem Innenvolumen verringert
• Erheblich leichter, was im Straßentransport entscheidend ist, weil jedes Kilogramm Leergewicht verlorene Nutzlast bedeutet
• Empfindlicher gegenüber der Ausführungsqualität. Lagendichte, Überlappungen und die Behandlung der Durchführungen verändern das Ergebnis
• Anspruchsvoller im Hinblick auf das Vakuum. Die MLI-Leistung fällt bei nachlassender Vakuumqualität schneller ab als bei Perlit

MLI ist Standard bei kryogenen Sattelaufliegern, ISO-Tankcontainern, MicroBulk-Behältern und kleineren ortsfesten Tanks. Bei großen ortsfesten Behältern ist das Bild uneinheitlich, und einige Hersteller kombinieren beide Verfahren, indem sie den Innenbehälter mit MLI umwickeln und den verbleibenden Raum mit Perlit füllen.

Wie beeinflusst die Isolierungsart die Abdampfrate?

Die Abdampfrate, auch statische Verdampfungsrate genannt, ist der Anteil des Tankinhalts, der pro Tag verdampft, wenn der Tank voll ist und ruht. Moderne ortsfeste Kryotanks liegen je nach Größe und Isolierung in einem Bereich von etwa 0,2 bis 0,6 Prozent pro Tag.

Zwei Faktoren bestimmen, wo ein Tank in diesem Bereich liegt:

• Tankgröße. Ein größerer Behälter hat weniger Oberfläche je Einheit gespeicherten Volumens, sodass dieselbe Isolierqualität einen niedrigeren Prozentwert ergibt. Ein kleiner Tank mit 0,5 Prozent pro Tag und ein großer Tank mit 0,25 Prozent pro Tag können gleich gut isoliert sein
• Isoliersystem und Vakuumqualität. Bei zwei Tanks ähnlicher Größe liefert ein MLI-System mit gutem Vakuum in der Regel den niedrigeren Wert, weil der Strahlungsweg auf schmalerem Raum besser blockiert wird

Ein Prozentwert allein ist deshalb zwischen Angeboten nicht vergleichbar. Fordern Sie den Wert immer zusammen mit dem Behältervolumen, dem Produkt, an dem gemessen wurde, und den Prüfbedingungen an. Unser Beitrag zur Abdampfrate von Kryotanks erklärt, wie die Kennzahl definiert ist, und die verwandte Haltezeit oder normale Verdampfungsrate zeigt, wie lange Produkt stehen kann, bis der Druck den Ansprechdruck des Sicherheitsventils erreicht.

Ein veröffentlichter Abdampfwert beschreibt außerdem einen Tank in gutem Zustand mit intaktem Vakuum. Über ein bestimmtes gebrauchtes Gerät, das auf einem Hof steht, sagt er nichts aus. Das zeigt nur eine Messung oder eine Vakuumablesung.

Wie wirkt sich die Isolierung auf Gewicht, Baugröße und Transport aus?

Bei ortsfesten Tanks zählt das Gewicht bei der Aufstellung. Ein perlitgefüllter Behälter ist bei gleicher Kapazität schwerer und im Durchmesser größer, was Fundament, benötigten Kran und Aufstellfläche betrifft. Auf einer neu erschlossenen Fläche ist das selten entscheidend, bei einer Nachrüstung in einem bestehenden Anlagenbereich manchmal schon.

Bei Transportgeräten fällt die Rechnung anders und deutlich schärfer aus:

• Der Straßentransport ist durch das zulässige Gesamtgewicht begrenzt, sodass das Leergewicht die Nutzlast jeder einzelnen Fahrt über die gesamte Fahrzeuglebensdauer verringert
• Ein schmalerer Ringraum erlaubt mehr Innenvolumen innerhalb der zulässigen Abmessungen des Aufliegers oder der festen Maße eines ISO-Rahmens
• Transportbehälter sind ständigen Vibrationen und Stoßbelastungen ausgesetzt, also genau den Bedingungen, unter denen sich eine körnige Schüttung setzen kann

Deshalb werden kryogene Sattelauflieger, Bobtails und T75 ISO-Tankcontainer mit MLI und nicht mit Perlit gebaut. Das ist eine konstruktive Folge und keine Vorliebe, und es lohnt sich, dies beim Vergleich von kryogenen Straßentankfahrzeugen gegen die Nutzlast zu prüfen.

Welches Isoliersystem lässt sich leichter instand setzen?

Diese Frage stellt sich erst nach einem Vakuumverlust, also genau dann, wenn es teuer wird. Die sichtbaren Symptome sind bei beiden Systemen gleich: Reif oder Schwitzwasser am Außenmantel, steigende Abdampfrate und schnellerer Druckaufbau zwischen zwei Lieferungen.

Wenn das Vakuum langsam nachließ und der Raum trocken blieb

Im günstigsten Fall lässt sich der Raum erneut evakuieren, oft mit Regeneration des Adsorbens durch Erwärmen während des Abpumpens, und die Leistung wird wiederhergestellt. Das gilt für beide Systeme ähnlich und ist das Ergebnis, auf das man hofft, wenn ein Tank frühzeitig auffällt. Unser Beitrag zum Vakuumverlust bei Kryotanks beschreibt, wie sich dieser Zustand entwickelt.

Wenn Luft und Feuchtigkeit in den Ringraum gelangt sind

Hier unterscheiden sich die Systeme. Nasses Perlit muss entfernt und ersetzt werden, das heißt Mantel öffnen, Schüttung absaugen, Material erneuern, wieder befüllen und erneut evakuieren. Es ist eine Werkstattarbeit mit erheblichem Lohnanteil, doch das Material selbst ist günstig und der Ablauf gut bekannt.

Verunreinigte MLI muss in der Regel abgewickelt und ersetzt werden. Die Materialkosten sind höher, und das erneute Wickeln muss mit der richtigen Lagendichte erfolgen, wozu eine Werkstatt mit regelmäßiger Praxis gehört.

In beiden Fällen muss zuerst die Leckstelle gefunden und repariert werden. Ein erneutes Evakuieren bei ungelöster Undichtigkeit bringt Wochen, keine Jahre.

Warum ist die Isolierung beim Vergleich zweier gebrauchter Kryotanks wichtig?

Zwei gebrauchte Tanks mit gleichem Nennvolumen können sich in den Betriebskosten unterscheiden, und die Isolierung ist einer der Gründe. Produkt, das durch Abdampfen verloren geht, ist Produkt, dessen Verflüssigung und Transport Sie bezahlt haben.

Fragen Sie beim Angebotsvergleich für jedes Gerät Folgendes ab:

• Die vom Originalhersteller angegebene Isolierungsart, nicht die aus der Tankform abgeleitete Vermutung
• Den Auslegungswert für Abdampfrate oder normale Verdampfungsrate, mit Volumen und Produkt, auf die er sich bezieht
• Eine aktuelle Vakuummessung im Ringraum, mit dem Datum der Messung
• Wie oft das Vakuum abgepumpt wurde und ob der Tank je neu isoliert worden ist
• Ob der Mantel aufgetrennt und wieder verschweißt wurde, was auf eine frühere Isolierreparatur hindeutet
• Fotos des Außenmantels bei kühlem, feuchtem Wetter, wenn Reifstellen am besten zu erkennen sind
• Ob die Sicherheitseinrichtung des Ringraums je angesprochen hat, was auf eine frühere Undichtigkeit des Innenbehälters hinweisen würde

Ein Tank mit dokumentierter Vakuummessung und sauberem Mantel ist mehr wert als einer mit niedrigerem Angebotspreis und ohne Daten. Beginnen Sie die Prüfung am Typenschild des Behälters, das Volumen, MAWP und Auslegungscode nennt, und ziehen Sie anschließend die Wartungsdokumentation hinzu.

KAF Cryogenics liefert zertifizierte gebrauchte Kryotanks, die Prüfung, NDT sowie Vakuum- und Druckprüfung durchlaufen haben und mit Dokumentationsmappe und schriftlicher Gewährleistung verkauft werden. Wird ein bestimmtes Isoliersystem oder eine bestimmte Druckklasse benötigt, werden Neubehälter nach Spezifikation gefertigt. Zertifizierte Gebrauchtgeräte können ab Lager in Wochen geliefert werden, während ein Neubau Monate Fertigungszeit erfordert.

Häufig gestellte Fragen

Weiterführende Artikel

• Abdampfrate von Kryotanks
• Haltezeit oder normale Verdampfungsrate
• Vakuumverlust bei Kryotanks
• Typenschild des Behälters
• Wartungsdokumentation
• kryogenen Straßentankfahrzeugen