Системы с усилением циркуляции воды с помощью насосов

Применение насосов дает уже полную возможность не только усиливать циркуляцию воды, но и передвигать ее на громадные расстояния независимо от температуры ее, при чем центральное регулирование температуры помещений возможно здесь в полной мере; регулирование это при том может быть достигнуто двояким способом: можно, поддерживая одинаковую скорость циркуляции вода, менять на центральной станции температуру ее, или же при постоянной температуре воды - менять скорость движения воды; как в одном, так и в другом случае будет изменяться средняя температура воды, протекающей через нагревательные приборы, чем и достигается регулирование количества выделяемой приборами теплоты.

Конечно, применение насосов вызывает известный добавочный расход как на первоначальное устройство, так и при эксплуатации системы - на приведение насоса в действие; поэтому для зданий небольшого размера применение насосов не целесообразно, если это не вызывается какими либо местными условиями данного здания; но в тех случаях, когда требуется отводить нагретую воду на далекие расстояния при растянутых зданиях, или же отапливать водяною системою ряд зданий из одного центра, применение насосов, независимо от других удобств, может оказаться иногда даже более выгодным, чем устройство отдельных самостоятельных водяных систем для каждого здания. В этом отношении применение насосов для отопления на далекие расстояния заслуживает полного внимания, почему ниже эта система описана подробнее.

До применения насосов разведение тепла на далекие расстояния производилось исключительно при помощи пара высокого давления, но способ этот имеет довольно существенные недостатки, присущие вообще паровым системам, Прежде всего при нем требуются более дорогие. котлы высокого давления и более дорогой и тщательный способ прокладки паропроводных труб, сопровождающихся еще рядом вспомогательных приборов в виде компенсаторов, водоотводчиков, конденсационных горшков, регуляторов давления пара и проч.; за всеми этими приборами требуется постоянный и тщательный уход, увеличивающий расход на служебный персонал. Далее, потери тепла наружною поверхностью паропроводов, даже при хорошей изолировке их, весьма значительны и могут доходит до 10% общего расхода тепла при паре высокого давления, имеющем соответственно высокую температуру; потери эти гораздо больше, чем при водяных магистралях, в особенности если принять во внимание, что в более теплое время температура воды в системе понижается, а вместе с тем уменьшаются и потери тепла, при паре же эти потери остаются неизменно большими как в холодное, так и в более теплое время, в виду не изменяющейся температуры пара; при водяных магистралях потери в них при хорошей изолировке обычно не превышают 2,5% общего расхода тепла. Большим недостатком применения пара является также указанная быстрая изнашиваемость конденсационных труб от ржавчины; этот недостаток устраняется лишь при применении медных конденсационных труб, сильно увеличивающих однако стоимость. системы; отвод конденсационной воды также во многих случаях сопровождается большими затруднениями, а при необходимости по местным условиям перекачки конденсационной воды насосами - требуется еще добавочный расход на постановку насосов и на приведение их в действие.

Эти недостатки отсутствуют при разведении тепла нагретою водою при помощи насосов, система получается более простою и требует меньшого за собою ухода.

Общее устройство этой системы следующее (черт. 358): на центральной станции А устанавливаются водогрейные котлы, вода в которых может согреваться огнем или паром; подъемная труба от котлов в виде общей магистрали а прокладывается от котельной вдоль отапливаемых зданий, давая в каждое здание ответвление, приводящее в него горячую воду, охлажденная же в зданиях вода отводится обратными ответвлениями к общей обратной магистрали d, соединенной с нижнею частью котлов, где снова согревается; насос В, установленный на обратной магистрали у котлов, накачивает воду в последние, насасывая ее из обратной магистрали, вследствие чего и происходит постоянное круговое движение воды. Система эта дает возможность разводить воду на любое расстояние от котлов в зависимости от силы насоса.

рис. 358

Устройство систем отопления в самих зданиях может быть двоякое: 1) вода может накачиваться непосредственно в нагревательные приборы, установленные в помещениях, при чем во всех трубах здания получается быстрая циркуляция воды, что дает возможность уменьшить диаметры циркуляционных труб и тем удешевить стоимость устройства и 2) вода может накачиваться в теплоемкие резервуары, установленные в подвалах отапливаемых зданий, от резервуаров же устраиваются обычные водяные системы, циркуляция воды в которых происходит вследствие разности плотностей воды в подъемной и обратных трубах. В первом случае в зданиях получатся системы малой теплоемкости, при каковых, для получения постоянной температуры в помещениях потребуется непрерывная работа насоса и днем и ночью; во втором случае стоимость устройства систем в зданиях, вследствие добавления теплоемких резервуаров, дороже, но насос может работать периодически, по мере надобности. Какой из этих двух систем отдать предпочтение - следует решать в каждом частном случае в зависимости от местных условий и требований.

Согревание воды в центральной котельной предпочтительно производить в обычных огневых водогрейных котлах, если не имеется свободного пара, при наличии же последнего согревание воды производится паром; такое использование свободного пара является особенно выгодным, когда имеется избыток мятого пара от паровых машин или турбин, что имеет место, напр., в больших электрических или для иной цели силовых станциях, где значительное количество теплоты отработанного пара пропадает иногда бесполезно; подобное соединение силовых станций с тепловыми станциями может дать до 25% экономии в общем расходе топлива.

Если развитие силы на силовой станции производится паровыми поршневыми машинами с выпуском отработанного пара, то отработанный пар от них проводится к установленным здесь же пароводяным подогревателям (подобным указанному на черт. 346) и служит для согревании в них воды, которая затем перекачивается насосом в системы отопления.

При машинах с конденсацией подогреватель воды является одновременно и конденсатором, но так как для целей отопления вода должна подогреваться до довольно высокой температуры, а при таких условиях подогреватель конденсатор не дает достаточного вакуума, необходимого для машины, то подобное устройство полезно снабжать еще мокровоздушным насосом, отсасывающим мятый пар вместе с конденсационною водою и тем улучшающим образование вакуума; общая схема расположения отдельных частей такого устройства показана на черт. 359. 

рис. 359

Мятый пар удаляется из паровых машин по трубе а, проходит через маслоотделитель Н и затем входит в змеевик водогревателя А, согревая здесь воду; если мятого пара почему либо недостаточно, то для подогревания воды добавляется свежий пар при помощи автоматически действующего регулятора D; конденсационная вода отсасывается из змеевика подогревателя по трубе b мокровоздушным насосом С и затем поступает в бак В для конденсационной воды; на случай порчи насоса имеется обходная труба d, по которой конденсационная вода может поступать непосредственно в бак, помимо насоса. Охлажденная вода из систем отопления поступает по трубам р в сборник К₁ , откуда перекачивается центробежным насосом Т в подогреватель А, выдавливая из него нагретую воду по трубе h в сборник горячей воды К₂, из которого она переходит в магистрали m, разводящие горячую воду в системы отопления.

Если для развития силы на силовой станции применяются паровые турбины, работающие с вакуумом, то есть с конденсатором, то последний является одновременно и подогревателем воды, из которого горячая вода может разводиться для целей отопления; паровые турбины в отношение использования теплоты отработанного пара даже удобнее, чем паровые поршневые машины, так как они дают пар, свободный от масла и при том более высокой температуры.

При использовании отработанного пара от машин силовых станций для целей отопления следует, однако, иметь в виду, что оно является достаточно экономным лишь в тех случаях, когда потребности в отоплении близко соответствуют нагрузкам машин; в виду этого при составлении проекта такого отопления необходимо предварительно сравнить, по диаграммам предполагаемых нагрузок, количества освобождающейся из машин теплоты в разное время года, по месяцам и в разные часы дня, с количествами теплоты, необходимыми в то же время для отопления и лишь на основании таких сравнений решить вопрос о выгодности применения отработанного пара данной силовой станции для отопления. В тех случаях, когда машины силовой станции работают равномерно как в теплое, так и в холодное время, - целесообразнее применять отработанный пар для более постоянных потребностей, напр. для приготовления горячей воды с целью снабжать ею бани, ванны,. кухни и проч., употребляя его для отопления лишь при отсутствии таких потребностей.

Магистральные трубы между зданиями прокладываются в таких же тоннелях, какие были указаны при описании пароводяной системы, с той лишь разницею, что тоннели, в виду отсутствия компенсаторов, конденсационных горшков и прочих приборов, сопровождающих пар, могут иметь меньшие размеры. При прокладке магистралей следует соблюдать те же правила, какие были указаны при описании водяной системы; в особенности тщательна должна быть изолировка их во избежание бесполезной траты тепла. Так как движение воды по магистралям происходит исключительно вследствие механического побуждения, то их можно укладывать без особого соблюдения правил относительно уклонов, руководствуясь исключительно характером местности.

Системы отопления отдельных зданий могут присоединяться к магистралям таким образом, что приточная труба здания соединяется с приточною магистралью, а обратная труба здания с обратною магистралью, как показано на черт. 358; при таком способе соединения в приточной и обратной трубах здания образуется значительная разность давлений, вызывающая усиленное движение воды через нагревательные приборы, при чем получается система малой теплоемкости. При системах большой теплоемкости соединение остается тоже, но приточные и обратные трубы, входящие в здания, присоединяются к теплоемким резервуарам, от которых устраиваются обычные водяные системы. Наконец, если желают оставить в здании водяную систему малой теплоемкости, но действующую исключительно вследствие разности весов горячей и охлажденной в приборах воды, то включение её в магистральные трубы должно быть несколько иное; в этом случае приточную и обратную магистраль соединяют между собою у здания ветвью е n (черт. 360) и в эту соединительную ветвь включают приточную и обратную трубы здания; тогда насос будет оказывать на обе последние трубы одинаковое давление, которое следовательно не будет уже влиять на циркуляцию воды в здании и последняя будет происходить, как в обычной водяной системе, исключительно вследствие разности весов воды.

Расположение труб и нагревательных приборов в зданиях при ускоренной циркуляции воды остается такое же, как при обычной водяной системе, с низовым или верховым разведением воды; прокладка трубопроводов несколько облегчается тем обстоятельством, что при усиленной циркуляции воды возможность застоев воздуха, столь опасных при обычной водяной системе, почти отсутствует, поэтому трубопроводы можно прокладывать так, как это выходит удобнее по местным условиям, без особо строгого соблюдения уклонов, но конечно и здесь необходимо делать отвод воздуха из наиболее повышенной части системы в каждом здании. Для вмещения же избытка воды, получающегося от расширения при нагревании, здесь нет необходимости устанавливать в каждом отапливаемом здании отдельный расширительный сосуд, а достаточно ограничиться общим расширительным сосудом, соединенным с обратною магистралью пред насосом. Само собою разумеется, что высота расположения расширительного сосуда должна быть не меньше высоты напора, существующего в этом месте системы.

Регулирование температуры помещений производится при помощи кранов, установленных у нагревательных приборов; при этом, если система в здании работает исключительно вследствие разности давлений, вызываемых насосом, то полное выключение одного или группы приборов может уже оказывать влияние на теплоотдачу соседних приборов, так как, при неизменной работе насосов, при таком выключении начинается усиленная циркуляция воды через соседние приборы, теплоотдача которых таким образом усиливается; во избежание этого включение и выключение нагревательных приборов можно производить при помощи трехходового крана е, делая присоединение так, как это показано на черт. 361; это дает возможность направлять движущуюся массу воды через прибор, или при выключении последнего через обходную ветвь е n при чем в обоих случаях условия движения воды будут оставаться неизменными и в систему ее будет вводиться никаких лишних сопротивлений. 

рис. 360

Черт. 362 изображает конструкцию одного из трехходовых кранов: при положении золотника, изображенном слева, вода направляется через прибор, а при повороте золотника на 90° - прибор выключается и вода идет через обходную линию, как это изображено справа.

Применение насосов для движения воды вполне сохраняет главное достоинство водяной системы - возможность центрального регулирования температуры в зданиях; это регулирование может достигаться здесь изменением температуры воды в котлах при неизменной скорости её движения, или же соответственным изменением скорости движения воды при постоянной её температуре. Имея в виду постоянство действия насосов, преимущественно пользуются первым способом, изменяя температуру циркулирующей воды, как это делается и при обычной водяной системе.

Скорость движения воды зависит здесь от принятой в расчет разности давлений в приточной и обратной магистралях; поэтому для возможности регулировки температуры притекающей воды необходимо заботиться, чтобы даже при выключении из общей системы целого здания, эта разность давлений в магистралях не изменялась; для достижения этого в местах включения здания в общую систему устраивается обходная ветвь (черт. 363) с кранами W на ней и А, А - на приточной и обратной трубах здания; при необходимости выключения здания краны А закрываются и открывается кран W на обходной линии, через которую и происходит в этом случае циркуляция; назначенная разность давлений устанавливается по манометрам Н при помощи большого или меньшого поворота крана W. Это же приспособление служит для установления однообразной, принятой в расчет, разности давлений в приточной и обратной трубах каждого здания, так как эта разность зависит от расстояния здания от насоса и в ближайших зданиях получается больше, чем в дальнейших.

Насосы для передвижения воды могут быть поршневые или центробежные; из них первые обычно имеют больший коэффициент полезного действия, но работа их неравномерная, так как сопровождается толчками при движении поршня, шум от которых может распространяться по зданию, передаваясь по трубам; в виду этого предпочтительно применение центробежных насосов, обладающих постоянством действия, занимающим небольшое место и удобно соединяющимся с двигателями, в особенности с электрическими. При обслуживании даже целого ряда зданий достаточно установить один работающий насос, нагнетающий воду во все здания одновременно; но, имея в виду возможность случайной порчи насоса и опасность остановки таким образом действия всей системы, следует всегда устанавливать второй запасный насос, снабжая даже его двигателем иного типа, чем двигатель первого насоса, то есть, если у рабочего насоса имеется электродвигатель, то, к запасному следует иметь газовый или нефтяной двигатель; такие предосторожности дают полную гарантию в беспрерывности действия системы даже при порче электропроводов или одного из насосов.

рис. 363

При передвижении воды насосами разведение воды может быть сделано и по однотрубной системе, как это показано на черт. 364; здесь имеется лишь одна, выходящая из котельного здания А, кольцевая магистраль одного и того же диаметра на всем протяжении, с которою соединяются как приточная, так и обратная труба каждого здания; для движения воды по последним трубам и для получения в них определенной разности давлений, - в магистрали между точками присоединения приточной и обратной труб здания, должно быть в этом случае введено сопротивление а в виде регуляторного крана или в виде фланца, стесняющего сечение в этом месте вследствие чего часть воды направляется в приточную трубу здания; магистраль может быть и в виде нескольких колец, как показано на черт. 365.

Точно также и нагревательные приборы в здании могут быть включены по однотрубной системе как показано на черт. 366; здесь для достижения намеченной ускоренной циркуляции также необходимо вводить регуляторные приспособления е в стояки между притоком и оттоком воды нагревательных приборов. Само собою разумеется, что введение этих сопротивлений отзывается на увеличении работы насоса.

рис. 364

рис. 365

Недостатком однотрубной системы является то обстоятельство, что при ней, по мере удаления от котельной, температура воды понижается, так как по пути её движения к ней постепенно примешивается охлажденная вода из обратных труб ближе расположенных зданий; это обстоятельство несколько усложняет расчет системы, при чем в дальних зданиях приходится устанавливать нагревательные приборы большого размера, чем в ближних. Дабы уменьшить влияние примешивания охлажденной воды - систему рассчитывают таким образом, чтобы разница температур воды в приточной и обратной трубах была бы не более 10° С. Вообще же какой из систем, однотрубной или двутрубной, следует отдать предпочтение - может решить только расчет в каждом отдельном случае.

рис. 366

Из выше помещенного описания системы с разведением тепла нагретою водою при помощи насосов видно, что система эта имеет за собою значительные преимущества по сравнению с разведением тепла при помощи пара; преимущества эти состоят в возможности центрального регулирования, в меньшей потере тепла от охлаждения магистралей, в большей безопасности трубопроводов вследствие меньшого в них давления, в более легком преодолении затруднений в прокладке труб, вызываемых профилем местности, под которою приходится прокладывать магистрали, и в некотором удешевлении стоимости тоннелей для прокладки магистралей. Вследствие этих достоинств насосные системы получили в настоящее время большое распространение, в особенности для отопления больших зданий или групп зданий.