Описание первой в мире системы централизованного теплоснабжения Бердсилла Холли в городе Локпорт
Бёрдсилл Холли, 1878

Вниманию читателей предлагается перевод книги, изданной в 1878 г. в США и описывающей события, происходящие в отопительном сезоне 1877–1878 г. в г. Локпорте, шт. Нью-Йорк. Среди авторов книги Бёрдсилл Холли – изобретатель первой в мире паровой централизованной системы теплоснабжения. Ее созданию, описанию всех звеньев системы и их работе посвящена настоящая книга. Особенностью этой системы теплоснабжения является тот факт, что при ее реализации были разработаны почти все виды систем, потребляющие тепло в настоящее время. Б. Холли удалось достаточно удачно решить все инженерные проблемы, сопровождающие такой сложный проект: создать тепловой источник с возможностью регулирования тепловой нагрузки в течение отопительного периода; обеспечить с резервированием распределение пара потребителям при малой его конденсации в процессе транспортировки с помощью подземных городских магистралей; согласовать высокое давление пара в магистралях и низкое давление в теплопотребляющих системах зданий; изобрести надежно и безопасно работающие атмосферные приборы отопления, а также паровые калориферы систем вентиляции; применить аккумуляторы горячей воды для системы горячего водоснабжения бытовых нужд; создать безнасосный способ перемещения горячей воды с низких вертикальных отметок на высокие; обеспечить измерение расхода потребляемой тепловой энергии; предложить систему таяния снега и льда; радикально упростить мобильные противопожарные установки, отказавшись от применения в их составе паровых котлов с топками за счет подключения паровых машин насосных агрегатов к паровым магистралям города. В патенте 1882 г. Б. Холли первым предложил создание централизованной выработки механической и тепловой энергии. Впервые такая система была создана в г. Оттумва, шт. Айова, в 1889 г.

Оглавление

Приведённый ознакомительный фрагмент книги Описание первой в мире системы централизованного теплоснабжения Бердсилла Холли в городе Локпорт предоставлен нашим книжным партнёром — компанией ЛитРес.

Паровое отопление, несомненно, является наивысшим достижением среди известных систем, обеспечивающих искусственное отопление. Этот теплоноситель, являющийся могущественной рабочей силой, которая тянет тяжелые составы вагонов через континенты и приводит в движение торговые суда, плывущие через океан, может также решать более скромную, но не менее полезную и эффективную задачу — обеспечивать отопление в домах миллионов людей, живущих в городах и селах.

Пар уже довольно широко используется в системах отопления зданий. Но котел и сантехника для одного жилого дома очень дороги, а также требуют технического обслуживания. Несколько лет назад мистер Бёрдсилл Холли, знаменитый инженер и изобретатель Системы водоснабжения Холли и многого другого, предположил, что пар может подаваться от центрального источника не только для работы паровых машин, но и для обогрева больших районов жилых домов, магазинов и других зданий в городах и селах, аналогично тому, как газ и вода уже много лет по сетям доставляются потребителям. Впоследствии он в экспериментальном порядке воплотил свои идеи в металле, что и подтвердило, что его план целиком и полностью осуществим, если все сделать правильно.

В январе 1877 года была образована «Объединенная Паровая компания Холли», расположенная в Локпорте, штат Нью-Йорк, с необходимым капиталом для осуществления плана в большем масштабе. Было проложено три мили подземных труб (около 5 км), но лишь на небольшом участке вблизи источника тепла трубы имели диаметр 4 дюйма (около 100 мм). После серии организованных должным образом детальных экспериментальных испытаний, а также после работы в условиях изменчивой погоды и особенно тяжелой зимы, паровая система отопления была всеми признана успешной и пригодной к эксплуатации.

На рис. 1 представлен план отапливаемого района с положением системы трубопроводов, зданий и т. д. Компания в течение зимы производила обогрев около 40 больших домов, разбросанных относительно теплопроводов тепловой сети, большое здание школы объемом 105000 кубических футов (около 3000 м 3 ), а также самое большое административное здание в городе (здание компании N. Y. С. Elevator), кроме того, пар подавался на две паровые машины, одна из которых мощностью 10 л.с. была расположена на расстоянии приблизительно полмили от котельной, вторая — мощностью 8 л.с. находилась вблизи котельной, а также производилось снабжение потребителей паром для других целей.

Дома, расположенные на расстоянии в 1 милю, обогревались так же легко, как и те, что были рядом с источником. Три котла были установлены в группе: два из них горизонтально, с размерами в плане 5 (1,5 м) на 16 футов (4,9 м), и один вертикально. Большую часть времени в отопительный сезон пар вырабатывался одним котлом, в холодную погоду два котла работали на частичной нагрузке. Горение, конечно, поддерживалось постоянно. Два кочегара делали всю работу: один днем и один ночью. Они могли бы выполнять ту же работу для 300–400 жилых зданий, находящихся вдоль паропроводов сети. Тщательные эксперименты продемонстрировали тот факт, что при достаточной мощности котла и труб соответствующих размеров площадь более 4 квадратных миль (10 км 2 ) в любом городе или населенном пункте может отапливаться от одной системы, состоящей из группы котлов. Обсуждение размещения котлов для такой системы заслуживает особого внимания. Наше здание предназначено для размещения 6 котлов (см. рис. 2). Уличные паровые магистрали присоединены к котельной группе с двух противоположных сторон на каждом углу здания со стороны северного фасада. Большему количеству отапливаемых зданий соответствует большая группа котлов. Если один котел по какой-либо причине будет отключен, это не будет мешать работе остальных. В самую холодную погоду при необходимости все котлы могут быть растоплены. Когда погода улучшится, часть котлов может быть выведена из эксплуатации или они могут быть использованы попеременно, чтобы облегчить их периодическую чистку.

Мы приводим также чертеж (см. рис. 3), показывающий часть района, который будет централизованно отапливаться, в абстрактном городе с улицами, жилыми зданиями, магазинами, фабриками и т. д. На этом плане к тепловой сети присоединены 200 магазинов с офисами, 200 жилых зданий, 9 церквей и около 20 фабрик. В среднем магазин имеет отапливаемый объем около 50000 кубических футов (1412 м 3 ), жилое здание — 10000 фут 3 (282 м 3 ), церковь — 200000 фут 3 (5647 м 3 ), фабрика — 100000 фут 3 (2823 м 3 ), тогда мы имеем:

Такая площадь будет отапливаться одной системой из 10 котлов, каждый 5 футов в диаметре и 16 футов длиной. Котельная находится в точке А на пересечении улиц Ниагара и Буффало. Два восьмидюймовых главных трубопровода выходят из здания, один на улицу Ниагара, соединяясь с восьмидюймовым трубопроводом, проложенным на этой улице. Второй трубопровод соединяет котельную с магистральным участком по ул. Буффало. В результате обеспечиваются две врезки в магистральный участок по ул. Пайн, имеющий также диаметр 8 дюймов. Такая топология формирует кольцевой контур из восьмидюймовой трубы вокруг квартала, в котором расположено здание котельной.

Рис. 2. План паровой котельной

Рис. 3. Схема тепловой сети абстрактного города

Схема соединения трубопроводов такова, что невозможна ситуация, когда отапливаемый район будет лишен пара при возникновении аварии, так как любой из аварийных участков может быть отключен без ущерба для работы основной сети. Предположим, что необходимо перекрыть трубопровод на улице Баффало между улицами Пайн и Ниагара, тогда пар будет поступать через противоположный паропровод котельной по улице Маркет на улицу Пайн, а также с улицы Баффало на улицу Делавар, то есть, подача пара по-прежнему будет производиться во все части отапливаемого района. Трубопроводы сети в этом районе разделены на секции, каждая из которых может быть отключена с помощью клапанов при необходимости без неудобств для других секций; но так как необходимость отключения участков является довольно редким явлением, то секционирование является простой предосторожностью.

Любопытные факты из истории отопления

Еще сто лет назад немногие могли похвастаться тем, что, придя с мороза, грели руки у батареи центрального отопления. А сегодня без него трудно представить себе современный город.

Но некоторые исследователи античности, ссылаясь на труды Геродота, Плиния и Сенеки, утверждают, что римские термы обогревались иначе – с помощью горячей воды, протекавшей по медным трубам, то есть прототипа водяной системы отопления!

А следующий шаг в нашей истории был сделан уже в средние века.

С XV века для обогрева больших зданий (например, церквей и дворцов) применялось воздушное отопление с подачей в помещение горячего воздуха, нагревавшегося при соприкосновении с поверхностями печи. Установлено, что так отапливались русские царские хоромы XVI‑XVII веков – например, Грановитая палата Московского Кремля.

Такая печь одновременно была и котлом (топка – камера, где сжигалось топливо), и радиатором (стенки печи, излучающие тепло и нагревающие помещение).

Разделение этих двух функций произошло только в XVII веке благодаря развитию технологий обработки металлов.

Тепло для оранжерей

В 1675 году английский инженер Евелин для обогрева оранжереи впервые сконструировал систему водяного отопления, в которой вода нагревалась в котле и затем циркулировала по стальным трубам, постепенно отдавая тепло.

С начала XVIII века на волне интереса к новейшим техническим разработкам из Европы водяные системы начали разрабатываться и русскими инженерами. Самым ярким примером успехов отечественных мастеров стала система отопления Летнего дворца Петра I, построенного в 1714 году в Санкт-Петербурге.

Первые водяные системы отопления использовали так называемую гравитационную схему (с естественным побуждением циркуляции). Теплоноситель в замкнутом контуре труб циркулировал благодаря разной плотности горячей и холодной воды. Для того чтобы система работала, требовалось использовать трубы большого диаметра. И она была инерционной – то есть медленно нагревалась и столь же медленно остывала. Сейчас такую схему изредка еще используют для отопления небольших частных домов.

Поначалу теплоотдача в водяных отопительных системах осуществлялась через обычные или оребренные трубы. Из-за сравнительно небольшой площади контакта с воздухом они не отличались большой эффективностью.

В XVIII веке появились системы парового отопления. Первые примеры применения водяного пара для обогрева помещений в России приводятся в книге Николая Львова «Русская пиростатика», вышедшей в 1799 году.

В целом, в течение XVIII века в Европе разного рода водяные и паровые отопительные системы чаще всего применялись для обогрева оранжерей и зимних садов, и только начиная с 30‑х годов XIX века водяное отопление начало все шире применяться для обогрева жилых помещений.

А во второй половине XIX века появился и первый отопительный радиатор. Выглядел он как прямоугольная коробка из толстых металлических труб с вертикальными дисками. Его изобретателем был немец итальянского происхождения Франц Карлович Сан-Галли (1824‑1908), живший в то время в Санкт-Петербурге. В 1855 году этот талантливый инженер представил общественности революционную по тем временам систему водяного отопления. Радиатор получил название «хайцкерпер» (в переводе – «горячая коробка»).

Несмотря на громоздкость и странный вид, изобретение Сан-Галли быстро нашло широкое применение. «Горячие коробки» экспортировались в США и Европу. Такие батареи использовались не только в водяных системах, но и в параллельно развивавшемся паровом отоплении, где температура перегретого пара достигала 150‑200 ºС, а давление составляло несколько атмосфер.

Любопытно, что один из таких радиаторов до сих пор работает на бывшей даче великого князя Бориса Владимировича в Царском Селе! А еще один «долгожитель» до сих пор функционирует в Самарском художественном музее.

В начале XX века производство чугунных радиаторов наладили и в других странах. Они уже имели форму современных и украшались литьем. И только через полвека чугунные радиаторы отопления стали теснить конкуренты – алюминиевые, стальные и биметаллические батареи, а также конвекторы.

Впрочем, до сих пор немалая часть продаж приходится именно на чугунные радиаторы. Все дело в их уникальных свойствах. Они отличаются значительной тепловой мощностью на единицу длины прибора (компактностью) и стойкостью против коррозии, а также практически невосприимчивы к плохому качеству теплоносителя. Это и определяет позитивное к ним отношение. А учитывая, что такие радиаторы зачастую имеют, при относительно невысокой цене, высокое качество литья и оригинальный дизайн – можно рассчитывать на интерес к ним и в будущем.

Однако чугунные батареи имеют и свои недостатки. Это, в первую очередь, большая масса и связанные с ней трудности при монтаже и обслуживании, ненадежность межсекционных прокладок, пористая внутренняя поверхность (что приводит к ускоренному образованию внутреннего налета и падению теплоотдачи), «ржавление» и необходимость постоянной окраски.

Тепло таких приборов отводится излучением, конвекцией и теплопроводностью. Любопытно, что при окраске в темный цвет часть тепла, отводимая излучением, увеличивается.

К концу XIX века водяные системы отопления с гравитационной схемой циркуляции теплоносителя получили широкое распространение. Но уже в то время были видны все их недостатки – неэффективность распределения тепла, ограничения на отапливаемую площадь, инертность и высокая стоимость. Поэтому усилия инженеров привели к созданию систем с искусственным побуждением. Для этого пробовали использовать перегретый пар или воздух, но наиболее рациональным оказалось применение насосов. Именно водяное отопление с насосным побуждением впоследствии прижилось повсеместно благодаря его универсальности и эффективности.

В России новый тип отопления был впервые осуществлен в 1909 году в здании петербургского Михайловского театра. Автором проекта стал инженер Н. Мельников. После этого удачного опыта насосно-водяное отопление сразу же нашло применение и во многих других крупных зданиях Петербурга: в Мариинском театре, в здании Эрмитажа, в новых корпусах Института инженеров путей сообщения, в корпусах Орудийного завода и др.

Поскольку для работы насосов требовалось электричество, распространение систем отопления с насосным побуждением тормозилось недостаточной электрификацией страны. По сути, только с приходом советской власти и началом реализации плана ГОЭЛРО в 1920 году стало возможным развитие подобных систем. С 1920‑х годов началась и история отечественного централизованного теплоснабжения. Строились первые ТЭЦ, где использовался метод когенерации тепла и электричества как наиболее экономически оправданный, прокладывались первые теплотрассы. И к началу 1940‑х чугунные радиаторы-гармошки, подключенные к системам централизованного теплоснабжения, появились не только в госучреждениях, но и во многих жилых домах.

Решающим моментом для водяного отопления стало изобретение в 1928 году известным немецким инженером Вильгельмом Оплендером первого циркуляционного насоса с мокрым ротором. Эти агрегаты быстро стали незаменимым элементом централизованных и автономных систем теплоснабжения, позволяя максимально эффективно использовать тепло, вырабатываемое отопительным котлом. Для таких систем чугунные радиаторы уже не казались оптимальным решением – здесь стала проявляться высокая тепловая инерционность чугуна, затруднявшая регуляцию теплоотдачи. Так что если с момента своего изобретения в середине XIX века чугунный радиатор занимал практически монопольное положение, то ближе к середине XX века ему пришлось потесниться. Развитие систем отопления с применением циркуляционных насосов стало стимулом к разработке радиаторов из новых материалов.

Так, в 1930 году швейцарец Роберт Цендер, используя принцип охлаждающей системы мотоцикла, создал первый в мире трубчатый стальной радиатор Zehnder Charleston. Новый прибор отличался от своих чугунных предшественников более легким весом, лучшей теплоотдачей, меньшими затратами на производство, при этом обладая еще и привлекательным дизайном. С этого времени стальные радиаторы получили широкое распространение во всем мире.

Тремя десятилетиями позже начались попытки использовать в конструкции приборов отопления алюминий, который обладает гораздо большей теплопроводностью, чем сталь.

Для того чтобы нагрев помещения происходил эффективней, площадь соприкосновения радиатора с воздухом стараются сделать максимальной. Но большая площадь – это большой вес изделия. Поэтому конструкторы постоянно искали новые материалы для изготовления приборов. Сталь, при всех достоинствах, имела теплоотдачу ниже, чем у чугуна, кроме того, ее сложно обрабатывать.

Точную дату изобретения алюминиевого радиатора сегодня вряд ли кто сможет назвать. По одной из версий, методику отливки радиаторов из алюминия разработал в середине 1960‑х годов итальянец Гаэтано Группьони. По другим сведениям, впервые использовал алюминий в качестве материала отопительных батарей некто Коррадини, основатель компании FARAL.

Алюминиевые устройства – легкие, имеющие прекрасную теплоотдачу, – произвели подлинную революцию в деле отопления домов. Однако у этого металла есть один существенный недостаток.

Дело в том, что теплоноситель в трубах системы теплоснабжения иногда находится под очень высоким давлением и прочности алюминиевых радиаторов недостаточно для использования в таких условиях. Кроме того, находящиеся в технической горячей воде присадки, призванные бороться с накипью в подводящих трубах, быстро разрушают внутреннюю поверхность батарей.

Поэтому алюминиевые радиаторы используют только в автономных системах низкого давления, использующих специальный неагрессивный теплоноситель, подобный автомобильному тосолу.

На пути к совершенству

В наши дни, когда, казалось бы, все уже изобретено, приборы отопления продолжают развиваться. Например, чтобы повысить коррозионную стойкость радиаторов, разрабатываются все новые, более долговечные покрытия. Так, специалистами концерна Zehnder Group был выпущен первый алюминиевый радиатор с циркониевой защитой внутренней поверхности.

Последним ноу-хау в борьбе с коррозией стал выпуск анодных радиаторов, изготовленных из алюминия высочайшей степени очистки (98 процентов). Анодные радиаторы отопления алюминиевые полностью защищены от любого вида коррозии, блуждающих токов и образования водорода. Соответственно, они значительно менее требовательны к качеству теплоносителя.

С 1970‑х годов велись также разработки двухканальных алюминиевых радиаторов. Но в то время технологии не позволяли наладить выпуск таких приборов. И только недавно удалось создать литой алюминиевый радиатор двухканальной конструкции. Благодаря такому строению удалось добиться впечатляющей прочности: давление на разрыв этого прибора составляет более 60 атм.!