Кислородопроницаемость полипропиленовых труб армированных стекловолокном
Рис.1. Сравнительные показатели температурного удлинения и кислородопроницаемости (газопроницаемости)
Как видно из Таб1 и Рис.1 все однослойные трубы имеют самую высокую степень кислородопроницаемости.
Абсолютной кислородонепроницаемостью обладают только металлополимерные трубы PERT-Al-PERT, PPR-Al-PPR.
В многослойных трубах с барьерным слоем из этилен-винилового спирта PEX-EVOH-PE показатель диффузии кислорода имеет сравнительно невысокое значение, но показатель температурного расширения соответствует однослойным трубам.
В настоящий момент только многослойные трубы PERT-Al-PERT и PEX-EVOH-PE соответствует ГОСТ Р 53603-2009 «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления«.
Модная новинка — полипропиленовые трубы армированные стекловолокном PPR/PPR-FG/PPR (PPR-GF-PPR) приблизилась по показателю температурного расширения к металлопластиковым трубам, но высокая кислородопроницаемость делает их непригодными для систем отопления, тем самым крайне сужается сегмент их потребления.
Теперь разобравшись с показателями кислородопроницаемости наиболее популярных полимерных трубопроводов систем отопления и водоснабжения обратимся к негативным последствиям для замкнутых систем отопления, которые порождает высокая диффузия кислорода. Для высокотемпературных и низкотемпературных систем отопления последствия кислородопроницаемости различные.
ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМАХ РАДИАТОРНОГО ОТОПЛЕНИЯ
Влияние диффузии кислорода в полимерных трубах на замкнутую высокотемпературную систему (радиаторное отопление) хорошо известно. Проникающий через стенки трубы кислород насыщает разогретый до высокой температуры теплоноситель пузырьками кислорода, порождая кавитационные процессы в насосах (Рис.2), вентилях (Рис.3), во всех других металлических элементах трубопроводной системы:
Рис.2. Разрушение водяного насоса, и скан поверхности ротора насоса (Сканирующий мультмикроском СММ-2000) в результате насыщения теплоносителя кислородом.
Рис.3. Разрушение вентиля в результате насыщения теплоносителя кислородом.
Процессы кавитации несколько усиливается образованием слабых кислот в теплоносителе в результате повышения концентрации того же кислорода.
Высокая кислородопроницаемость полимерных труб может привести к разрушению металлических узлов в довольно короткие сроки: 3-5 лет.
Благодаря достижениям производителей полимеров современные полимерный трубы обрели высокую долговечность (50-100 лет), но применение полимерных труб с высокой диффузией кислорода в высокотемпературных системах отопления сокращает срок службы трубопроводной системы в целом в несколько раз.
Трубы с высокой диффузией кислорода, применение которых недопустимо в высокотемпературных замкнутых системах отопления
- PEX (Однослойные трубы из сшитого полиэтилена)
- PPR (Однослойные трубы из полипропилена)
- PPR-FG-PPR (Полипропиленовые трубы армированные стекловолокном PPR-GF-PPR, PPR-GF)
ДИФФУЗИЯ КИСЛОРОДА В ЗАМКНУТЫХ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ (ТЕПЛЫЕ ПОЛЫ, ПАНЕЛЬНОЕ ОТОПЛЕНИЕ)
До недавнего времени считалось, что диффузия кислорода создает проблемы только в высокотемпературных системах, но в конце 2011 года авторитетная шведская лаборатория EXOVA (ранее Bodycote Polymer) завершила 12-ти летние испытания полимерных труб в замкнутых низкотемпературных системах отопления (теплых полах, панельном отоплении). Результаты оказались несколько неожиданными, Рис. 4.
Рис.4. Заиливание стенок однослойной трубы в низкотемпературной системе отопления (Exova, 2011)
В низкотемпературных замкнутых системах отопления в кислородопроницаемых трубах (PEX, PPR, PPR-FG-PPR) проникающий через стенки трубы в теплоноситель кислород провоцирует развитие аэробных микроорганизмов, в результате стенки трубы заиливаются продуктами жизнедеятельности аэробных бактерий, и трубопроводная система со временем выходит их строя, теряя свою пропускную способность.
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ С УЧЕТОМ ИХ КИСЛОРОДОПРОНИЦАЕМОСТИ (ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ)
Термостойкость современных трубных полимеров уже давно достигла необходимого для систем отопления и горячего водоснабжения уровня 90. 95 С. При этом долговечность большинства современных полимерных труб перешагнула 50 летный уровень, а у труб из PE-RT полиэтилена и 100 летний.
Благодаря композитным конструкциям с армированием алюминием или стекловолокном удалось достичь высокой термической стабильности труб, тем самым отпала необходимость установки температурных компенсаторов в системах отопления и горячего водоснабжения, что в свою очередь снизило затраты на прокладку трубопроводов.
Таким образом основным критерием выбора типа полимерных труб для различных систем отопления и водоснабжения становится их кислородопроницаемость, Рис.5.
Рис.5. Области применения полимерных труб с учетом диффузии кислорода и термической стабильности
Безусловно, проблемы диффузии кислорода характерны для замкнутых систем отопления. В системах водоснабжения требования к трубопроводам значительно ниже.
Холодное водоснабжение: Применяются практически все известные типы однослойных и многослойных труб в том числе ПНД трубы.
Горячее водоснабжение: В Российской практике применяют самые разнообразные трубы, но с учетом требований к термической стабильности, предпочтительны многослойные трубопроводы: металлопластиковые на основе полиэтилена и полипропилена (PE-RT-Al-PERT, PPR-Al-PPR), или полипропиленовые трубы армированные стекловолокном (PPR-FG-PPR, PPR-GF).
Высокотемпературные замкнутые системы отопления: К сожалению, в Российской практике умудряются использовать самые различные трубопроводы. Однако, надежность системы могут обеспечить только термически стабильные кислородонепроницаемые трубы: металлопластиковые PERT-AL-PERT и металлопластиковые трубы PPR-Al-PPR (чаще их называют полипропиленовые трубы армированные алюминием, например PPR-Al-PPR OXY-Plus).
Причем, применение требующих зачистки наружного слоя полипропиленовые трубы армированные перфорированной алюминиевой фольгой (PPR-Staby) недопустимо. Алюминиевая фольга в этих трубах не имеет прочного адгезионного соединения со слоями полипропилена, что не обеспечивает необходимой термической стабильности, и приводит к быстрому расслоению и вздутию трубы. Дырчатая перфорация фольги труб PPR-Staby, призванная обеспечить сцепление наружного и внутреннего слоя полипропилена, является источником диффузии кислорода.
Низкотемпературные замкнутые системы отопления: Низкотемпературные системы наиболее развивающийся и самый перспективный сегмент потребления полимерных труб. Именно в виде низкотемпературных систем реализуются современные энергоэффективные системы отопления и кондиционирования: это теплые полы, панельное отопление и кондиционирования, системы использования геотермального тепла, теплообменники тепловых насосов. Долговечность низкотемпературных систем могут обеспечить только трубы с низкой диффузией кислорода : металлопластиковые трубы PERT-Al-PERT и многослойные трубы с барьерным слоем, например, PEX-EVOH-PE.
В настоящее время металлопластиковые трубы в этой области наиболее предпочтительны — кроме абсолютной кислородопроницаемости, алюминиевый слой обеспечивает им дополнительное преимущество — они обладаю «памятью» формы, т.е. не разгибаются после изгиба. Однослойные трубы и трубы с полимерным барьерным слоем форму не держат, и это создает определенные трудности при монтаже.
Стоит обратить внимание, что в низкотемпературных системах используются гибкие трубы, т.к. по сути, эти системы представляют собой теплообменные змеевики. Поэтому жесткие кислородонепроницаемые полипропиленовые трубы PPR-Al-PPR в низкотемпературных системах не применяются. Трубы выполнение в размерном ряду SDR-6 абсолютно не сгибаемы, трубы размерного ряда по ГОСТ Р 53603-2009 трудносгибаемы. Кстати, переход европейских стран на энергосберегающие низкотемпературные системы отопления и кондиционирования сильно сократил в последние годы потребление полипропиленовых труб в Европе. ( Подробнее. )
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПОЛИМЕРНЫХ ТРУБ
На рынке бытует мнение, что двигателем развития полимерных труб является многоэтажное строительство, однако это не совсем верно. в 2011 году 43% всего нового жилищного строительства РФ составляло малоэтажное строительство, в южных регионах доля малоэтажного строительства превышала 70%. По прогнозам Министерства регионального развития в 2020 году доля малоэтажного строительства превысит 80% всего жилищного строительства. Объем потребления труб малого диаметра (до 110 мм.) в 2020 году превысит 1,3 млрд. метров. (Подробнее. )
Безусловно, кроме технических характеристик перспективность той или иной трубопроводной системы определяется размерами сегментов ее применения. Оценим размеры сегментов на примере строительства типичного коттеджного поселка, Рис.6, 7.
Рис.6. Коттеджный поселок с площадью строений 45 338 кв.м.
Рис.7. Структура протяженности полимерных трубопроводов по назначению в типичном коттеджном поселке
Вышеприведенный рисунок наглядно демонстрирует значимость выбора трубопроводной системы с учетом кислородопроницаемости. 78% полимерных труб в малоэтажном строительстве должны обладать низкой диффузией кислорода. Причем, 50% это гибкие кислородонепроницаемые трубы типа PERT-Al-PERT, 28% кислородонепроницаемые трубы типа PERT-Al-PERT или PPR-Al-PPR OXY Plus, и только 22% трубопроводной системы может быть выполнена или однослойными трубами (PEX, PPR) или полипропиленовыми трубами армированными стекловолокном (PPR-FG-PPR, PPR-GF).
Перераспределение жилищного строительства в пользу малоэтажного строительства переносит проблему энергосбережения из государственной в личную, и поэтому переход на энергоэффективные системы отопления и кондиционирования мы, потребители, будем осуществлять сами. А необходимость этого вполне понятна. Традиционные системы радиаторного отопления неэффективны.
Опыт Европейских стран уже давно осуществляющих переход на энергосберегающие системы показателен, жилые здания в странах со схожими с Россией климатическими условиями потребляют тепла более чем 2 раза меньше чем российские, Рис. 8.
. Рис.8. Потребление тепла жилыми зданиями в странах со сравнивыми климатическими условиями
Для российских потребителей энергосбережение то-же становится крайне актуальн ой проблемой. Согласно официального прогноза Министерства экономического развития РФ на 2012 -2030 г.г. цены на газ в 2020 году вырастут более чем в полтора раза по сравнению с нынешним 2012, а к 2030 году почти в два раза. Электроэнергия подоражает в 2,1 раза в 2020 г. и в 2,78 раза в 2030 г. по сравнению с 2012, Рис. 9.
Рис.9. Рост цен на электроэнергию и газ, в % к 2012 г.
Это можно считать оптимистичным прогнозом. В действительности, вероятно, рост будет значительно выше — обычно министерства занижают неудобные данные.
Энергосбережение может кардинально изменить рынок полимерных труб для систем водоснабжения и отопления. Например, структура применения полимерных труб в вышеприведенном коттеджном поселке, оснащенном энергоэффективными системами напольного отопления и кондиционирования, системами использования геотермального тепла (тепловыми насосами) существенно меняется, Рис.10.
Рис.10. Структура протяженности полимерных трубопроводов по назначению в коттеджном поселке оснащенном энергоэффективными системами панельного отопления и кондиционирования, и системами использования геотермального тепла
Переход на энергосберегающие системы снизит затраты на содержание жилых домов, но обернется для потребителей увеличением первоначальных затрат на строительство. Это в свою очередь, сделает процесс выбора трубопроводной системы более вдумчивым. Для того, что бы подорожавшая система отопления и водоснабжения не стала постоянной головной болью при выборе труб будет необходимо учитывать все факторы влияющие на надежность системы: термостойкость, термостабильность, кислородопроницаемость, и разумеется, репутацию производителя.
Диффузия кислорода в полимерных трубах
В.В. Крикотин, генеральный директор,
М.А. Попов, директор по развитию,
ООО «Экструзионные машины», г. Дубна
В последнее время разработчики полимерных трубопроводов увлеклись снижением температурного удлинения труб, и как-то начали забывать про второй важный параметр полимерных труб — диффузию кислорода (кислородопроницаемость). А между тем, по своей значимости кислородопроницаемость полимерных труб показатель, пожалуй, более важный, чем температурная стабильность. Влияние температурного расширения, в конце концов, можно уменьшить с помощью компенсаторов (это, правда, приводит к удорожанию трубопроводной системы), но устранить диффузию кислорода кроме как изменением конструкции самой трубы невозможно.
Потребители, практически, не имеют возможности получить данные о кислородопроницаемости. Кроме производителей абсолютно кислородонепроницаемых металлополимерных (металлопластиковых) труб мало кто представляет данные о диффузии кислорода. Мы восполним этот пробел (табл., рис. 1) и покажем негативные последствия кислородопроницае- мости для трубопроводных систем.
Как видно из таблицы и рис.1, все однослойные трубы имеют самую высокую степень кислородопроницаемости.
Таблица. Характеристики трубопроводных систем.
Абсолютной кислородонепроницаемостью обладают только металлополимерные трубы PERT-Al-PERT, PPR-Al-PPR.
В многослойных трубах с барьерным слоем из этиленвинилового спирта PEX-EVON-PE показатель диффузии кислорода имеет сравнительно невысокое значение, но показатель температурного расширения соответствует однослойным трубам.
В настоящий момент только многослойные трубы PERT-Al-PERT и PEX-EVON-PE соответствуют ГОСТ Р 53603-2009 «Трубы напорные многослойные для систем водоснабжения и отопления».
Модная новинка — полипропиленовые трубы армированные стекловолокном PPR/PPRFG/PPR приблизились по показателю температурного расширения к металлопластиковым трубам, но высокая кислородопроницаемость делает их непригодными для систем отопления, тем самым крайне сужается сегмент их потребления.
Теперь, разобравшись с показателями кислородопроницаемости наиболее популярных полимерных трубопроводов систем отопления и водоснабжения, обратимся к негативным последствиям для замкнутых систем отопления, которые порождает высокая диффузия кислорода.
Влияние диффузии кислорода в полимерных трубах на замкнутую высокотемпературную систему (радиаторное отопление) хорошо известно. Проникающий через стенки трубы кислород насыщает разогретый до высокой температуры теплоноситель пузырьками кислорода, порождая кавитационные процессы в насосах (рис. 2), вентилях (рис. 3), во всех других металлических элементах трубопроводной системы.
Процессы кавитации несколько усиливаются образованием слабых кислот в теплоносителе в результате повышения концентрации того же кислорода.
Высокая кислородопроницаемость полимерных труб может привести к разрушению металлических узлов в довольно короткие сроки: 3-5 лет.
Благодаря достижениям производителей полимеров современные полимерные трубы обрели высокую долговечность (50-100 лет), но применение полимерных труб с высокой диффузией кислорода в высокотемпературных системах отопления сокращает срок службы трубопроводной системы в целом в несколько раз.
Выводы
Трубы с высокой диффузией кислорода, применение которых недопустимо в высокотемпературных замкнутых системах отопления:
■ PEX (однослойные трубы из сшитого полиэтилена).
■ PPR (однослойные трубы из полипропилена).
■ PPR-FG-PPR (полипропиленовые трубы армированные стекловолокном).