Первая система парового отопления какая страна
Что такое отопление?
Отопление — это искусственное обогревание помещений и зданий с возмещением тепловых потерь для поддержания в них температуры на заданном уровне. Температура определяется комфортом находящихся в помещениях людей и требованиями протекающего технологического процесса. Для отопления предусматривают отопительную установку.
Отопление зданий в Древнем мире и средних веках
Отопление гораздо древнее кондиционирования воздуха (напомним, первый кондиционер появился в 1902 году). История отопления восходит к кострам, разведенным первобытными людьми в пещерах и насчитывает уже много тысяч лет.
В Древнем мире в одно и то же время встречались технические устройства отопления, стоящие и на самом низком и на достаточно высоком уровнях. Самый простой и древний способ отопления путем сжигания топлива внутри помещения соседствовал с центральными установками водяного и воздушного отопления. Так, в городе Эфесе, основанном в Х в. до н.э. на территории современной Турции, для отопления уже в то время использовались системы трубок, в которые подавалась горячая вода из закрытых котлов, находящихся в подвалах домов. Римская система воздушного отопления «Хюпокаустум» (=снизу согретый), созданная в Римской империи, была устроена так: наружный воздух нагревался в подпольных каналах, предварительно прогретых горячими газами, и поступал в отапливаемые помещения. По такому же принципу обогревались помещения замков в Германии в Средние века.
Костры, очаги и примитивные печи использовались в жилищах бедняков, водяное и воздушное отопление — в дворцах и банях знати. Это различие в отопительных установках, имевшееся 2000- 3000 лет назад, существовало и в средние века. В течение нескольких тысячелетий для отопления жилищ применялись глинобитные печи, топившиеся «по-черному» с отводом дыма в помещение и через него наружу. В дворцах устраивалось центральное огневоздушное подпольное отопление, обнаруженное при раскопках на территории Хакасии в Сибири, Древних Китая и Греции.
В XVIII в. в Англии и Франции были изобретены (хотя отдельные установки встречались и ранее) системы парового и водяного отопления. Они сначала применялись для отопления оранжерей и теплиц, а потом, с начала следующего столетия, и зданий.
История отопления в России
В Древней Руси широко применялся курной очаг (без дымовой трубы). В России лишь в XV — XVI вв. печи в жилых помещениях были дополнены трубами и стали называться «белыми» или «русскими». Первоначально дымовые трубы, которые назывались дымницами, выполняли из древесины в виде толстого теса, что было пожароопасным. В период интенсивного развития городов в XVI-XVII вв. русская техника достигла высокого уровня. Основным центром печного искусства и выучки мастеров печных дел в период со времени создания Русского государства и до второй половины XVII в. была Москва. Здесь зарождались прогрессивные конструкции и новые архитектурные формы отопительных печей, разрабатывалась технология изготовления печных изразцов, строились кирпичные заводы и чугунолитейные фабрики, изготовляющие печные приборы.
Существенный сдвиг в печном деле произошел во время Петровской эпохи. В 1718 г. указом Петра I было запрещено строительство в Петербурге домов с курными печами и деревянными трубами, а в 1722 г. этот указ распространился и на Москву (непонятно, как люди жили до этого в своих черных, пропитанных сажей избах). Одновременно расширялись существующие и сооружались новые кирпичные заводы. Были изданы обязательные правила кладки наиболее важных элементов печей. В это же время было развито производство печных отделочных материалов. Вместо рельефных тисненых изразцов в печном деле стали применять гладкие расписные изразцы голландского образца. В связи с этим отечественные отопительные толстостенные печи неправильно стали называть голландскими или «голландками». По документальным источникам установлено, что в XVIII и в начале XIX вв. русское печное искусство занимало ключевые позиции в Европе.
Появились системы воздушного отопления. Известно, что в ХV в. такое отопление было устроено в Грановитой палате в Московском Кремле, а затем под названием «русская система» применялось в Германии и Австрии для отопления крупных зданий. После опубликования в России в конце 18 века книг Н. А. Львова («Русская пиростатика», 1795 и 1799 г.) появились системы воздушного топления, совмещенные с вентиляцией. Обобщающий печное отопление труд «Теоретические основания печного дела» был написан И. И. Свиязевым в 1867 г.
В России первая система парового отопления была осуществлена в Петербурге в 1816 г., водяного отопления — в 1834 г. (П. Г. Соболевский). В России паровое отопление высокого давления устраивалось исключительно в производственных зданиях, что свидетельствует о понимании связанных с его применением недостатков. Позднее стали применять системы низкого давления. Водяное же отопление преимущественно распространялось в гражданском строительстве, в первую очередь в больницах.
Остановимся подробнее на истории водяного отопления, широко применяемого в настоящее время. В XIX в. водяное отопление устраивалось с естественной циркуляцией воды. В 50-60-х годах 19 века распространилось более дешевое водяное отопление высокого давления по системе Перкинса (патент 1831 г.). Система составлялась из вертикальных толстостенных трубок (внутренний диаметр 15 мм, наружный 25 мм), со всех сторон замкнутых и заполненных водой. Вода нагревалась в змеевике, помещенном в центральную печь. Такого же рода змеевики («нагревательные спирали»), соединенные одной трубой, размещались в обогреваемых помещениях.
Сейчас подобная связь отопительных приборов именуется однотрубной. В системе циркулировала вода под значительным давлением (до 7 МПа) , нагреваемая до 260-300оС. В системе водяного отопления высокого давления кроме змеевиков в помещениях использовались гладкие трубы большого диаметра, а затем и ребристые трубы — первые специальные отопительные приборы. Применялось также водяное отопление повышенного давления (до 0,8 МПа) с отопительными приборами в виде чугунных цилиндрических печей со сквозным внутренним каналом.
С 70-x годов 19 столетия с водяным отоплением высокого давления стало успешно конкурировать водяное отопление низкого давления, выполняемое заводом Сан-Талли в Петербургe по горизонтальной схеме с отопительными приборами из ребристых труб (фасонные части и арматура ввозились из Германии). В последней трети XIX в. водяное отопление низкого давления осуществлялось в различных городах России в виде вертикальных и горизонтальных однотрубных систем. В 1875 Г. К. Лешевич впервые устроил квартирное водяное отопление низкого давления, действующее самостоятельно или во время топки кухонного очага. В 80-x годах около каждого отопительнoгo прибора стали устанавливать регулирующие краны. В 90-х годах появилось двухтрубное водяное отопление, где по одной из параллельно прокладываемых двух вертикальных труб подавалась в отопительные приборы нагретая вода, по другой отводилась охлажденная. Вертикальные трубы отопления прокладывались скрыто в стенах, ребристые трубы закрывались щитами и декоративными решетками.
Для начала ХХ в. характерно стремление к уменьшению первоначальной стоимости отопительных установок. Водяное отопление устраивается с открытой прокладкой вертикальных труб и открытой установкой отопительных приборов (около 1900 г. появились чугунные радиаторы). Применяются различные решения с целью повышения скорости движения воды для уменьшения диаметра труб. Побуждение циркуляции воды предлагалось осуществлять путем подмешивания к воде в подъемных трубах воздуха, пара, перегретой воды.
В. М. Чаплин разработал и в 1903 г. впервые применил в Москве паро-водо-водяное отопление с побуждением циркуляции воды пароструйным инжектором. Для отопления здания устанавливались два котла: паровой для получения пара под давлением 0,05 — 0,3 МПа (в зависимости от высоты здания) и водогрейный для нагревания воды до температуры от 100 до 150 С, которая, смешиваясь с охлажденной водой, поступала при пониженной температуре (не выше 90 С) для отопления помещений. Предложенное В. М. Чаплиным эжектирование охлажденной воды при подаче снаружи высокотемпературной воды повсеместно используется до настоящего времени для центрального водяного отопления зданий.
В 1905 г. В. А. Яхимович предложил и внедрил «трубчатые приборы с рубашкой из бетона» — паробетонные приборы панельно-лучистого отопления, основанного на заделке нагревательных элементов в толщу ограждающих конструкций помещений. В последующие 10 лет было выполнено свыше 100 таких отопительных установок. В те же годы появилось районное отопление: несколько зданий стали снабжаться тепловой энергией из oднoгo центра. При этом в качестве теплоносителя «дальнего действия» использовался пар, в зданиях устанавливались пароводяные теплообменники (бойлеры) и оборудовалось водяное отопление с естественной циркуляцией. Например, таким пароводяным отоплением в 1903 г. были оборудованы 13 корпусов Петербургской детской больницы (А. К. Павловский).
Начало применения насосов в России для побуждения циркуляции воды с целью не только уменьшения диаметра труб, но и увеличения радиуса действия водяного отопления относится к 1909 г. Осторожное отношение к использованию насосов в водяном отоплении последовало после отрицательного выступления г. Ритшеля на третьем Германском съезде по отоплению и вентиляции в 1901 г. Насосное водяное отопление впервые было осуществлено в Михайловском театре в Петербурге (Н. П. Мельников). В двухтрубной системе отопления каждый радиатор снабжался обходной веткой с переключательным трехходовым краном для возможности использования ее при выключении радиатора. В 1912 г. насосное водяное отопление было запроектировано Н. П. Мельниковым в нескольких крупных зданиях, в том числе в корпусах Института инженеров путей сообщения, где устраивалось впервые районное водо-водяное отопление с радиусом действия около 400 м при давлении, создаваемом насосом, 100 кПа. В здании Эрмитажа пневматическое (воздушное) отопление системы Аммосова было заменено водяным, рассчитанным на поддержание температуры в помещениях с колебанием в пределах 0,5оС.
В общем же в царской России установок центрального водяного отопления было мало и большинство их монтировалось в расчете на гравитационную (естественную) циркуляцию воды. Основная масса зданий, даже в столице, имела печное отопление, что отражалось на структуре и содержании тогдашних учебников по отоплению: они начинались с крупного раздела «Печное отопление».
Развитие систем отопления в СССР
В области водяного отопления период до середины 20 столетия характерен широким применением двухтрубного распределения теплоносителя воды по отопительным приборам здании. Однако с конца 1940-х годов в нашей стране весьма широкое распространение получили однотрубные системы водяного отопления. К настоящему времени этими системами оборудовано большинство зданий и сооружений.
Следует иметь в виду, что однотрубные системы отопления нашли столь широкое распространение не случайно. Во-первых, эти системы были менее металлоемкими по сравнению с двухтрубными. Во-вторых, они оказались гидравлически более устойчивыми (особенно при низких значениях наружной температуры воздуха) по сравнению с двухтрубными. В-третьих, именно эти системы позволили при переменном перепаде температуры воды в стояках максимально индустриализировать их изготовление на заготовительных предприятиях. Их можно было производить (при определенных условиях) еще до возведения обслуживаемого ими здания.
К недостаткам однотрубных систем можно отнести то, что они лишены возможности не только индивидуального регулирования теплоотдачи отопительных приборов, но и индивидуального учета теплоты, расходуемой на отопление того или иного помещения (или комплекса помещений).
Требования к тепловому режиму помещений в СССР постепенно повышались. Были установлены строгие нормативы температуры в помещениях разного назначения. Например, оптимальные температурные условия работы учащихся 22оС и недопустимость заметного отклонения от них (при понижении температуры до 15оС усвоение слушателями излагаемого материала снижается на четверть, а при повышении температуры до 30оС — наполовину).
Современные направления развития систем отопления
Для создания наиболее благоприятных условий труда и быта людей разрабатываются и внедряются технически совершенные, эффективные отопительные установки. Их отдельные элементы (узлы и детали) унифицируются для сокращения затрат труда. Это особенно важно при большом объеме промышленного и гражданского строительства. Эффективность действия отопительных установок обеспечивается путем оптимизации проектных решений с применением ЭВМ, придания установкам надежности в эксплуатации, автоматического поддержания необходимой температуры теплоносителя. Исследуются режимы эксплуатации, ищутся способы управления отопительными установками для экономии тепловой энергии.
Разрабатываются отопительные установки, основанные не на сжигании традиционных видов органического топлива (твердого, жидкого, газообразного), а на использовании сбросной теплоты возобновляемых источников, в том числе низкотемпературных. Одним из возобновляемых теплоисточников для отопления может являться солнечная энергия. Однако малая плотность лучистого потока на поверхности земли в большинстве районов страны ограничивает мощность отопительных гелиоустановок и их распространение.
В отдельных районах для отопления потребляется геотермальная энергия (глубинная теплота Земли) в виде пара и горячей воды, используется теплота грунта. Важным теплоисточником становится атомная энергия из-за известной ограниченности запасов органического топлива. Уже сейчас здания и сооружения, расположенные близ атомных электростанций или специальных атомных станций теплоснабжения, отапливаются водой, нагреваемой при действии атомных реакторов. Для отопления помещений используется также электрическая энергия, в частности в районах расположения гидростанций.
К началу XX века относится создание лучистого и панельного отопления. Но основное направление в развитии отопительных систем было направлено на усовершенствование котлов, печей и радиаторов. Получают свое развитие системы центрального отопления, теплофикации и централизованного теплоснабжения. К концу XX века особую популярность получает новый вид топлива – природный газ.
Современные пути развития отопительных систем направлены на поиск новых источников топлива (например: солнечные коллекторы, тепловые насосы, ветрогенераторы ), использование пеллет и топливных брикетов а так же энергосбережение и учет.
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.
