БАКТЕРИЦИДНЫЙ ТРУБОПРОВОД

Полезная модель относится к области водоснабжения, а более конкретно - к трубопроводам из полимерных материалов для водоснабжения жилых, промышленных, сельскохозяйственных и иных зданий и сооружений.
В настоящее время при изготовлении трубопроводов для систем водоснабжения жилых, промышленных, сельскохозяйственных, иных зданий и сооружений самого различного назначения широко используются трубы различных конструкций из полимерных материалов.
В процессе эксплуатации изделия из полимеров находятся в контакте с различными бактериями, грибками, водорослями, которые оказывают негативное воздействие на их эксплуатационные, физические и эстетические свойства и даже вызывать деструкцию полимера, что приводит к преждевременному выходу изделия из строя. Известно также (http://kalinaplast.ru/maim/pererabotka/osnovy/destrukciya.html), что биологическая деструкция полимеров вызывается ферментами, выделяемыми микроорганизмами. Взаимодействие микроорганизмов с полимерными материалами может происходить различными путями, в том числе: прямое разрушение, когда микроорганизмы используют полимер или его компоненты в качестве питательной среды; разрушение или изменение внешнего вида под действием продуктов метаболизма микроорганизмов; образование колоний микроорганизмов на поверхности изделия. В большинстве практически важных случаев деструкция - вредный процесс, приводящий к изменению свойств полимеров и даже к разрушению изделий из них. Установлено, что бактерии и грибки могут осаждаться на поверхности полимерных изделий и даже проникать в поверхностный слой. Появление бактерий и (или) грибков на поверхности полимерного изделия можно избежать путем введения антибактериальных добавок.
Известно (см., например, http://plastinfo/mformation/articles/115/) о значительном росте использования различных антибактериальных добавок в полимерах, особенно в медицине и в секторах производства товаров широкого потребления. Основной целью применения антибактериальных добавок в полимерных материалах является снижение количества микробов в массе изделия и на его поверхности.
Известна, например, многослойная металлопластиковая труба (RU №120181; МПК F16L 9/147, В32В 15/08, В32В 2718: 10.09.2012), включающая слой металла, соединенного с внутренним и внешним слоями из полимера с помощью слоев адгезива, отличающаяся тем, что внешний слой выполнен из полимера, экструдированного совместно с концентратом антибактериальной добавки неорганического вещества.
Известно также, что ионы некоторых металлов, в том числе серебра, обладают ярко выраженными бактерицидными свойствами и активно используются в различных областях, например, в медицине, для обработки питьевой воды. Известно несколько методов бактерицидной обработки воды ионами серебра:
- контактный - путем контакта воды с серебряными предметами или посеребренными поверхностями различных материалов (серебряные фильтры, серебряный или посеребренный песок, серебряные изделия) [Моисеев С.В. Новый способ обеззараживания воды серебряным песком, М., 1932];
- растворение в воде различных соединений серебра;
- электрохимическое растворение металлического серебра в ходе электролиза.
Достаточно широко используется на практике электрохимический метод. Так, например, известна установка для обработки воды ионами серебра (RU №2143406, МПК: C02F 1/46; 27.12.1999), включающая электролизер с серебряными электродами, питающий электролизер источник постоянного тока с переключателем полярности электродов, датчик объемного расхода воды, соединенный с источником постоянного тока, а также систему трубопроводов для подачи и отвода воды, дополнительно включает ионометр-корректор, управляемый ион-селективным датчиком ионов серебра, а также блок управления цепью и связанный с ним датчик давления воды.
Недостатками данной установки является сложность изготовления и эксплуатации устройства, необходимость применения дополнительного источника питания, дополнительные затраты электроэнергии.
Другим из известных и широко используемых методов бактерицидной обработки воды является контактный.
Известно устройство для получения серебряной воды (RU №75649; МПК: C02F 1/50; 20.08.2008), основанное на эффекте кавитации, когда насыщенная миллиардами газовых пузырьков вода пропускается через серебряные предметы, и содержащее кавитатор в виде сопла Ловаля, насос, электродвигатель привода его действия, емкость с серебряным фильтром, доливное устройство для подачи воды и приемную емкость, трубопровод, сообщающий средство для насыщения воды газом с насосом.
Недостатками данного устройства является конструктивная и технологическая сложность, дополнительные затраты электроэнергии.
Известен трубопровод питьевого водоснабжения, обладающий бактерицидными и иными оздоравливающими свойствами (RU №58651; МПК:. C02F 1/72, C02F 103/04; 27.11.2006). Трубопровод выполнен из труб, внутри одной из которых располагают, по меньшей мере, одну внутреннюю тонкостенную податливую трубу с зазором относительно внешней толстостенной, жесткой трубы. Этот зазор заполняют газообразной средой, например инертным газом, под давлением, составляющим не менее 1,01 относительно давления, под которым подают по внутренней трубе питьевую воду. При этом на внутреннюю поверхность внутренней тонкостенной податливой трубы (возможно гофрированной) до или после ее изготовления наносят покрытие очень тонким слоем, порой достигающим несколько ангстрем, одним из известных способов, например вакуумным испарением, контактной металлургией, плазменным, пламенным, дуговым распылением, химическим осаждением. В качестве материала покрытия выбирают как металлические, например серебро, цирконий, селен, цинк, так и неметаллические материалы, например йод, фтор, а также сплавы металлов, различные химические соединения, обладающие бактерицидными и/или иными оздоровляющими свойствами. Для трубопровода предусматривают защитные устройства и устройства для наблюдения за оборудованием, а также устройства для управления, сигнализации и наблюдения за перемещением рабочей среды.
Недостатками данного устройства является его сложная конструкция, а, следовательно, и сложность технологии изготовления его элементов, монтажных работ и эксплуатации системы водоснабжения с использованием подобного трубопровода. При этом необходимо применение дополнительных устройств наблюдения за оборудованием, защитных устройств, а также устройств для управления, сигнализации и наблюдения за перемещением рабочей среды. Совокупность указанных недостатков приводит к значительному повышению стоимости работ при осуществлении данного технического решения, что препятствует его практической реализации.
Известны трубы из полимерных материалов, содержащих в качестве добавок к основному полимеру, различные бактерицидные вещества.
Известна антибиотическая труба из полипропилена, полученного многовариантной сополимеризацией (CN 2612858; МПК: F16L-009/00, F16L-009/147; 21.04.2004), представляющая собой многослойную трубу с внутренним антибактериальным слоем.
Известна антибиотическая труба с внутренним слоем, содержащим наносеребро на заданную толщину (KR 20070049450; МПК: F16L 058/02, F16L 058/04; 11.05.2007). Антибиотический слой сформирован на периферийной внутренней поверхности трубы на определенную толщину. Антибиотический слой имеет толщину от 0,2 до 1,5 мм.
Известна антибактериальная труба (CN 201100492; МПК: F16L-009/00, F16l-009/147; 13.08.2008), характеризующаяся тем, что антибактериальный слой Ag-типа сформирован на внутренней стенке PP-R трубы методом экструзии.
Известна также труба антимикробная (RU 85603 U; МПК: F16L 9/12, F16L 11/14; 10.08.2009), характеризующаяся тем, что не менее чем один внутренний слой многослойной трубы из полиолефинов содержит концентрат неорганических активных антимикробных добавок, диспергированных в полимерном носителе. В качестве концентрата может быть использована циркониевая керамика, обогащенная наночастицами или ионами серебра.
Известна полимерная труба (RU 114907 U1; МПК В23В 27/32; 02.06.2011), полученная методами экструзии и/или формования, включающая, по меньшей мере, один полимерный слой, в котором полимер может содержать, по меньшей мере, одну антибактериальную добавку, которая является концентратом антибактериальных добавок в полимерном носителе. Согласно одному из вариантов данной полезной модели полимер может также содержать ионы антибактериальных металлов, выбранных из группы, включающей: серебро, золото, платину, палладий, иридий, олово, медь, сурьму, висмут, цинк. Полимер может содержать также наночастицы, полученные из антибактериальных металлов, выбранных из группы, включающей: серебро, золото, платину, палладий, иридий, олово, медь, сурьму, висмут, цинк.
Известна многослойная труба (RU 118015 U1; МПК: F16L 9/147; 10.07.2012), полученная методом экструзии, и/или пултрузии, и/или формования, в которой, по меньшей мере, один полимерный слой может содержать, по меньшей мере, одну антибактериальную добавку, которая является концентратом антибактериальных добавок в полимерном носителе. Согласно одному из вариантов данной полезной модели полимерный слой может содержать также ионы антибактериальных металлов, выбранные из группы, включающей серебро, золото, платину, палладий, иридий, олово, медь, сурьму, висмут, цинк. Полимерный слой может содержать также наночастицы, полученные из антибактериальных металлов, выбранных из группы, включающей серебро, золото, платину, палладий, иридий, олово, медь, сурьму, висмут, цинк.
Известен выбранный в качестве прототипа трубопровод питьевой воды с антисептическими свойствами из композитного материала (CN 1432753 А; МПК: С08К 003/00, С08К 003/08, F16L 009/14; 30.07.2003), содержащий трубу и внутренний слой, уложенный на прокладку из армирующего материала, которые связываются адгезивом. Адгезив выполнен из смеси, включающей 100 весовых частей смолы, 0,5-15 весовых частей антисептического порошка из наноразмерных частиц серебра, 1-3 весовых частей консерванта и 2-6 весовых частей промотора.
Трубы, изготовленные из полимерных материалов, содержащих антибактериальные добавки, как заявлено авторами перечисленных изобретений и полезных моделей, обладают эффективными и долговременным бактерицидными свойствами, и их применение для изготовления трубопроводов водоснабжения позволяет повысить срок службы трубопроводов за счет замедления или предотвращения биологической деструкции материала полимерных труб, улучшить качество транспортируемой по трубопроводу воды за счет снижения количества содержащихся в ней бактерий. При этом не учитываются несколько существенных обстоятельств. С одной стороны, скорость движения воды в реальных трубопроводах постоянно изменяется. При этом, как известно (см. например, Кононов. А.А. «Образовательный курс по гидравлике и гидропневмоприводу. Основы гидравлики»; http://gidravl.narod.ru), что только в тонком пристенном (непосредственно у внутренней поверхности трубы) слое вода течет в ламинарном режиме, а остальные слои воды текут в турбулентном режиме. При этом скорость движения воды непосредственно у стенок трубы равна нулю, поскольку частицы воды покрывают внутреннюю поверхность трубы неподвижным слоем. Это способствует образованию загрязнений на стенках внутреннего отверстия трубы и препятствует проникновению вещества антибактериальных добавок в транспортируемую воду. В таких трубопроводах воздействие факторов, способствующих биологической деструкции полимера, происходит более интенсивно, а эффективность бактерицидного воздействия на транспортируемую по содержащим антибактериальные добавки полимерным трубам воду значительно снижается. С другой стороны реальные трубопроводы, как, например, показано на (http://www.stroyconsul.ru/arts.php7367), выполняются с большим количеством разнообразной водопроводной арматуры и состоят из множества участков, в которых резко изменяется направления потока вода. При этом, как правило, имеется также множество участков трубопровода, в которых изменяется его поперечное сечение. Таким образом, в реальных трубопроводах возникают такие явления, как изменение скорости потока воды, отрыв потока от стенок трубопровода, вихреобразование и кавитация. Практика показывает, при изготовлении трубопроводов водоснабжения, например, водопроводных систем жилого дома, на один метр длины трубопровода приходится в среднем 1,5-2 элемента водопроводной арматуры различного типа, при этом широко используются водопроводная арматура, изготовленная из полимерных материалов. Если полимерные материалы, из которых изготовлены элементы водопроводной арматуры, не содержат антибактериальных добавок, то снижается срок их службы за счет биологической деструкции полимера, и, следовательно, срок службы трубопровода в целом.
Технический результат, достигаемый заявленной полезной моделью, заключается в улучшении бактерицидных свойств трубопровода, увеличение срока службы трубопровода, повышении эффективности бактерицидного воздействия на транспортируемой по данному трубопроводу воду, в улучшении качества питьевой воды путем транспортировки ее по трубопроводу, обладающему повышенными бактерицидными свойствами.
Технический результат достигается тем, что бактерицидный трубопровод, выполненный из труб, изготовленных из полимерных материалов, содержащих в качестве антибактериальной добавки наноразмерные частицы серебра, в том числе многослойных и многослойных металлополимерных труб, выполняется с элементами водопроводной арматуры, изготовленными из полимерных материалов, содержащих в качестве антибактериальной добавки наноразмерные частицы серебра.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ.
На фиг.1 представлен бактерицидный трубопровод (один из возможных вариантов изготовления), в котором отдельные участки трубопровода изготовлены из труб 1, выполненных из полимерных материалов с наноразмерными частицами серебра в качестве антибактериальных добавок. Участки трубопровода соединены между собой водопроводной арматурой различного типа, в том числе арматурой, изготовленной из полимерных материалов с наноразмерными частицами серебра в качестве антибактериальных добавок: фитингами 2; аварийными запорными вентилями 3; фильтрами грубой очистки воды 4; счетчиками расхода воды 5 и редукторами 7, корпуса которых изготовлены из полимерных материалов с антибактериальными добавками; фильтрами тонкой очистки воды 7; коллектором горячей воды 8, запорными вентилями 9, коллектором горячей воды 10. На чертеже показаны также подключенные к трубопроводу устройства бытовой техники (стиральная машина 11) и сантехнические устройства: унитаз 12; а также мойка кухонная 13, умывальник 13 и ванна 14, со смесителями 16.
На фиг.2. на примере переходной муфты демонстрируется процесс вихреобразования 17 в водопроводной арматуре при прохождении потока жидкости через резкое сужение внутреннего отверстия фитинга 2.
На фиг.3 на примере угольника демонстрируется процесс вихреобразования 17 в водопроводной арматуре при резком изменении направления потока жидкости в фитинге 2.
На фиг.4 на примере запорного вентиля 9 демонстрируется проявление кавитации 18, обусловленное прохождением потока воды через местное сужение в водопроводной арматуре.
ПРИМЕР ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ.
Как показано на фиг.1 отдельные участки бактерицидного трубопровода изготовлены с использованием труб 1 из полимерных материалов с антибактериальными добавками. Участки трубопровода соединены между собой водопроводной арматурой различного типа, в том числе арматурой, изготовленной из полимерных материалов с антибактериальными добавками: фитингами 2; аварийными запорными вентилями 3; фильтрами грубой очистки воды 4; счетчиками расхода воды 5 и редукторами 7, корпуса которых изготовлены из полимерных материалов с антибактериальными добавками; фильтрами тонкой очистки воды 7; коллектором горячей воды 8, запорными вентилями 9, коллектором горячей воды 10.
При прохождении потока воды по данному трубопроводу при резком изменении поперечного сечения трубопровода, как показано на фиг.2, например, в фитинге 2 (на примере переходной муфты), на входе в ее узкий участок и на выходе из него муфты образуются вихри 17, которые с одной стороны приводят к потерям напора (энергии) потока жидкости в трубопроводе, но с другой стороны способствуют более интенсивному воздействию жидкости на стенки внутреннего отверстия муфты, а, следовательно, способствуют более интенсивному проникновению вещества антибактериальных добавок, содержащихся в полимерном материале муфты, в воду и препятствует образованию на стенках внутреннего отверстия муфты загрязнений.
Подобные процессы, как показано на фиг.3, происходят и при резком изменении направления потока жидкости в трубопроводе, например, в фитинге 2, выполненном в форме угольника.
При прохождении потока воды через местное сужение в трубопроводе, как показано на фиг.4, например, через сужение внутреннего отверстия в запорном вентиле 9, увеличивается скорость потока воды с одновременным падением давления в этом месте. При определенных условиях, когда абсолютное давление достигает значения, равного давлению, при котором начинается выделение из воды растворимых газов, в данном месте будет наблюдаться интенсивное их выделение и образование пузырьков газа. При дальнейшем движении воды пузырьки исчезают («охлопываются») и в точках их «схлопывания» происходит резкое увеличение давления, которое передается на соседние объемы воды и через них на стенки внутреннего отверстия вентиля. Эти многочисленные местные повышения давлений (гидроудары) сопровождаются вибрацией. Само по себе описанное явление нарушения сплошности потока воды с образованием пузырьков газов, обусловленное местным падением давления в потоке воды - кавитация, является нежелательным, но в реальных условиях его трудно предотвратить, и оно возникает обычно в кранах, вентилях, задвижках и т.д. Но, с другой стороны, это явление сопровождается интенсивным воздействием жидкости на стенки внутреннего отверстия элемента водопроводной арматуры, а, следовательно, способствует более интенсивному проникновению вещества антибактериальных добавок, содержащихся в полимерном материале этого элемента арматуры, в воду и препятствует образованию на стенках внутреннего отверстия элемента водопрооводной арматуры загрязнений.
Находящиеся в массе полимера наноразмерные частицы серебра повышают устойчивость полимерного трубопровода к биокоррозии. В результате прохождения воды по полимерному трубопроводу наноразмерные частицы серебра, находящиеся на внутренней поверхности трубы, будут вымываться, при этом находящиеся в массе полимера наноразмерные частицы серебра, будут мигрировать на внутреннюю поверхность и выполнять функции удаленных с нее наноразмерных частиц серебра.
Находящиеся на поверхности полимерного трубопровода наноразмерные частицы серебра препятствуют образованию на внутренней и внешней поверхностях полимерных труб и элементов водопроводной арматуры отложений, плесени, грибков, микроорганизмов, водорослей.
Поскольку трубопроводы водоснабжения в реальных условиях выполняются с большим количеством элементов водопроводной арматуры различного назначения, описанные выше явления, в своей совокупности, приводят к предотвращению образования налетов на стенках внутренних отверстий водопроводной арматуры, к повышению стойкости трубопровода к биологической деструкции полимерных материалов, из которых изготовлены элементы трубопровода, к эффективному проникновению наноразмерных частиц серебра в транспортируемую по трубопроводу воду и к улучшению качества питьевой воды, путем транспортировки ее по трубопроводу с повышенными бактерицидными свойствами.