МНОГОСЛОЙНАЯ ТРУБА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
MULTI-LAYER PIPE OUT OF COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области композиционных волокнистых материалов и может быть использовано для изготовления трубчатых изделий, в частности многослойных труб для подачи горячей воды в системах централизованного и децентрализованного тепло- и водоснабжения.
В настоящее время становится все более очевидным, что наиболее эффективным путем снижения или ограничения потребления энергии является более эффективное ее использование. В области жилищно-коммунального хозяйства огромные резервы сохранения энергии связаны с возможностью предотвращения ее потери при транспортировании теплоносителей в системе тепло- и водоснабжения. Использование в системах централизованного теплоснабжения стальных или медных труб нерационально, поскольку их транспортировка, обработка, сборка и теплоизоляция остается весьма затратной. Кроме того, проблемы с коррозией, которые часто проявляются в этих трубопроводах, значительно снижают сроки эксплуатации, требуя постоянных ремонтных работ.
Известно, что неметаллические трубы, например, полимерные различных конструкций, успешно заменяют стальные и металлические трубы [см. описание к патенту РФ №2224160, М.кл. F16L 9/12, опубл. 10.12.2002 г.]. Однако наличие проблемы диффузии газов, водяного пара через полимерные материалы ограничивает их функциональные возможности вследствие значительных тепловых потерь.
Известно использование стеклопластиковых труб благодаря их высоким физико-химическим свойствам, так как они обладают большой прочностью, а также такими специфическими свойствами, как негорючесть, коррозионная стойкость, водо- и грибостойкость. Стекловолокно в сочетании с полиэфирными, эпоксидными, фенолформальдегидными и другими смолами позволяет получать материалы, по прочности превосходящие лучшие марки стали, стойкие против различных агрессивных сред, хорошо противостоящие ударным и вибрационным нагрузкам [Малинсон Дж. Применение изделий из стеклопластиков в химических производствах. Пер с англ. / Под ред. В.И.Альперина и С.М.Перлина. - М.: Химия, 1971, 240 с.].
Однако успешное применение труб из стекловолокна (стеклопластика) возможно при дополнительных мерах теплоизоляции труб вследствие недостаточного теплового сопротивления материала трубы, обусловленного относительно малой толщиной стенки.
Известно, что для обеспечения необходимой механической прочности и коррозионной стойкости труба из стеклопластика должна быть многослойной. Типовая структура трубы включает в себя внутренний химически стойкий слой, второй слой, который вместе с первым конструкционным обеспечивает герметичность и химическую стойкость трубы [Малинсон Дж. Применение изделий из стеклопластиков в химических производствах. Пер с англ. / Под ред. В.И.Альперина и С.М.Перлина. - М.: Химия, 1971, 240 с.]. Для обеспечения непроницаемости стенок изделий из композиционно-волокнистых материалов (КВМ), а также повышения влагостойкости композиционно-волокнистых систем (КВС) рекомендуют применять прослойки фольги или эластичного пленочного материала [Цыплаков О.Г. Конструирование изделий из композиционно-волокнистых материалов. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1984, с.91].
Однако предложенные меры для совершенствования конструкции трубы не рассматривали вопросы снижения тепловых потерь, что также ограничивало функциональные возможности композиционно-волокнистых материалов и композиционно-волокнистых систем.
Известна система труб для подачи воды, предпочтительно горячей для централизованного теплоснабжения, центрального отопления и/или водоснабжения, состоящая из многослойной трубы из полимерного материала, теплоизоляции, окружающей многослойную трубу, и наружной оболочки, в которой многослойная труба включает тело трубы предпочтительно из сшитого полиэтилена и барьерный слой из жидкокристаллического полимера [см. описание к патенту РФ №2224160, М.кл. F16L 9/12, опубл. 10.12.2002 г.]. Многослойная труба может включать несколько промежуточных слоев из соединительного материала между телом трубы и барьерным слоем. Система может включать не менее двух многослойных труб, заключенных внутри наружной оболочки.
Описанное выше техническое решение обеспечивает получение труб для горячего водоснабжения, имеющих значительные преимущества по сравнению с металлическими трубами и удовлетворительные характеристики относительно диффузии газов и воды.
Однако прочностные характеристики полимерной составляющей трубы при высоких температурах существенно ухудшаются, что ограничивает срок использования описанной выше системы. Кроме того, такие трубы, в случае применения для теплоснабжения, не защищены от потерь энергии вследствие излучения тепла в окружающую среду.
Наиболее близкой по назначению, технической сущности и достигаемому результату при использовании к заявляемому решению является труба из композиционных материалов, выполненная из армирующих материалов в виде чередующихся монослоев с поперечной и продольной укладкой армирующего материала, пропитанного, например, термореактивным связующим, состоящая из внутреннего и наружного конструкционных слоев, разделенных барьерным слоем [см. патент РФ №2221183, М.кл. F16L 9/12, опубл. 10.01.2004 г.]. Внутренний и наружный конструкционные слои разделены барьерным слоем с повышенным содержанием связующего. Армирующий материал уложен зигзагом, вершины каждой петли зафиксированы прижимными стеклонитями, образуя косослойную продольно поперечную структуру, в которой каждый последующий монослой смещен относительно предыдущего в продольном направлении и по окружности.
Описанное выше техническое решение обладает повышенной герметичностью, прочностью и другими положительными качествами, присущими стеклопластиковым трубам. Однако их использование в системах теплоснабжения ограничено низким тепловым сопротивлением материала трубы, обусловленным относительно малой толщиной стенки.
Поэтому целью заявляемого технического решения является повышение теплового сопротивления стенки многослойной трубы, в частности, из композиционного материала.
Поставленная цель достигается тем, что в известной многослойной трубе из композиционных материалов, выполненной из армирующих материалов в виде чередующихся монослоев с поперечной и продольной укладкой армирующего материала, пропитанного, например, термореактивным связующим, состоящего из внутреннего и наружного конструкционных слоев, разделенных барьерным слоем, согласно изобретению барьерный слой выполнен из слоя теплоизолирующей пены, нанесенной на наружную поверхность внутреннего конструкционного слоя, и дополнительного слоя, расположенного между слоем теплоизолирующей пены и внутренней поверхностью наружного конструкционного слоя, выполненного в виде последовательно уложенных металлических экранов из непрерывных полос, разделенных полимерным материалом.
Согласно изобретению металлические экраны выполнены из металлизированного с двух сторон полимерного композиционного материала.
Согласно изобретению металлические экраны выполнены из ступенчатого металлизированного с двух сторон полимерного композиционного материала.
Согласно изобретению металлические экраны выполнены намоткой металлизированного с двух сторон полимерного материала, при этом каждый следующий слой отделен от предыдущего слоем полимерного композиционного материала.
Согласно изобретению металлические экраны выполнены непрерывной намоткой металлизированного с двух сторон полимерного материала, при этом каждый следующий шаг отделен от предыдущего слоем полимерного композиционного материала.
Согласно изобретению в качестве металлизирующих слоев полимерного материала использованы металлы из ряда алюминий, хром, никель, медь, олово или сплавы на их основе.
Как видно из изложения сущности заявляемого технического решения, оно отличается от прототипа и, следовательно, является новым.
Техническое решение обладает изобретательским уровнем. В основу изобретения поставлена задача улучшения многослойной трубы из композиционного материала, в которой, вследствие выполнения барьерного слоя из слоя теплоизолирующей пены, нанесенной на поверхность внутреннего конструкционного слоя, и дополнительного слоя, расположенного между слоем теплоизолирующей пены и внутренней поверхностью наружного конструкционного слоя, выполненного в виде последовательно уложенных металлических экранов из непрерывных ступенчатых полос, разделенных полимерным материалом, обеспечивается новый технический результат. Он заключается в том, что тепловой поток от внутреннего конструкционного слоя не только тормозится теплоизолирующей пеной вследствие ее низкой теплопроводности, но и «замыкается» внутри изделия вследствие многократного отражения от металлических экранов, между которыми нет зазоров, которые служили бы местом беспрепятственной передачи тепла от слоя к слою и далее к наружному конструкционному слою. Ступенчатый характер слоев обеспечивает локализацию тепла в отдельных ячейках, уменьшая вероятность его потери вследствие наличия локальных градиентов температуры вдоль тепловой сети. За счет этого температура внешней поверхности наружного конструкционного слоя практически остается равной температуре окружающей среды при температуре теплоносителя до 115°C. Таким образом, тепловые потери практически сведены до нуля.
Известно использование теплоизоляции в стеклобазальтопластиковых теплоизолированных трубах, призванной уменьшить потери тепла [см. Грейлих В.И. Стеклобазальтопластиковые теплоизолированные трубы. - Журнал "Сантехника", №6, 2005 г.]. Высокая теплоизолирующая способность конструкции обеспечивает высокий коэффициент полезного действия теплопроводов, что позволяет на 20-30°C снизить потребную температуру теплоносителя на выходе из котла.
Предлагаемое техническое решение принципиально отличается от рассмотренного выше тем, что нагретый до температуры теплоносителя внутренний конструкционный слой сам является источником теплового излучения и в рассмотренном выше случае (Грейлих В.И.) инфракрасное излучение обогревает окружающую среду. В предлагаемом техническом решении лучистая энергия «замыкается» внутри изделия многочисленными, например, алюминиевыми (т.к. у них малая степень черноты) экранами.
Предлагаемое техническое решение промышленно применимо, поскольку может быть использовано для изготовления многослойных труб из композиционных материалов в условиях современного технологичного оборудования, а изделия, изготовленные на основе этого технического решения, могут быть также использованы в самых экстремальных условиях - в судостроении, авиации, ракетной технике, оборудовании нефтехимической и газодобывающей отрасли, в том числе при теплоснабжении в жилищно-коммунальном хозяйстве.
Предлагаемую многослойную трубу из композиционных материалов иллюстрирует чертеж.
Труба из композиционных материалов состоит из внутреннего 1 и наружного конструкционного слоя 2, между которыми расположен барьерный слой, состоящий из слоя теплоизолирующей пены 3 и слоя последовательно уложенных n=5-6 металлических экранов 4, выполненных из непрерывных ступенчатых металлических полос, и расположенного между слоем теплоизолирующей пены и внутренней поверхностью наружного конструкционного слоя. Металлические экраны поочередно разделены слоями полимера или полимерного композиционного материала 5. Металлические экраны могут быть выполнены в виде ступенчатой металлизированной с двух сторон полимерной пленки.
Формирование предлагаемой многослойной трубы из композиционных материалов осуществляют методом непрерывной намотки, аналогичным описанному в книге «Изготовление стеклопластиковых труб» [см. Андреев Г.Я., Шержуков Г.Е., Шевченко В.Я., Дардык Я.И. - Харьков: Изд-во ХГУ, 1964 г., 62 с.].
Как видно из описания сущности заявляемого технического решения, труба, изготовленная на основе предлагаемого технического решения, способна обеспечить перепад температуры от температуры теплоносителя до температуры окружающей среды, то есть минимизировать потери тепла в окружающую среду, что в свою очередь позволит, например, снизить температуру теплоносителя и уменьшить затраты на обогрев, например, в коммунальном хозяйстве.