История возникновения труб
В современном мире мы часто забываем о значении в нашей жизни тех или иных предметов, которые, между тем, продолжают играть не маловажную роль в жизни современных мегаполисов. Именно такие роли отведены трубам. Казалось бы, что может быть проще труб? Мы ведь так к ним уже привыкли. Привыкли, легонько повернув кран получать воду, а не таскать ее ведрами с ближайших колодцев, привыкли не топить печь, чтоб согреться в зимние месяцы, теперь тепло в дом несут батареи, теперь нам костры заменяют газовые плиты, да и много всего принесли в нашу жизнь тубы.
Трубы представляют собой один из старейших конструктивных элементов, идея которого была заимствована у природы, ведь именно она подарила человеку первые бесшовные трубы- ими являются полые стебли растений — тростника, бамбука и др. Теперь точное время первого использования трубы установить невозможно. Известно, что тростниковые трубочки служили музыкальными инструментами, помогали первым подводным путешественникам и были первыми оружейными стволами для направления в противника стрел.
Наиболее древняя металлическая труба, сохранившаяся до наших дней, изготовлена из меди. Найдена она было в Египте. Это часть водостока древнеегипетского храма. Ее точно установленный возраст составляет 4700 лет, и храниться она в Городском музее Западного Берлина. Она изготовлена из кованного медного листа. Кромки соединены между собой в нахлестку кузнечной сваркой. Для защиты тонкостенной трубы от механических повреждений ее уложили в вырубленный в камне желоб и сверху залили известковым мертелем. Трубы изготавливали и в древнем Риме. Римляне применяли литые трубы из бронзы и трубы из металлического листа с паяным швом. Из литых металлических листов формовали трубы диаметром от 25 до 300мм. И что интересно, римляне уже тогда применяли своего рода стандартизацию, которую использовали для регламентации ширины металлического листа. Продольный шов выполняли различными способами. Чаще всего трубы грушевидного сечения накрывали U-образной свинцовой полосой и затем запаивали оловянно-свинцовым припоем. Иногда встречались паяные соединения встык или внахлестку, и даже стыки с желобчатым изгибом кромок, уплотненные смазкой. Однако такие трубы затем замуровывали в каменную кладку, чтобы сохранить их герметичность.
Шло время, к середине века все технические знания, по изготовлению труб, были утеряны и снова открыты уже в связи с изготовлением стволов огнестрельного оружия методами литья и ковки. Важнейшим стимулом для развития производства стала необходимость в дальнейшем совершенствовании артиллерийских орудий и удешевлении их производства. Королевские литейщики Генриха VIII совершили прорыв, в результате которого чугун стал главным металлом цивилизации. Последствия военных программ Генриха VIII оказались чрезвычайно важными для развития техники и, прежде всего, металлургии. В 1541 г. перед королевскими литейщиками была поставлена конкретная задача по разработке технологии отливки пушечных стволов из чугуна. В процессе ее решения была совершена революция чугунного литья. Как попутный продукт процесса плавки железной руды в «высоких горнах» — штюкофенах чугун стали получать, по-видимому, в XII-XIII вв. Активное применение литья металлургических шлаков для производства артиллерийских снарядов привело к быстрому раскрытию литейных свойств чугуна, который сначала и принимали за тяжелый шлак. Однако овладеть технологией изготовления сложных отливок из нового металла было чрезвычайно сложно. Напомним, что для изобретения «пушечной бронзы» из сплавов, с которыми цивилизация была знакома пять тысячелетий, потребовалось почти 100 лет! Что уж тут говорить о совершенно новом металле, состав и свойства которого, к тому же, существенным образом зависят от состава исходной руды и технологии плавки.
Тем не менее, попытки отливки орудий из чугуна предпринимались уже во второй половине XIV века. Известно, например, что чугунные орудия были отлиты в 1370 г. в Тюрингии, а спустя 10 лет — во Фрайберге. Однако успешными эти опыты не стали. Долгое время чугунные стволы разрывались после первого же выстрела. Это было следствием многих причин: пороков отлитого металла, неправильного режима отливки, изменений литейной формы. Мастера, привыкшие к работе с бронзой, не могли их устранить. В те годы было введено суровое, но мудрое правило: первый выстрел из орудия делает изготовивший его мастер. Это служило некоторой гарантией безопасности для орудийной прислуги. Понятно, что при таком условии мастера-литейщики очень осторожно подходили к выбору нового материала для орудий. Поэтому сначала чугун при изготовлении пушек нашел лишь частичное применение: в XV в. из него изредка отливали только казенную часть орудия. Значительно более успешным стало применение чугуна для литья артиллерийских снарядов.
Возможно, первые цельночугунные орудия были изготовлены в 1445 г. в германском городе Зигене. Есть сведения о том, что их было 30 штук, и вместе они весили около 7500 кг. Видимо, речь идет о небольших ручных орудиях массой около 250 кг каждое. В это же время уже отливались осадные орудия из бронзы массой свыше 10 т.
Таким образом, вплоть до эпохи Генриха VIII проблема разработки чугунного пушечного литья оставалась неразрешимой. К успеху могла привести только «обширная оборонная программа». Ее руководителем стал мастер-литейщик Питер Боуде** (Пьер Боде), приглашенный Генрихом VIII из Франции. В результате напряженных двухлетних экспериментов в королевской литейной мастерской в городе Бакстеде графства Суссекс удалось получить цельночугунное орудие, полностью удовлетворяющее требованиям артиллерийской техники. Разработанная технология оказалась настолько успешной, что в 1546 г. только в королевском арсенале в Тауэре находилось уже 351 чугунное орудие.
Вскоре в Англии, а затем в Швеции началось изготовление тяжелых корабельных пушек из чугуна, который был намного дешевле бронзы. Таким образом, во второй половине XVI в. сложилась традиция изготовления орудийных стволов, просуществовавшая до середины XIX в.: орудия для крепостной, осадной и корабельной артиллерии стали изготавливать из чугуна, а легкие полевые орудия отливать из бронзы. Однако последствия работы английских литейщиков периода «малой промышленной революции» оказались гораздо более серьезными: вскоре чугунолитейное производство освоило технологию изготовления производства труб для водопроводов и канализации, решеток бытового (главным образом для каминов) и строительного назначения.
С развитием металлургии стали появляться и стальные трубы. Так 125 лет назад А. Пенспен изготовил первую стальную трубу. Вначале это были трубы, полученные кузнечной сваркой.
А уже спустя несколько десятилетий были созданы промежуточные производства стальных бесшовных труб. Так Братья Маннесман (Германия) в 1886 г. при обкатке стальных прутков в валках со смещенными осями (винтовая прокатка) получили внутри прутков, в сердцевине рыхлость, а за тем и полость, что позволило им запатентовать оригинальный высокопроизводительный способ производства бесшовных труб — гильз. Позднее ими же были созданы станы для дальнейшей раскатки полученных полых гильз в трубы требуемого сечения. Это изобретение великий американский изобретатель Т. Эдисон назвал самым удивительным изобретением XIX века, показанным на Всемирной Парижской выставке. Бесшовные трубы, изготовленные по способу, созданному братьями Маннесман, получили широкое применение в оружейном производстве, при изготовлении котлов и трубопроводов высокого давления, химического оборудования.
Сегодня уже нельзя представить себе мир без стальных труб. Это и магистральные трубопроводы для нефти, газа, воды, и городские сети трубопроводов различного назначения (отопление, канализация) и другое.
В соответствии с разносторонними возможностями стали, как конструктивного материала можно изготовить стальные трубы для различных специфических требований, например для работы при высоких и низких температурах, в агрессивных средах или в качестве строительных элементов с особо высокой прочностью.
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.!
