pepyako123

В предыдущей части (http://pikabu.ru/story/inzhenernyie_sistemyi_chast_1_kotelny...) мы рассмотрели принцип работы котельной, узнали каким образом холодный теплоноситель превращают в горячий и каким образом используется его энергия. Пришло время направить его в наши дома, и в этом нам поможет следующий комплекс инженерных систем – тепловая сеть.

Эта часть будет, скорее всего, самой короткой, потому что принцип действия теплосетей очень прост, а все детали и сложности кроются в расчётах, которыми занимаются специалисты.

Тепловая сеть – это набор трубопроводов, арматуры и специальных устройств, позволяющих развести горячую воду от котельной к разным районам, микрорайонам и отдельным домам. Арматура в данном случае это не стальные стержни, которыми жители неблагополучных районов зарабатывают на жизнь, а специальные механизмы управления потоком, но о них позже.

Итак, мы нагрели воду в котлах и хотим направить её замерзающим горожанам. Помогут нам в этом сетевые насосы. Вот они, синего цвета (большая штука сверху это двигатель, а рёбра на корпусе нужны для его охлаждения):

Насосы нужны для перекачивания горячей воды от котлов в систему теплоснабжения. Их размеры и мощность продиктованы огромными расходами и высоким давлением теплоносителя.

Далее вода поступает непосредственно в трубы, которые все видели рядом с дорогами в промышленных районах или под землёй во время ремонтных работ:

Особо про трубы сказать нечего, делают их из стали, соединяют с помощью сварки. Если сравнить фотографии, то на нижней мы видим что и ожидаем, а на верхней труба как будто бы из тонкого металла огромного диаметра. На самом деле, на обеих фотографиях одинаковые трубы, просто верхняя утеплена:

Утепление нужно, чтобы снизить тепловые потери в сетях, которые могут достигать огромных значений, особенно в городских сетях большой мощности. Многие наверняка замечали, как на некоторых газонах или тротуарах зимой нет снега и видно прекрасную чёрную землю без травы. Так вот, прямо под этими местами находятся неглубоко заложенные трубы или тепловые камеры. С технической точки зрения такое явление нежелательно, т.к. из-за потерь тепла в землю и атмосферу придётся тратить больше топлива в котельной и греть воду до более высокой температуры.

Кстати, трубы небольшого диаметра прокладывают прямо так, засыпав землёй. А вот большие трубы прокладывают в специальных каналах из бетона (крышу канала видно справа, она выглядывает из-под земли):

Теперь о тепловых камерах. После котельной это единственный пункт, в котором с трубопроводами происходят изменения:

На таких любят греться бродячие собаки, а нужны они для управления подачей горячей воды при разделении веток, а также на отдельный дом или группу домов. В таком случае, при аварии на подводящих трубах не придётся отключать всю ветку, можно перекрыть только аварийный участок.

Разводка теплосети выглядит примерно так:

И на каждом узле должны быть установлены запорные и регулирующие механизмы.

Отключение и регулировка потока производятся с помощью той самой арматуры: задвижек, вентилей, редукторов, обратных клапанов и других устройств.

Таким нехитрым образом, с помощью системы трубопроводов, вода из котельных распределяется по городу и поступает в наши батареи и краны. Перед этим она попадает в индивидуальный тепловой пункт, но его мы рассмотрим в следующей части про отопление. После системы отопления охлаждённая вода по «обратке» возвращается в теплосеть, достигает котельной и цикл нагрева повторяется.

Разное интересное:

1). Вода в ваших батареях и в горячем кране – скорее всего одна и та же. Большинство домов, особенно построенных в советское время, питаются из сети открытого типа. Это значит, что из подающей горячей трубы вода идёт и на отопление, и на горячее водоснабжение.

В настоящее время при строительстве домов применяют закрытую схему: это значит, что вода из теплосети поступает в теплообменник, где нагревает обычную водопроводную воду. Такая схема предпочтительна, так как требования к очистке холодной воды гораздо выше, а значит она лучшего качества.

2). Во время раскопок теплосетей многие видели такие загогулины:

Они сделаны не для обхода каких-то конструкций и не для разбавления унылой линейности сетей.

Со школы все помнят, что при нагревании любое тело расширяется, а при охлаждении – сжимается. Например, 100-метровая труба, проложенная осенью при 0°С и работающая при температуре воды 50°С станет длиннее на 5,5 см. Подобные изменения изогнут трубу и могут привести к её разрушению.

Так вот на картинке выше изображён П-образный компенсатор, который позволяет трубе удлиняться в расчётных пределах, в таком случае изменение длины примут и разделят между собой сварные швы и отводы труб, а труба останется целой и в неизменном положении.

Также существуют другие типы компенсаторов: сальниковые, сильфонные, линзовые:

Все они служат одной цели – принимать на себя линейное удлинение трубы и не дать ей разрушиться.

На этом по тепловым сетям всё. Как видите, всё предельно просто. Уже в следующей части мы рассмотрим непосредственно системы отопления.

Итак, вот оно - сердце, пламенный мотор и источник жизни любого района в любом городе средней полосы и выше - котельная:

На данных фотографиях представлена Самарская ТЭЦ (теплоэлектроцентраль). Тепло-электро-централью она называется потому, что вырабатывает не только тепловую, но и электрическую энергию. Каким образом это происходит напишу чуть ниже.

По данным интернета данная ТЭЦ планово вырабатывает 2132 Гкал/ч (гигакалорий в час), а обслуживает третью часть жилого сектора областного центра и более пяти крупных промышленных предприятий (данные с http://so-ups.ru/index.php?id=1430). Третья часть жилого сектора - это ориентировочно 300 тысяч человек. Такая вот махина.

Главный агрегат в любой котельной - это, конечно, котёл:

На данной картинке представлен паровой котёл ДКВР-6,5 без кожуха. Кстати, высота этой штуки 5 метров с хвостиком или почти 2 этажа. В этой серии высота котлов достигает 9,6 метров, а вот например котёл ГМ-50-14 в длину имеет 18 метров, в ширину 11, а в высоту 14,6 метра (это, на секундочку, примерно 5 этажей).

Принцип действия такой дурынды заключается в том, чтобы преобразовать химическую энергию топлива (угля, мазута, газа, дерева - да чего угодно, лишь бы горело) в тепловую энергию теплоносителя (воды, пара, хладагента - да опять же чего угодно, лишь бы по трубам бегало). Проще говоря, мы сжигаем топливо, горячие продукты сгорания нагревают теплоноситель, а он в свою очередь подаётся дальше - либо на нагрев чего-то ещё, либо напрямую в тепловую сеть. Кстати, первичный теплоноситель бегает как раз по тем трубкам, которые в изобилии изображены на картинке выше. По подъёмным трубкам теплоноситель поднимается из нижнего барабана в верхний, по опускным - обратно.

Насколько я знаю, в настоящее время прямая подача первичного нагретого теплоносителя используется только в бытовых котлах, которые устанавливаются в отдельно взятом доме. В промышленных установках первичный теплоноситель всегда идёт на теплообменик, в котором он нагревает теплоноситель вторичный (как раз ту воду, которая потом уходит в теплосети по всему городу):

На картинках выше представлен водо-водяной теплообменник, именно с помощью него происходит теплообмен между первичным и вторичным теплоносителями. Холодная вода бежит по трубкам, а горячая - в пространстве между ними (или наоборот, не помню хоть убей). Через стенки трубок они обмениваются тепловой энергией, одна водичка остывает, вторая нагревается, всё очень просто. Примерно так же выглядит пароводяной теплообменник:

Только у него в трубках всегда течёт холодная (нагреваемая) вода, а в пространстве между ними - пар. Связано это с тем, что пар при охлаждении конденсируется, т.е. превращается в воду, и откачивается снизу через патрубок. Тоже всё просто.

Как видим, существует два основных процесса в котлах: нагрев воды и приготовление пара (прямо так и называется). Если с первым всё понятно, мы сталкиваемся с ним постоянно, то вот паровые котлы - вещь более универсальная. Именно из-за них мы называем котельные тепло-электро-централями.

Добавлю изображение котла ДЕ, чтобы легче ориентироваться:

Так вот, мы нагрели воду в нижнем барабане и за счёт огромного теплопритока вода начинает превращаться в пар, который накапливается в верхнем барабане. Да не просто накапливается, а под большим давлением (представьте, что вы варите пельмешки под крышкой с дырочкой - из этой дырочки происходит чух-пух сантиметров на 20). Под этим давлением пар поступает на пароводяной теплообменник, а дальше инженеры придумали гениальную вещь.

Они увидели, что после теплообменника остаётся большое количество пара, которое придется охладить, чтобы подать обратно в котёл. Для этого придётся строить какие-то установки, в которых мало того будет теряться энергия этого оставшегося пара, так ещё будет затрачиваться работа на его охлаждение. И чтобы не выполнять всех этих контрпродуктивных действий, они придумали пар подавать на турбину, вот такую:

Принцип действия простой донельзя: пар под давлением подаётся в кожух турбины, за счёт его кинетической энергии турбина крутится. А на её валу установлен электродвигатель обратного действия (прошу прощения у электриков, я в этом вопросе ноль, называю как представляю). То есть ротор двигателя вращается, искусственно создавая переменное магнитное поле, а это поле в свою очередь создаёт переменный ток. Одним источником закрываем две потребности - в тепловой и электрической энергии.

Кстати, те самые пресловутые дымовые газы или продукты сгорания после котла через дымовой тракт отправляются в дымовые трубы, по которым всегда можно определить котельную издалека:

Эти трубы не зря такие высокие, в них за счёт разности плотностей горячих газов и холодного воздуха возникает естественное гравитационное давление, которое помогает газам вылететь повыше. А если его возникает недостаточно, то подключают дымовые вентиляторы. Вопрос давления мы подробнее рассмотрим в части о вентиляции.

В принципе, мы рассмотрели основной процесс, происходящий в котельной: сжигание топлива - нагрев первичного теплоносителя - нагрев вторичного теплоносителя - подача его в сеть. После этого весь цикл повторяется, но чтобы описать его полностью, нужно рассказать про остальные части комплекса теплоснабжения.

Теперь детали, цифры, всякие интересные штуки, самые явные отличия от бытовых систем:

1). Основной тип котельных в большинстве крупных городов - газовые с паровыми котлами. В них подача топлива производится через горелки (ГМ, ГМГ и другие):

Но в отдалённых районах, или там, где нет централизованного газоснабжения, используются другие виды топлива, в основном это уголь, мазут, дерево, т.н. гранулы, торф и всякое такое. Сжигание мазута может производиться через газовые горелки, они чаще всего универсальные. А вот для сжигания твёрдого топлива используются колосниковые решётки:

Куски топлива сначала дробят, чтобы скорость горения и передачи энергии были максимальны, затем полученную крошку насыпают на решётку и дальше она как в фильме ужасов медленно движется в раскалённое жерло камеры сгорания. Процесс этот должен происходить непрерывно, т.к. при угасании пламени придётся снова разжигать первую порцию топлива, а это перебой в подаче тепла, печалька у потребителя, увольнение по статье у оператора котельной установки.

2). Вторая необычная в быту деталь была видна в первой, это дутьевые вентиляторы на горелках, вот они на переднем плане у каждого котла:

Из школьного курса химии все помнят, что пресловутое горение - это на самом деле экзотермическая реакция окисления горючего вещества. Иными словами, это реакция топлива и окислителя с выделением теплоты. Окислителем в случае горения топлива в котле является кислород, содержащийся в воздухе (так же как и в случае с газовой горелкой на плите, разве что у котла бомбит повеселее). В качестве топлива примем природный газ, основную массу которого (70-98%) составляет метан. Реакция окисления метана в кислороде выглядит так:

То есть на каждую молекулу метана нужны две молекулы кислорода. Кроме того мы помним, что кислорода в атмосферном воздухе всего лишь 23% по массе. Итого на каждый килограмм метана в газовом топливе нам требуется 8,7 кг атмосферного воздуха (всё это прикидочно, просто чтобы представить порядок цифр).

Так вот, расход газа для котла ДЕ 10-14 (соразмерный с котлами на предыдущих картинках) составляет 710 кубометров в час. Соответственно, воздуха для сжигания этого газа требуется 710 * 8,7 = 6 177 кубометров в час. Шесть тысяч! Это почти два кубометра в секунду. Вот для примера один кубометр кирпича:

И вот для подачи на горелку двух таких объёмов ежесекундно и нужны дутьевые вентиляторы.

3). Все помнят, что вода кипит при температуре 100 °С. Но на самом деле, температура кипения любого вещества зависит от давления, и чем оно выше, тем выше данная температура (и наоборот). Этим объясняется тот факт, что яичко на высокой горе не сварится в кипятке и останется сопливым, просто давление там ниже и температура кипения тоже. В котлах же ситуация обратно противоположная.

В водогрейных котлах конечная температура воды может достигать 150 °С и выше. Кипение при этом не допускается, потому что пар имеет гораздо больший удельный объём, чем у воды (проще говоря, это трах, бабах, фонтан перегретой воды и остановка котельной). 

Поэтому давление в котле должно быть строго определённым, например для 150 °С оно составляет не менее 5 атмосфер (для сравнения, это давление человек ощутит на глубине 40 м под водой (1 атмосфера воздушная + по одной атмосфере на каждые 10 м воды).

В паровых котлах ситуация ещё веселее. Температура воды ограничена температурой кипения при определённом давлении, дальше она превращается в пар. А вот у пара эти параметры по сути не ограничены (на самом деле ограничены критической точкой, но там всё сложно и такие температуры на практике не используются). Например, в здоровенном котле ДЕ-25-24-380 пар нагревается до температуры 380 °С и давления в 23 атмосферы! Это давление на глубине в 220 м.

4). Все обращали внимание на признаки любого индустриального района - огромные ужасные трубы, дышащие ядовитыми газами и отравляющими несчастных горожан, сокращая их без того короткую и печальную жизнь:

На самом деле, это совершенно безобидные устройства - градирни. Их задача, всего-навсего, охлаждать поступающую из тепловой сети воду. Когда осенью запускают котельную, температура на улице достаточно высокая и за счёт низкой теплоотдачи вода в котельную возвращается очень тёплой. 

Так как регулировать теплоотдачу в котле мы особо не можем, а подавать тёплую воду на нагрев опасно (повышается конечная температура воды, за ней давление, а потом трах-бабах из предыдущего пункта), воду для дополнительного охлаждения подают в эти градирни, где она стекает по стенкам с большой высоты по большой площади и остывает. Так что "отравленные газы" это всего лишь водяной пар.

Кстати, обратите внимание, работают все три градирни и на деревьях висят листочки, это значит что на улице ну прям очень тепло, а котельную уже запустили. По мере похолодания и увеличения теплопотерь их будут отключать.

На этом по котельным всё. Часть абзацев приклеена вплотную к предыдущим, потому что редактор ругается на 51 блок.  Остальные части буду делать по мере наплыва вдохновения.

Дополнения, замечания и вопросы предлагаю писать в комментариях.