ПОЛИМЕРНАЯ ТРУБА

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель относится к трубопроводной технике, в частности, к однослойным и многослойным трубам из металла и полиолефинов изготовленных методом экструзии или формования для транспортировки жидких и газообразных сред, для систем отопления, горячего и холодного водоснабжения, газоснабжения, систем подачи сжатого воздуха, технологических трубопроводов, предпочтительно для систем напольного отопления, панельного отопления и кондиционирования, систем снеготаянья и антиобледенения, систем использования геотермального и низкопотенциального тепла, технологических систем теплообмена. Другие области применения включают транспортировку газов, жидкостей сред и суспензий.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Экструдированные из полиолефиновых полимеров однослойные трубы хорошо известны и в большом количестве описаны в литературе (RU 2258719 С2, от 15.01.2001, C08L 23/04, C08F 255/02, С08К 5/54, В29С 47/00, F16L 9/12; RU 2412220 С2, от 28.09.2007, C08L 23/04, F16L 9/12).
Многослойные трубы, в которых по меньшей мере один из слоев состоит из экструдированного полиолефина, также хорошо известны и в большом количестве описаны в литературе (RU 2415333 С2, от 08.08.2006, F16L 59/00, В32В 27/32, В32В 27/06). Многослойные трубы используются, например, в случаях, когда требуется повышенная долговременная прочность при повышенных температурах или необходим барьерный слой, обеспечивающий кислородонепроницаемость. Многослойные трубы могут включать разнородные материалы для различных назначений. Например, предложены многослойные трубы, которые включают слои, образующие диффузионный барьер (RU 2224160 С2 от 05.05.1999, F16L 9/12; WO 2004009356 А1 от 29.01.2004, F16L 9/12; F16L 9/00)
Диффузионный барьер может представлять собой полимерный слой, такой как EVOH (поли(этиленвиниловый спирт)), или металлической слой, который является одновременно диффузионным барьером и упрочняющим слоем.
В последнее время большой популярностью пользуются многослойные трубы, включающие барьерные слои на основе алюминия (RU 88311 U1, от 05.08.2009, В32В 15/08, В29С 47/04, В82В 3/00) При установке систем бытового отопления металлический слой обеспечивает особые и важные преимущества: в частности, при изгибании труб они сохраняют новую конфигурацию, в противоположность пластиковым трубам без металлического барьерного слоя, которые стремятся вернуть свою исходную форму.
Однослойные и многослойные трубы полученные методом экструзии из полиолефиновых полимеров благодаря своим преимуществам заслуженно нашли широкое применение в различных сферах.
Благодаря тому, что полимерные слои труб имеют низкую теплопроводность, однослойные и многослойные полиолефиновые трубы имеют дополнительные преимущества: в системах холодного водоснабжения они не запотевают, а в системах горячего водоснабжения и радиаторного отопления низкая теплопроводность труб снижает потери тепла.
Однако, преимущество низкой теплопроводности этих труб оборачивается существенным недостатком в одних из самых распространенных областях их применения: в напольном отоплении, панельном отоплении и кондиционировании, в системах снеготаянья и антиобледенения, системах использования геотермального и низкопотенциального тепла, и других технологических систем теплообмена. Низкая теплопроводность стенок трубы (около 0,27 вт/м.К) приводит к тому, что температура на внешней поверхности трубы отличается от температуры теплоносителя от единиц до десятков °С. Например, расчетное значение температуры на поверхности металлополимерной трубы 16×2 при температуре носителя 40°С падает на 17%, [1]. Т.е. низкая теплопроводность труб существенно снижает энергоэффективность применения однослойиых и многослойных полиолефиновых труб в качестве теплообменных систем.
Задачей настоящей полезной модели является увеличение теплопроводности однослойных и многослойных полиолефиновых труб, что в свою очередь уменьшит падение температуры на внешней поверхности однослойных и многослойных полиолефиновых труб по отношению к температуры теплоносителя, и при их применении увеличит в целом энергоэффективность систем напольного отопления, панельного отопления и кондиционирования, систем снеготаянья и антиобледенения, систем использования геотермального и низкопотенциального тепла, и других технологических систем теплообмена.
РАСКРЫТИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Поставленная задача решается тем, что с целью увеличения теплопроводности (коэффициента теплопроводности) стенок полимерной трубы, полимерная труба полученная методами экструзии и/или формования, включает в себя по меньшей мере один полимерный слой из полиолефинового полимера содержащий по меньшей мере одну теплопроводящую добавку.
Таким образом, полимерная труба представляет собой полимерную трубу высокой теплопроводности.
Полимерная труба по настоящей полезной модели может представлять собой однослойную трубу.
Полимерная труба по настоящей полезной модели может представлять собой многослойную конструкцию, состоящую из внутреннего полимерного слоя, и наружного барьерного слоя, окружающего внутренний полимерный слой.
Полимерная труба по настоящей полезной модели может представлять собой многослойную конструкцию, состоящую из внутреннего барьерного слоя, и наружного полимерного слоя, окружающего внутренний барьерный слой.
Полимерная труба по настоящей полезной модели может представлять собой многослойную конструкцию, состоящую из не менее одного внутреннего полимерного слоя, барьерного слоя, окружающего не менее одного внутреннего полимерного слоя, и не менее одного наружного полимерного слоя окружающий барьерный слой.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбран полиэтилен, или сополимеры полиэтилена, или полиэтиленовый компаунд.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбран сшитый полиэтилен. В настоящее время сшитый полиэтилен представлен на рынке полиэтиленами с различными видами сшивки: пероксидной, обозначаемой - РЕХ-а; силановой, обозначаемой - РЕХ-b; радиационной, обозначаемой - РЕХ-с, и азотной, обозначаемой - PEX-d.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбран полиэтилен повышенной термостойкости PE-RT (Polyethylene of Raised Temperature resistance), который представлен на рынке полиэтиленами повышенной термостойкости различных типов: тип I, тип II, тип III, и наиболее распространенными марками Dowlex 2344, Dowlex 2388 - производитель Dow Chemical; DX800 - производитель SK Corporation; XP9000 - производитель Daelim; SP980, SP988 - производитель LG Chem; ELTEX TUB220-RT - производитель INEOS.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбран сополимер этилен-октена, или этилен-октена-1.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбран полипропилен, или сополимеры полипропилена, или полипропиленовый компаунд.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбрана композиция полиэтилена и полипропилена.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве полиолефинового полимера может быть выбрана полиолефиновая композиция.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве теплопроводящей добавки, может быть выбран концентрат теплопроводящих добавок в полимерном носителе. Концентрат теплопроводящих добавок в полимерном носителе добавляется перед экструзией и/или формованием в полиолефиновый полимер в количестве от 0,05 до 45 вес.% путем механического смешивания в миксере, или путем предварительной перегрануляции в двухшнековом экструдере, или прямой подачи в экструдер полиолефинового полимера и концентрата теплопроводящих добавок с помощью вакуумных или гравиметрических загрузчиков.
ТМ
Примером концентратов теплопроводящих добавок являются добавки: NemconH РЕ компании Ovation Polymers, CoolPoly E8103 компании Cool Polymers Inc.. Аналогичные теплопроводящие добавки для полиолефинов выпускают и ряд других компаний специализирующихся на производстве добавок для полимеров. В настоящее время на рынке присутствуют концентраты теплопроводящих добавок с широким диапазоном коэффициента теплопроводности от 3 до 100 вт/м.К.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели в качестве теплопроводящей добавки, может быть выбран неорганический дисперсный наполнитель, причем, дисперсный наполнитель выбран из группы, включающей нитрид бора, нитрид алюминия, оксид алюминия, гидроксид алюминия, алюминиевый порошок, алюминиевые волокна, алюминиевые чешуйки, железный порошок, железные волокна, железные чешуйки, медный порошок, медные волокна, медные чешуйки, технический углерод, графит, волокна графита, металлизированные стеклянные волокна, фибру металлов, фибру керамических волокон. Предпочтительно дисперсный наполнитель присутствует полиолефиновом полимере в количестве от 0,05 до 45 вес.%. Дисперсный наполнитель добавляется в полиолефиновые полимер перед экструзией и/или формованием путем смешения в миксере, или подготовкой смеси путем перегрануляции в двухшнековом экструдере, или путем прямой подачи в экструдер полиолефинового полимера и дисперсных наполнителей с помощью вакуумных или гравиметрических загрузчиков, или иным технически реализуемым способом.
В полимерной трубе по настоящей полезной модели теплопроводящая добавка, может представлять собой нанонаполнитель, который присутствует в полиолефиновом полимере в количестве не более 15 вес.%..
Причем, нанонаполнитель может быть получен из группы, включающей: нитрид бора, нитрид алюминия, оксид алюминия, гидроксид алюминия, алюминий, железо, медь, графит, керамика, расслоенные глины, слоистые силикаты.
Причем, нанонаполнитель может содержать графен, фуллерен, углеродные нанотру бочки или нанотру бочки, полученные из синтетических полимеров.
Полиолефиновый полимеры применяемые по настоящей полезной модели могут не содержать стабилизирующих добавок.
Полиолефиновые полимеры, применяемые по настоящей полезной модели, могут содержать по меньшей мере одну стабилизирующую добавку выбранную из группы, включающей: термостабилизатор, антиоксидант, акцептор радикалов, замедлитель старения, светостабилизатор, УФ-стабилизатор, антипирен.
Полиолефиновые полимеры, применяемые по настоящей полезной модели, могут не содержать антибактериальных добавок, ионов антибактериальных металлов, наночастиц антибактериальных металлов.
С целью уменьшения заиливания внутренней поверхности полимерной трубы, улучшения качества транспортируемой воды, уменьшения бактериального загрязнения поверхностей трубы, Полиолефиновые полимеры применяемые по настоящей полезной модели могут содержать по меньшей мере одну антибактериальную добавку, которая является концентратом антибактериальных добавок в полимерном носителе. В настоящее время ряд компаний выпускаю концентраты антибактериальных добавок в полимерном носителе. Примером концентрата антибактериальных добавок в полимерном носителе является добавка CESA-antimicro (производитель Clariant).
Полиолефиновые полимеры применяемые по настоящей полезной модели могут содержать ионы антибактериальных металлов выбранных из группы, включающей: серебро, золото, платину, палладий, иридий, олово, медь, сурьму, висмут, цинк.
Полиолефиновый полимеры применяемые по настоящей полезной модели могут содержать наночастицы полученные из антибактериальных металлов выбранных из группы, включающей: серебро, золото, платину, палладий, иридий, олово, медь, сурьму, висмут, цинк.
Барьерный слой полимерной трубы по настоящей полезной модели может представлять собой полимерный диффузионный барьер.
Барьерный слой полимерной трубы по настоящей полезной модели может представлять собой полимерный слой этиленвинилового спирта. Обычно, полимерный слой этиленвинилового спирта обозначают как EVON или EVAL.
Барьерный слой полимерной трубы по настоящей полезной модели может представлять собой однослойный металлический слой сформированный из металла, выбранного из группы, включающей алюминий, сталь, нержавеющая сталь, медь. Однослойный металлический слой может быть сформирован путем экструзии, электровакуумного напыления, электрохимического осаждения.
Барьерный слой полимерной трубы по настоящей полезной модели может представлять собой однослойный металлический слой выполненный в виде гладкой или гофрированной трубы сформованной из однослойной металлической ленты, и выполненной из металла, выбранного из группы, включающей алюминий, сталь, нержавеющая сталь, медь. Однослойный металлической слой формируют в виде гладкой или гофрированной трубы из однослойной металлической ленты с последующей сваркой ее краев ультразвуком, TIG сваркой, сваркой лазером, или иным технически реализуемым способом сварки.
Барьерный слой полимерной трубы по настоящей полезной модели может представлять собой многослойный металлический слой, причем, многослойный металлический слой может включать по меньшей мере два слоя сплавов одного и того же металла, выбранного из группы, включающей: алюминий, железо, медь; или по меньшей мере два слоя сплавов различных металлов, выбранных из группы, включающей: алюминий, железо, медь. Многослойный металлический слой может быть сформирован путем многослойной экструзии, послойного электровакуумного напыления или электрохимического осаждения.
Барьерный слой полимерной трубы по настоящей полезной модели может представлять собой многослойный металлический слой, выполненный в виде гладкой или гофрированной трубы, причем, многослойный металлический слой может включать по меньшей мере два слоя сплавов одного и того же металла, выбранного из группы, включающей: алюминий, железо, медь; или по меньшей мере два слоя сплавов различных металлов, выбранных из группы, включающей: алюминий, железо, медь. Многослойный металлической слой формируют в виде гладкой или гофрированной трубы из многослойной металлической ленты. Края металлической ленты свариваются ультразвуком, TIG сваркой, сваркой лазером, или иным технически реализуемым способом сварки.
Причем, металлические слои многослойного металлического слоя непосредственно сцеплены друг с другом способами, выбранными из группы, включающей металлургический способ, многослойное литье металлов, плазменное осаждение металлического слоя, электровакуумное напыление, химическое осаждение металла, электрохимическое осаждение металла, склеивание, пайку, сварку, сварку взрывом, прокатку.
Поверхности однослойного или многослойного металлического барьерного слоя могут быть не обработаны путем физической поверхностной модификации, химической поверхностной модификации, наноразмерной модификации поверхности.
По меньшей мере одна поверхность однослойного или многослойного металлического барьерного слоя может быть обработана путем физической поверхностной модификации, при этом поверхностную модификацию выбирают из группы, включающей обработку высоковольтными барьерными разрядами атмосферного давления, плазменную обработку, обработку ультразвуком, электровакуумное напыление, абразивную обработку, абляцию и очистку, или обработана путем химической поверхностной модификации, при этом поверхностную модификацию выбирают из группы, включающей очистку растворителями, очистку химикатами, обработку химическими модификаторами для введения поверхностных функциональных групп, осаждение поверхностных слоев путем плазменного осаждения полимерного слоя, содержащего функциональные группы, осаждение стекловидного слоя, и другие технологии поверхностного покрытия для улучшения его характеристик смачивания.
По меньшей мере на одной поверхности однослойного или многослойного металлического барьерного слоя путем наноразмерной поверхностной модификации может быть сформирован наноразмерный рельеф, и/или нано-субмикроразмерный рельеф, и/или нано-микроразмерный рельеф, и/или периодический наноразмерный рельеф, при этом поверхностную наноразмерную модификацию выбирают из группы включающей: обработку высоковольтными барьерными разрядами атмосферного давления, плазменную обработку, обработку ультразвуком, электровакуумное напыление металлов, химическое травление, электрохимическое травление и другие технологии наноразмерной модификации поверхности для увеличения адгезионной прочности между слоями металла и полимера.
В варианте многослойной конструкции полимерной трубы по настоящей полезной модели слои полимерной трубы могут быть соединены непосредственно друг с другом.
В варианте многослойной конструкции полимерной трубы по настоящей полезной модели не менее одной пары соседних слоев полимерной трубы могут быть соединены адгезивным слоем..
Адгезивный слой по настоящей полезной модели может представлять собой слой адгезива.
Адгезивный слой по настоящей полезной модели может представлять собой смесь полиолефинового полимера с адгезивом, причем полиолефиновый полимер присутствует в количестве не более 90 вес.%.
Адгезивный слой по настоящей полезной модели может представлять собой функциональный полиолефиновый полимер содержащий боковые полярные функциональные группы.
Адгезивный слой по настоящей полезной модели может представлять собой смесь полиолефинового полимера и функционально полиолефинового полимера содержащего боковые полярные функциональные группы, причем полиолефиновый полимера присутствует в количестве не более 90 вес.%.
Адгезивный слой по настоящей полезной модели может представлять собой смесь полиолефинового полимера и неорганического дисперсного наполнителя содержащего боковые полярные функциональные группы.
Технический результат - увеличение теплопроводности однослойных и многослойных полиолефиновых труб, что в свою очередь уменьшит падение температуры на внешней поверхности однослойных и многослойных полиолефиновых труб по отношению к температуры теплоносителя, и при их применении увеличит в целом энергоэффективность систем напольного отопления, панельного отопления и кондиционирования, систем снеготаянья и антиобледенения, систем использования геотермального и низкопотенциального тепла, и других технологических систем теплообмена.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 показана принципиальная схема двухслойной полимерной трубы.
На Фиг.2 показана принципиальная схема многослойной полимерной трубы.
На Фиг.3 иллюстрируется экспериментальная диаграмма, показывающая зависимость падения температуры на наружной стенке многослойной полимерной трубы типа PERT-AL-PERT размером 16×2 мм., от концентрации теплопроводящих полимерных добавок в полимерных слоях трубы.
На Фиг.4 иллюстрируется экспериментальная диаграмма, показывающая зависимость падения температуры на наружной стенке многослойной полимерной трубы типа PERT-AL-PERT размером 16×2 мм., от концентрации теплопроводящих наполнителей в полимерных слоях трубы.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Как показано на Фиг.1 полимерная труба состоит из внутреннего слоя из полиолефинового полимера содержащего по меньшей мере одну теплопроводящую добавку 1, и барьерного слоя 2.
Другой пример осуществления полезной модели показан на Фиг.2, полимерная труба состоит из внутреннего слоя 1 из полиолефинового полимера содержащего по меньшей мере одну теплопроводящую добавку; барьерного слоя 2, наружного слоя 3 из полиолефинового полимера содержащего по меньшей мере одну теплопроводящую добавку; и слоев адгезива 4, 5.
Полимерную трубу получают методом экструзии, и/или формования.
Добавление теплопроводящих добавок, теплопроводящих наполнителей, стабилизирующих и антибактериальных добавок производится перед экструзией и/или формованием путем смешения в миксере, или подготовкой смеси путем перегрануляции в двухшнековом экструдере, или путем прямой подачи в экструдер полиолефинового полимера и дисперсных наполнителей с помощью вакуумных или гравиметрических загрузчиков, или иным технически реализуемым способом.
Проведенные исследования показали, что применение теплопроводящих добавок и теплопроводящих наполнителей позволяет эффективно управлять теплопроводностью полимерной трубы, что приводит к существенному снижению падения температуры на наружной поверхности полимерной трубы по отношению к температуре теплоносителя, что, в свою очередь, значительно повышает энергоэффективность систем напольного отопления, панельного отопления и кондиционирования, систем снеготаянья и антиобледенения, систем использования геотермального и низкопотенциального тепла, и других технологических систем теплообмена.
Устройство работает следующим образом:
Однослойная или многослойная полимерная труба экструдированная и/или сформованная из полиолефинового полимера содержащего по меньшей мере одну теплопроводящую добавку, за счет высокой теплопроводности полученных полимерных слоев позволяет увеличить коэффициент теплопроводности однослойной или многослойной полимерной трубы, по сути, создать однослойную или многослойную трубу высокой теплопроводности, и как следствие, снизить тепловые потери при передаче тепловой энергии от теплоносителя к наружной поверхности полимерной трубы, это приводит к снижению величины падения температуры на наружной стенке, и делает теплообмен более эффективным, что в свою очередь приводит к увеличению общего КПД систем напольного отопления, панельного отопления и кондиционирования, систем снеготаянья и антиобледенения, систем использования геотермального и низкопотенциального тепла, и других технологических систем теплообмена.
Предложенное устройство является промышленно применимыми с помощью существующих технических средств. (Планируется начать серийное производство в 3 кв. 2011 г.)
Специалисту в данной области техники должно быть очевидно, что в настоящей полезной модели возможны разнообразные модификации и изменения. Соответственно, предполагается, что настоящая полезная модель охватывает возможные модификации и изменения, а также их эквиваленты, без отступления от сущности и объема полезной модели, раскрытого в прилагаемой формуле полезной модели.
Литература:
1) СП 41-102-98. Свод правил по проектированию и строительству. Проектирование и монтаж трубопроводов систем отопления с использованием металлополимерных труб. Группа Ж24, ОКС 91.140.10, ОКСТУ 49 3000