Inženýrské systémy. Část 1: Kotelny. | Pikabu

Na žádost komentátorů u jiného příspěvku (#comment_57904834) jsem se rozhodl vytvořit sérii příspěvků o inženýrských systémech.

Mám v úmyslu vytvořit 5 částí o systémech, které do různé míry znám a se kterými se většina členů naší komunity setkává, nebo ne: kotelny, topné sítě, vytápění, větrání, klimatizace. Příspěvky jsou velmi dlouhé, ale informace v nich budou velmi obecné. Budu hovořit o obecných principech fungování, bez hlubokého rýpání a složitých vzorců, jinak se celý příběh promění v ponurý močál (a já si všechny vzorce nepamatuji).

Téma první části není úplně moje specializace, ale obecně řečeno, co je co a jak to funguje, to stejně napíšu, protože pohodlí v typickém bytě, všechny ty „opřít nohy o radiátor“, „nasadit si trikony, aby si ráno nasadil teplé“ a obecně „neumrznout v zimě“ začíná tou hlavní věcí – kotelnou. Žádám specialisty, aby mě moc nehubovali a v této části nekladli záludné otázky, ale opravdu vás prosím o opravu a odstranění chyb.

Takže tady to je – srdce, ohnivý motor a zdroj života jakékoli čtvrti v jakémkoli městě ve středním pásmu a výše – kotelna:

Tyto fotografie ukazují tepelnou elektrárnu Samara.elektro– nazývá se centrální elektrárnou, protože vyrábí nejen tepelnou energii, ale i elektrickou. Níže napíšu, jak k tomu dochází.

Podle internetu má tato tepelná elektrárna vyrábět 2132 Gcal/h (gigakalorií za hodinu) a zásobuje třetinu rezidenčního sektoru regionálního centra a více než pět velkých průmyslových podniků (data z http://so-ups.ru/index.php?id=1430). Třetinu rezidenčního sektoru tvoří přibližně 300 tisíc lidí. Tolik je to.

Hlavní jednotkou v každé kotelně je samozřejmě kotel:

Tento obrázek ukazuje parní kotel DKVR-6,5 bez opláštění. Mimochodem, výška této věci je 5 metrů s ocasem, tedy téměř 2 patra. V této sérii dosahuje výška kotlů 9,6 metru, ale například kotel GM-50-14 je 18 metrů dlouhý, 11 metrů široký a 14,6 metru vysoký (to je, na chvilku, asi 5 pater).

Princip fungování takového blázna spočívá v přeměně chemické energie paliva (uhlí, topného oleje, plynu, dřeva – čehokoli, pokud hoří) na tepelnou energii chladiva (vody, páry, chladiva – opět čehokoli, pokud protéká potrubím). Jednoduše řečeno, spalujeme palivo, horké produkty spalování ohřívají chladivo a to je zase přiváděno dále – buď k ohřevu něčeho jiného, nebo přímo do topné sítě. Mimochodem, primární chladivo protéká právě těmito trubkami, které jsou na obrázku výše hojně znázorněny. Chladivo stoupá ze spodního bubnu do horního skrz zvedací trubky a zpět skrz spouštěcí trubky.

Pokud vím, v současné době se přímý přívod primárního ohřátého chladiva používá pouze v domácích kotlích, které jsou instalovány v jednom domě. V průmyslových instalacích primární chladivo vždy vstupuje do výměníku tepla, ve kterém ohřívá sekundární chladivo (tu samou vodu, která pak vstupuje do topných sítí po celém městě):

Obrázky nahoře ukazují výměník tepla voda-voda, což je proces výměny tepla mezi primárním a sekundárním nosičem tepla. Trubkami protéká studená voda a v prostoru mezi nimi teplá voda (nebo naopak, za nic na světě si to nepamatuji). Vyměňují si tepelnou energii stěnami trubek, jedna voda se ochlazuje, druhá se ohřívá, je to všechno velmi jednoduché. Výměník tepla pára-voda vypadá zhruba stejně:

Pouze v jeho trubkách neustále proudí studená (ohřátá) voda a v prostoru mezi nimi pára. To je dáno tím, že pára při ochlazování kondenzuje, tj. přeměňuje se na vodu, a je čerpána zespodu přes odbočné potrubí. Všechno je také jednoduché.

Jak vidíme, v kotlích probíhají dva hlavní procesy: ohřev vody a výroba páry (tak se to nazývá). Pokud je ten první jasný, setkáváme se s ním neustále, ale parní kotle jsou univerzálnější záležitost. Právě kvůli nim kotlům říkáme teplo-elektro-centrály.

Pro snazší orientaci přidám obrázek kotle DE:

Takže jsme ohřáli vodu ve spodním bubnu a díky obrovskému přílivu tepla se voda začala měnit na páru, která se hromadí v horním bubnu. A nejen hromadí, ale pod vysokým tlakem (představte si, že vaříte knedlíky pod poklicí s otvorem – z tohoto otvoru vychází proud asi 20 centimetrů). Pod tímto tlakem pára vstupuje do výměníku tepla pára-voda a tehdy inženýři přišli s geniální věcí.

Viděli, že za výměníkem tepla zbývá velké množství páry, kterou by bylo nutné ochladit, aby se mohla vrátit zpět do kotle. Aby toho dosáhli, museli by postavit nějaká zařízení, ve kterých by se nejen ztrácela energie této zbývající páry, ale také by se vynakládala práce na její chlazení. A aby se vyhnuli všem těmto kontraproduktivním činnostem, přišli s nápadem přivádět páru do turbíny, jako je tato:

Princip fungování je extrémně jednoduchý: pára pod tlakem je přiváděna do skříně turbíny a turbína se díky své kinetické energii otáčí. A na jejím hřídeli je nainstalován elektromotor s reverzním chodem (omlouvám se elektrikářům, v této věci jsem nula, říkám tomu, jak si představuji). To znamená, že rotor motoru se otáčí a uměle vytváří střídavé magnetické pole a toto pole zase vytváří střídavý proud. Jedním zdrojem pokrýváme dvě potřeby – tepelnou a elektrickou energii.

Mimochodem, ty samé nechvalně známé spaliny nebo produkty spalování jsou po kotli odváděny kouřovodem do komínů, podle kterých můžete kotelnu vždy z dálky identifikovat:

Tyto trubky jsou tak vysoké z nějakého důvodu, protože kvůli rozdílu v hustotě horkých plynů a studeného vzduchu v nich vzniká přirozený gravitační tlak, který pomáhá plynům létat výše. A pokud nevzniká dostatečně, připojují se kouřové ventilátory. Problematiku tlaku budeme podrobněji rozebírat v části o větrání.

V zásadě jsme zvážili hlavní proces, který probíhá v kotelně: spalování paliva – ohřev primárního chladiva – ohřev sekundárního chladiva – jeho dodávka do sítě. Poté se celý cyklus opakuje, ale pro jeho úplný popis je třeba si povědět o dalších částech komplexu zásobování teplem.

A teď detaily, čísla, nejrůznější zajímavosti, nejzřetelnější rozdíly oproti domácím systémům:

1). Hlavním typem kotelen ve většině velkých měst jsou plynové kotle s parními kotli. V nich je palivo dodáváno hořáky (GM, GMG a další):

Ale v odlehlých oblastech nebo tam, kde není centralizovaný přívod plynu, se používají jiné druhy paliva, zejména uhlí, topný olej, dřevo, tzv. pelety, rašelina a podobně. Topný olej lze spalovat pomocí plynových hořáků, ty jsou nejčastěji univerzální. Pro spalování pevného paliva se však používají roštové rošty:

Kusy paliva se nejprve rozdrtí, aby se maximalizovala rychlost spalování a přenos energie, poté se výsledné drobky nasypou na rošt a poté se, jako v hororu, pomalu přesouvají do horkých ústí spalovací komory. Tento proces musí být nepřetržitý, protože když plamen zhasne, bude nutné znovu zapálit první dávku paliva, což znamená přerušení dodávky tepla, smutek pro spotřebitele a propuštění pro obsluhu kotle.

2). Druhý neobvyklý detail každodenního života byl viditelný na prvním snímku, jedná se o ventilátory na hořácích, zde jsou v popředí poblíž každého kotle:

Každý si z chemie ve škole pamatuje, že nechvalně známé spalování je ve skutečnosti exotermická reakce oxidace hořlavé látky. Jinými slovy, jedná se o reakci paliva a oxidačního činidla s uvolňováním tepla. Oxidačním činidlem je v případě spalování paliva v kotli kyslík obsažený ve vzduchu (stejně jako v případě plynového hořáku na sporáku, až na to, že kotel je veselejší). Jako palivo vezmeme zemní plyn, jehož hlavní hmotu (70-98 %) tvoří metan. Oxidační reakce metanu v kyslíku vypadá takto:

To znamená, že na každou molekulu metanu jsou potřeba dvě molekuly kyslíku. Navíc si pamatujeme, že kyslík v atmosférickém vzduchu tvoří pouze 23 % hmotnostních. Celkem na každý kilogram metanu v plynném palivu potřebujeme 8,7 kg atmosférického vzduchu (to vše je přibližné, jen pro představu pořadí čísel).

Spotřeba plynu u kotle DE 10-14 (srovnatelná s kotli na předchozích obrázcích) je tedy 710 metrů krychlových za hodinu. Vzduch potřebný ke spalování tohoto plynu je tedy 710 * 8,7 = 6 177 metrů krychlových za hodinu. Šest tisíc! To jsou téměř dva metry krychlové za sekundu. Zde je například jeden metr krychlový cihly:

A tak, aby se do hořáku každou sekundu dodávaly dva takové objemy, jsou potřeba ventilátory.

3). Každý si pamatuje, že voda vře při 100 °C. Ve skutečnosti však bod varu jakékoli látky závisí na tlaku a čím vyšší je, tím vyšší je teplota (a naopak). To vysvětluje skutečnost, že vejce na vysoké hoře se ve vroucí vodě neuvaří a zůstane hnědé, jen je tam nižší tlak a nižší je i bod varu. V kotlích je situace opačná.

V teplovodních kotlích může konečná teplota vody dosáhnout 150 °C a výše. Vaření není povoleno, protože pára má mnohem větší měrný objem než voda (jinými slovy, prásk, prásk, fontána přehřáté vody a kotel se zastaví).

Proto musí být tlak v kotli striktně definovaný, například pro 150 °C není menší než 5 atmosfér (pro srovnání, člověk tento tlak pocítí v hloubce 40 m pod vodou (1 atmosféra vzduchu + jedna atmosféra na každých 10 m vody).

U parních kotlů je situace ještě zábavnější. Teplota vody je omezena bodem varu při určitém tlaku, poté se mění v páru. Ale u páry jsou tyto parametry v podstatě neomezené (ve skutečnosti jsou omezeny kritickým bodem, ale tam je vše složité a takové teploty se v praxi nepoužívají). Například v obrovském kotli DE-25-24-380 se pára ohřívá na teplotu 380 °C a tlak 23 atmosfér! To je tlak v hloubce 220 m.

4). Každý si všiml známek jakékoli průmyslové oblasti – obrovských, hrozných potrubí dýchajících toxické plyny a otravujících nešťastné občany, čímž zkracovaly jejich již tak krátké a smutné životy:

Ve skutečnosti se jedná o zcela neškodná zařízení – chladicí věže. Jejich úkolem je jednoduše chladit vodu přicházející z topné sítě. Když se na podzim spustí kotelna, je venkovní teplota poměrně vysoká a kvůli nízkému tepelnému výkonu se voda vrací do kotelny velmi teplá.

Protože nemůžeme pořádně regulovat tepelný výkon v kotli a je nebezpečné dodávat teplou vodu pro vytápění (zvýší se konečná teplota vody, následuje tlak a pak ten třesk z předchozího bodu), je voda pro dodatečné chlazení přiváděna do těchto chladicích věží, kde stéká po stěnách z velké výšky přes velkou plochu a ochlazuje se. Takže „otrávené plyny“ jsou jen vodní pára.

Mimochodem, pozor, všechny tři chladicí věže fungují a na stromech visí listí, to znamená, že venku je opravdu teplo a kotelna už byla spuštěna. Jakmile se bude ochlazovat a zvýší se tepelné ztráty, budou se vypínat.

To je z kotelen vše. Některé odstavce jsou pevně slepené s předchozími, protože si editor stěžuje na blok 51. Zbytek dodělám, jakmile přijde inspirace.

Doporučuji vám psát doplňky, komentáře a otázky do komentářů.