Текст книги "Описание первой в мире системы централизованного теплоснабжения Бердсилла Холли в городе Локпорт"

Описание первой в мире системы централизованного теплоснабжения Бёрдсилла Холли в городе Локпорт

© Ерженинова П. А., перевод на русский язык, 2017

© «Страта», 2017

* * *

Система Холли парового отопления для городов и поселений при использовании трубопроводов, проложенных вдоль городских улиц

Анонсирование компанией «The Holly Steam Combination Company», расположенной в г. Локпорт, штат Нью-Йорк, системы отопления жилых и общественных зданий с их описанием и питанием от центрального источника с помощью уличных магистралей и ответвлений, а также измерением расходов пара для каждого потребителя.

Совет директоров

Д. Ф. Бишоп, М. Д., президент

Самуэль Роджерс, вице-президент

Ф. Н. Тревор, секретарь

И. Г. Бобкок, бухгалтер

Бёрдсилл Холли, Б. Д. Холл, М. М. Саутворт

Локпорт, штат Нью-Йорк:

Печать компании «Союза печати и публикаций»,

Ходж Опера Хаус, 21.

1878

Предисловие

Потребности цивилизованного мира все время расширяются, для их удовлетворения необходимо постоянно проявлять изобретательность при создании новых систем и устройств. Особенно это относится к плотно заселенным жилым микрорайонам. Жители, в действительности, самостоятельно обеспечивают лишь малую часть своих ежедневных потребностей. При разделении труда немногочисленные исполнители обеспечивают потребности многих людей. Наша одежда, многие наши ежедневные потребности, наши лампы, даже вода, которую мы используем, получаемые нами систематически, лучше и дешевле, чем если бы мы обеспечивали их сами. Есть еще одна необходимая вещь, а именно: система распределения тепла.

Мистер Бёрдсилл Холли с помощью пара первым решил эту проблему; «Объединенная паровая компания Холли», расположенная в Локпорте, штат Нью-Йорк, была создана, чтобы на практике продемонстрировать полезность его изобретений.

Уверенные в полном успехе, после отработанного зимнего сезона, мы приветствуем терпеливую публику; на следующих страницах мы изложим в деталях методы исполнения нашей работы и степень ее успешности.

Рисунки, представленные здесь, были сделаны, чтобы дать читателю представление о назначении специальных частей систем без загромождения деталями технического описания, которые нужны инженерам и людям, напрямую заинтересованным в использовании их в своей работе.

Рис. 1. Схема тепловых сетей г. Локпорта

Система парового отопления Холли для городов и поселений

Тепло является необходимым условием жизни для человека, его жизнеспособность прекращается, когда тепло отсутствует. Правильное распределение тепла важно для нашего комфорта и здоровья. Климатические изменения, происходящие изо дня в день, постоянно стремятся вывести из равновесия наше комфортное состояние. С едой мы получаем углерод, один из элементов, дающих тепло изнутри, одежда защищает от сильных порывов ветра и предотвращает слишком быстрое охлаждение наших тел. Это предметы первой необходимости, но их недостаточно.

Большую часть года необходимо искусственно обогревать наши дома. Вопрос о том, как обеспечить обогрев при надлежащей температуре помещений наиболее экономично и поддерживать чистым воздух, которым мы дышим, был предметом изучения для многих умов и ставил задачи для многих изобретателей. Переход от открытого огня, или очага, который использовали наши предки, к современной технике, привел к сокращению трудозатрат и экономии топлива, но при этом не был направлен на обеспечение чистого воздуха и здоровой жизни. Печи для отопления и для нагрева различных материалов, хотя и служат полезной цели, но до сих пор остаются объектами для критики. В лучшем случае они являются несовершенными нагревателями. Они загрязняют окружающую среду пылью. Выделяющиеся вредные газы незаметно смешиваются с воздухом, которым мы дышим, и вызывают немало серьезных заболеваний.

Паровое отопление

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 м³), 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 км²) 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 м³), жилое здание – 10000 фут³ (282 м³), церковь – 200000 фут³ (5647 м³), фабрика – 100000 фут³ (2823 м³), 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.

При таком исполнении тепловой сети любая часть района, которая в какой-то период потребляет повышенное количество пара, может быть дополнительно подпитана за счет подачи пара и с противоположной стороны, таким образом поддерживается практически одинаковое давление пара у потребителей всего района. В связи с тем, что трубопроводы на плане проложены радиально вплоть до границ отапливаемого района, для обеспечения подачи соответствующего расхода пара потребителям их диаметр уменьшается от восьми до полутора дюймов. Легко убедиться в том, что для предлагаемой тепловой сети предусмотрены трубы меньшего размера и более дешевые, чем те, что применяются в системе отопления низкого давления, характерной для отдельных зданий, и которые невозможно использовать при строительстве разветвленной наружной тепловой сети. При низком давлении пара пропускная способность паропроводов очень ограничена. Но, благодаря системе регулирования давления пара мистера Холли, в системе отопления здания давление пара составляет не более 4 фунтов на квадратный дюйм (0,272 ати), тогда как в котлах и трубопроводах наружной тепловой сети его величина 60 фунтов на квадратный дюйм (4,083 ати) или больше. Очевидно, что при таком давлении небольшая труба малого диаметра доставит потребителю большое количество пара, при этом давление пара в здании всегда будет безопасным и равномерным во всей системе отопления. Эти наружные сети проложены в вырытых на улицах траншеях, от трех до четырех футов глубиной, чтобы находиться выше газовых и водопроводных труб. Труба покрывается изоляционными материалами, а затем вставляется в просверленные для этой цели деревянные стволы. Они укладываются на черепичную плитку для обеспечения дренажа грунтовых и дождевых вод. Дренаж также улучшает состояние уличного покрытия после того, как происходит осадка земли.

Сжатие и расширение стальных трубопроводов при транспортировке пара на большие расстояния вследствие изменения их температур в процессе их эксплуатации было реальным препятствием для успешной работы тепловой сети. В этой системе блоки термических компенсаторов располагаются на расстоянии от 100 (30 м) до 200 футов (60 м) по трассе (см. рис. 4).

Они предусматривают свободные продольные расширения и сжатия участков трубопроводов, и при использовании таких же компенсаторов подводящие паропроводы прокладываются под землей в подвалы отапливаемых зданий.

С помощью подвижного штока с клапаном, расположенным в корпусе парораспределительной коробки, производится открытие проходного сечения для дросселирования пара и пропуска конденсата по мере его накопления в парораспределительной коробке и подачи его в нижнюю часть корпуса мембранного регулятора, расположенного в стене подвала, как показано на рис. 5. На входе в здание конденсат в потоке пара, показанный стрелкой, находится при давлении 50 фунтов на квадратный дюйм (3,40 ати), при дросселировании пара в прикрытом отверстии клапаном давление падает до 2 фунтов на квадратный дюйм (0,136 ати), при этом конденсат вскипает, в основном превращается в пар и паровой поток низкого давления направляется в радиаторы, где происходит его конденсация.

Очевидно, что с помощью такого устройства поддерживаемое в паровых магистралях давление 50 фунтов на квадратный дюйм (3,40 ати), может быть уменьшено до одного или двух фунтов на входе в здание, и, следовательно, в доме, расположенном на расстоянии от котельной в две-три мили (3,2–4,8 км), будет точно такой же результат при работе системы отопления, как и в здании, находящемся всего в нескольких футах от нее. Потребитель, живущий рядом с котельной, не будет иметь никаких преимуществ перед потребителем, живущим за милю от него, так как каждый из них будет получать одинаковое давление пара в доме при одной и той же температуре.

Рис. 4. Термический компенсатор трубопровода

Рис. 5. Узел абонентского ввода паропровода в здание

Паровые пожарные машины

Мобильная противопожарная насосная установка с паровым двигателем значительно упростится по составу оборудования, затраты на ее создание снизятся вдвое или больше в связи с отсутствием котла и топки. На улицах городов и сел, имеющих противопожарные водоемы, пар будет подаваться от паровых магистралей к краю тротуара, где паропровод будет выходить на поверхность около уличного пожарного гидранта (см. рис. 12). Мобильная противопожарная насосная установка будет достаточно дешевой и небольшой, после сигнала тревоги она прибудет незамедлительно на место без ужасного шума и путаницы, которыми сопровождается обычно приезд паровой пожарной машины. К ней одновременно будет подведен пар из трубопровода и подаваться вода на всас насоса с необходимым давлением от гидранта. Источник энергии в виде пара будет всегда, а при устройстве врезки паропровода в основание пожарного гидранта размораживание системы исключается даже в самую холодную погоду. Пока это, вероятно, не приведет к сокращению числа пожарных, но значительно повысит их эффективность и уменьшит затраты и текущие расходы противопожарной системы. Эффективность применения самого пара в качестве среды, обеспечивающей тушение огня, хорошо известна в нефтяных регионах. В горящих зданиях пожар часто бушует под полом между лагами, где он недоступен при тушении водой. Пар легче воздуха и, поступая в здание в достаточном количестве, поднимается и заполняет все свободное пространство, таким образом препятствуя горению. Двухдюймовая труба при давлении пара 60 фунтов на квадратный дюйм (4,08 ати) обеспечит расход пара 5000 кубических футов пара в минуту (142 м³/мин), в результате пар заполнит пространство под потолком высотой 2 фута (0,61 м) в комнате с размерами в плане 25 на 100 футов (7,6 x 30,5 м).

Лед и снег

Лед и снег могут легко и дешево убираться с улиц и тротуаров, где в больших городах они часто создают большие трудности для движения пешеходов и дорожного транспорта. Один шкаф высотой шесть футов, размещаемый рядом с бордюром, со змеевиковой бухтой в его основании позволит растапливать снег по мере его накопления, талая вода будет поступать в ближайший канализационный люк. Эксперименты показывают, что затраты на топливо для плавления тонны снега не превышают пяти центов.

Паровая кухня и паровая прачечная

Во многих крупных гостиницах приготовление пищи производится, в основном, с помощью пара и газа, но сам аппарат слишком дорог, чтобы получить широкое распространение. Плита, показанная на рисунке 6, может быть сделана из листовой меди, оцинкованной стали или стальных листов с оловянным покрытием, при этом ее стоимость будет составлять от пяти до двенадцати долларов. Центральная конфорка имеет диаметр девять дюймов, периферийные конфорки, расположенные по окружности, шестидюймовые, всего семь конфорок для кухни. Центральная паровая камера может быть довольно длинной, удлиняясь к низу, она содержит отсеки для одновременного приготовления нескольких видов овощей. Небольшие конфорки служат для одновременного приготовления устриц, заварного крема, чая, кофе, пудингов и т. д. Весь процесс приготовления пищи может быть выполнен быстрее и лучше, чем при использовании дровяной или угольной печи, исключая при этом пожароопасность и повышение температуры в комнате в жару. Пар, полученный с одного фунта (0,454 кг) угля, позволит приготовить вышеперечисленные блюда быстрее, чем в угольной печи. Пар может подаваться в паровой агрегат через небольшой резиновый шланг к нижней части корпуса печи от воздушного клапана отопительного радиатора, находящегося в столовой. Паровой агрегат можно перемещать в любую комнату, где установлен радиатор, и там его использовать. Впрочем, мы не утверждаем, что предлагаемая паровая печь является универсальной и совершенной, пригодной для любой отрасли кулинарии. Но вне всякого сомнения она может быть усовершенствована за несколько месяцев за счет добавления газовых конфорок для приготовления двух или трех блюд, бифштекса, например, и тогда мы сможем проститься с твердотопливными печами и углем.

Безопасность

Когда эта система получит распространение, с пожарами внутри зданий будет покончено; после того как целые районы или кварталы снабдят паровым оборудованием, исчезнут сами причины, вызывающие большие пожары. Тарифы страхового взноса будут, соответственно, уменьшены.

С помощью оригинального изобретения мистера Холли – противошумной камеры – пар может бесшумно подаваться напрямую в воду для стирки или в ванну и в течение нескольких минут вода нагреется до кипения, таким образом, можно покончить с системой циркуляции горячей воды в домах. Комнату для сушки вещей можно также оснастить более дешево: трубчатый змеевик на полу и выдвижные секции для влажных вещей обеспечат быструю и эффективную сушку.

Рис. 6. Паровая кухонная плита конструкции Холли

Оранжереи и теплицы

В дополнение к вышеупомянутым возможностям использования пара мы также предлагаем отапливать теплицы и оранжереи либо непосредственно паром, либо за счет циркуляции нагретой при конденсации пара воды. С помощью остроумного изобретения мистера Холли вода также может подаваться во все комнаты жилого здания либо при атмосферном давлении, либо за счет энергии пара без использования насоса или парового двигателя (см. рис. 7).

Аккумулятор, обозначенный буквой К, представляет собой тонкостенную чугунную трубу диаметром 8 или 10 дюймов (203–254 мм) с заглушками по торцам, располагается вертикально на кухне, в ванной комнате или там, где захочется его разместить; труба диаметром 1/2 дюйма, имеющая обратный клапан перед баком в подвале, связывает этот бак и нижнюю часть аккумулятора. Паровая трубка диаметром 3/8 дюйма, обозначенная буквой R, проведена из подвала в верхнюю часть аккумулятора, вода для использования отбирается в аккумулятор вблизи дна нижнего резервуара через клапан, обозначенный буквой с.

Рис. 7. Схема системы теплоснабжения в здании

Описание работы схемы

При открытии клапанов, обозначенных буквами с и о, пар входит в аккумулятор сверху и вытесняет воздух через клапан с. Затем оба клапана закрываются, пар конденсируется, и образуется вакуум, объем аккумулятора будет заполняться водой из нижнего резервуара. В этот момент аккумулятор заряжен и готов к использованию. Если приготовленная вода разбирается при открытых двух клапанах, то объем аккумулятора вскоре заполнится водой после закрытия обоих клапанов. Если нужно хранить воду в баке, расположенном на чердаке, то паропровод диаметром 3/8 дюйма, упомянутый выше, должен присоединяться к паровой сети выше регулирующего клапана, чтобы давление пара в нем определялось давлением в уличных магистральных трубопроводах.

Затем через трубку диаметром 1/2 дюйма с обратным клапаном, соединяющую нижнюю часть аккумулятора и бак на чердаке, после заполнения аккумулятора описанным выше способом открывается паровой клапан, обозначенный буквой о, создается давление пара на поверхность воды в аккумуляторе от 30 до 50 фунтов на дюйм (от 2,0 до 3,4 ати), что позволит подать ее в бак, расположенный на высоте 60 или 80 футов (18–24 м). Вода в этом баке при необходимости может оставаться горячей: при открытом клапане о после отбора воды из аккумулятора пар проходит по трубопроводу в вышеупомянутую бесшумную камеру конденсации пара, расположенную в баке на чердаке.

Паровые машины применяются в качестве приводов различных устройств небольшой мощности на самых разных производствах, которые имеются во всех городах; их отработанный пар может использоваться для отопления тех же производственных зданий.

Таким образом, мы подробно рассказали о некоторых применениях пара с помощью представленной паровой системы централизованного теплоснабжения. Паровое отопление не является новым, так как многие крупные предприятия в течение ряда лет отапливаются с помощью протяженных паропроводов. Но поставка пара в общественный сектор с измерением поставленного тепла, его оплатой, и распределением через магистральные трубопроводы и отводы паровых сетей из металлических трубопроводов, проложенные на улицах городских районов, является совершенно новым достижением.

Кому-то, возможно, приходила в голову общая идея, что целые районы жилых зданий можно было бы обеспечивать паром с целью их отопления и производства механической энергии, но никому до сих пор не удавалось изобрести устройства или оборудование, с помощью которых это могло бы быть воплощено в жизнь.

Без ряда важнейших конструкций и находок системе мистера Холли суждено было бы остаться всего лишь фантазией. Но, благодаря своему мастерству и гениальности, он смог от идей перейти к реальному исполнению системы; эти практические решения защищены патентами. Не вдаваясь в детали описания всех используемых устройств, мы кратко опишем те трудности, которые удается преодолеть с их помощью.

Принято считать, что передача пара на большие расстояния невозможна в связи с его быстрой конденсацией в трубопроводе. Однако тщательные эксперименты для труб малого диаметра длиной 4/3 мили (2,15 км), теплоизолированных надлежащим образом, показывают, что процент потерь пара очень мал, и что процесс конденсации пара фактически не является препятствием. Приведенная таблица дает представление о тепловой нагрузке районов, которые могут экономично отапливаться с помощью трубопроводов различных диаметров централизованной тепловой сети:

Конденсация в шестидюймовой трубе в два раза больше, чем в трехдюймовой, но ее пропускная способность по пару в шесть раз выше.