Как устроено паровое отопление, схемы: как рассчитать и установить в домашних условиях

Иметь представление о том, как устроено паровое отопление, будет полезно всем, кто хочет усовершенствовать систему обогрева собственного дома. Использование пара усложняет конструкцию, но при этом снижает затраты на материалы и количество греющих батарей.

Принцип работы парового отопления

Для большинства частных домовладений использование горячего водяного пара еще остается недоступным. Технология парового отопления требует более совершенного оборудования, чем обычный водяной котел. А кроме того, горячий пар – это всегда агрессивная среда, поэтому при неправильном подборе материалов коррозия быстро «съедает» металл радиаторов.

Паровое отопление в частном доме устроено следующим образом:

1. Генератор тепла – паровой котел отопления с теплообменником специальной конструкции. В нем происходит испарение воды и перегрев потока пара до рабочей температуры в 110-130℃.
2. Пар под давлением направляется по трубе отопительного контура, так же, как и в водяных системах. В процессе остывания он конденсируется сначала в водо-паровую смесь, затем превращается в горячую воду.
3. Жидкость самотеком или циркуляционным насосом перекачивается в накопительный бак и далее в теплообменник парового котла.

При этом на выходе из котла пар находится под давлением. В процессе остывания внутри радиаторов отопления поток превращается в смесь горячего тумана и водяной пленки на стенках каналов. Объем пара уменьшается почти в 500 раз, внутри труб создается разрежение. Это обеспечивает высокую скорость движения горячего парового потока на выходе из котла, тогда как по обратке горячая вода движется медленно.

Есть 3 вида парового отопления:

1. Высокого давления – в системе более 0,7 кг/м².
2. Среднего – менее 0,7 кг/м².
3. Низкого давления – в системе 0,2 кг/м².

Паровые системы с давлением более 1 кг/м² для бытового отопления не используются. Это промышленная категория оборудования, которое подлежит обязательному контролю службы котлонадзора. Она же определяет правила подключения оборудования.

От парового котла

Для обустройства отопления с помощью водяного пара может использоваться котельное оборудование со специальной конструкцией греющего теплообменника. Вода должна закипеть, причем процесс кипения напрямую зависит от площади зеркала жидкости. Чем больше поверхность, тем равномернее она закипает и испаряется. Соответственно паровой поток получается без брызг.

Но этого мало, пар нужно еще перегреть и высушить от остатков воды. Для этого к основному испарителю (теплообменнику) добавляют жаровые трубы, в которых паровой поток избавляется от остатков капель и конденсата.

Жаровые трубы располагаются над основным теплообменником и нагреваются дожиганием остаточных продуктов термолиза угля или дров. В газовых котлах коллектор перегрева парового потока располагают в наиболее горячей части – по периметру теплообменника.

От печи

Паровое отопление можно также сделать и для кирпичной печки. В этом случае основная часть воды нагревается в стальном баке, вмонтированном в одну из стенок. Обычно в тыльную стенку камеры сгорания, в том месте, где горячие газы поворачивают вверх в направлении свода или дымоходной трубы.

Для перегрева и высушивания пара в свод печи монтируют жаровик – трубчатый теплообменник из легированной, коррозионностойкой стали. Устроен он так, что большая часть пара образуется либо в нижней части вертикальных ребер-труб, либо получается в отдельном баллоне. Свод печи сделан таким образом, что центральная (горизонтальная) труба жаровика оказывается в самом горячем месте, где температура газов достигает около 1000℃.

Температура воды в котле 97-90℃, поэтому происходит интенсивное парообразование, но без кипения. В жаровом теплообменнике паровой поток перегревается до 110-120℃. Котел устроен так, что режим кипящей воды может привести к прогару стенок.

Преимущества и недостатки парового отопления

Изначально системы отопления и обогрева перегретым паром массово использовались в промышленности. С появлением многоэтажек паровое отопление стали применять в качестве основного для квартир. Поднять вверх по трубам на 5-7 этажей горячий паровой поток оказалось куда проще, чем закачивать воду, а высокая температура теплоносителя позволяла уменьшить количество греющих радиаторов.

Положительные стороны использования парового котла

Пар долгое время считался небезопасным теплоносителем для применения его в отоплении жилых помещений. Но с появлением коррозионностойких сталей проблема получения паровых термических ожогов уже не столь остра. Если система отопления собрана по всем стандартам отопительного оборудования, то трубы, контур и котел служат без аварий по 20-30 лет.

Основным преимуществом парового отопления считается огромное количество тепла, выделяемого при конденсации пара в жидкость. Например, для водяного отопления, неважно, как оно устроено, 1 кг горячей воды, разогретой до 95℃ (это максимум), при остывании в радиаторе до 50℃ отдает всего 45 ккал.

Система циркуляции водяного отопления устроена так, что максимальная скорость воды в трубе не превышает 0,5 м/с. Сечение трубы (внутренний диаметр 35 мм) составляет 9,6 см². То есть за секунду через нее пройдет 480 см³ воды или 0,48 кг. Соответственно количество тепла получается 0,48х45=21 ккал.

Для парового отопления скорость потока принимается 3-4 м/с. В зависимости от того, по какой схеме устроена система (низкое или среднее давление), скорость парового потока достигает 30 м/с. Плотность пара – 1,03 кг/м³.

В результате получаем, что через сечение трубы 35 мм в секунду пройдет 28 л пара, или 0,029 кг. Теплота конденсации парового потока – 540 ккал/кг, значит, всего выделится теплоты 540х0,028=15,66 ккал.

Это говорит о том, что площадь сечения труб для парового отопления должна быть больше, чем для водяного, как минимум на 40-50%, независимо, по какой схеме оно устроено.

Главное преимущество системы обогрева паром заключается в том, что все радиаторы в доме будут одинаково горячими. Будет тепло во всех помещениях, независимо, устроено паровое отопление по примитивной одноконтурной схеме или более современной «ленинградке». Поэтому оно массово используется в домах с большой жилой площадью.

Отрицательные стороны

В том как устроено паровое отопление в частном доме в его современном виде его нельзя отнести к идеальным способам обогрева помещения. На первый взгляд затраты на доставку тепла намного меньше, чем в случае водяного контура. Но есть и недостатки:

1. Трубы сверху покрываются так называемым органическим пылевым налетом. Вся органика, присутствующая в воздухе в виде пыли, намертво приваривается к раскаленным поверхностям. Разводка труб так устроена, что металл приходится регулярно очищать от налета, иначе эффективность теплоотдачи снижается.
2. Очень горячие поверхности радиаторов парового отопления часто выдают мощнейший тепловой поток. Помимо того, что можно по неосторожности коснуться металла и получить ожог, трубы негативно воздействуют на мебель, напольное покрытие, сильно сушат воздух.
3. Система смонтирована так, что все элементы отопления должны располагаться внутри отапливаемого здания, а трубы нельзя выводить на улицу даже в теплоизоляции.

Любая попытка проложить систему отопления паром в соседнее здание (баню, теплую веранду или отдельную кухню) приводит к большим потерям тепла.

Кроме того, система парового отопления устроена так, что нужно будет искать способы балансировки расходов пара по отдельным веткам. Если в водяном контуре отрегулировать объем горячей воды можно с помощью шарового крана, то для паровых систем используются только вставки в виде дроссельных шайб или встраиваемых муфт с калиброванным проходным сечением.

Любые краны или задвижки с фторопластовыми или полиэтиленовыми рабочими элементами, как правило, деформируются под воздействием высокой температуры и не способны работать длительное время. Специальные краны для парового отопления стоят дорого и устроены по промышленной схеме в расчете на большое давление пара.

Паровое отопление любого вида устроено так, что воду для котла нужно обрабатывать специальными реактивами, чтобы убрать растворенный кислород и соли магния. Иначе котел нужно будет промывать от накипи и ремонтировать каждый сезон.

Независимо от того, как устроена схема парового отопления, краны и регулирующие задвижки должны быть изготовлены из легированной стали, стойкой к воздействию парового потока.

Схемы отопления

При выборе плана разводки труб парового отопления необходимо учитывать тот факт, что уже после первого радиатора в контуре течет не только пар, но и жидкий конденсат. Он также остывает и отдает часть тепла. Но для паровых систем наличие конденсата в контуре – это, скорее, головная боль, чем дополнительные преимущества.

Однотрубная

Однотрубная схема разводки может применяться только в простейших системах отопления. Сама система с последовательным подключением радиаторов устроена так, что обойтись без U-образных участков (колен, изгибов, поворотов) практически невозможно.

Каждый такой участок – это потенциальное место для образования водяной пробки, закупоривающей паровой поток. А если разводка устроена неправильно, например, на паровой ветке контура отопления поставлены краны для регулировки расхода, то пар будет идти по трубам толчками с сильным шумом.

Если отапливаемое помещение устроено так, что невозможно использовать никакую другую схему отопления, то однотрубную делают с перемычками (участками перепуска конденсата). При этом циркуляционный насос и расширительный бак (его использование обязательно) устанавливают на холодной стороне – обратке системы.

По этим 2 критериям можно легко отличить схему водяного отопления от системы парового обогрева.

Двухтрубная

Для частного дома лучше всего подойдет лучевая (звезда) разводка или классическая двухтрубная система, как на схеме.

Она более безопасна в эксплуатации, есть возможность отключать отдельные радиаторы отопления, проще в настройке. А это наиболее сложный этап обустройства парового отопления.

Теоретически для небольшого дома (даже с мансардой) с двухтрубной схемой обогрева контур и разводка могут быть устроены без регулирующих дроссельных шайб или кранов. Плотность пара низкая в сравнении с водой, поэтому изменение сечения для нескольких радиаторов, установленных на небольшом расстоянии друг от друга, слабо повлияет на расход теплоносителя. Нужно лишь правильно выбрать место для регулирующего крана на обратке.

Другое дело, если в проекте большой дом с мансардой или устроенным теплым чердаком. Чем больше удалены радиаторы от парового котла, тем больше пара должно проходить через батареи. Это означает, что на вход в радиаторы, стоящие ближе всего к котлу, нужно устанавливать шайбы или другие регулирующие устройства. Устроенная таким способом система парового отопления будет всегда оставаться сбалансированной по отдаче тепла на любых режимах работы.

Пошаговая инструкция обустройства парового отопления

На первый взгляд паровое отопление устроено так же, как и водяное. Но это обманчивое впечатление. Для обустройства контура с паровым потоком приходится использовать специальные материалы, инструменты, отопительное оборудование, а главное, нужно обеспечить минимальное качество сборки. Например, утечка горячей воды из места сварки, как правило, не опасна для жильцов, а разгерметизация сварного шва на трубе отопления может стать причиной термического ожога.

Если система с паровым теплоносителем устроена и собрана правильно, то опасности нет. Контур, котел и радиаторы прослужат до капитального ремонта, как минимум 15-20 лет. Чаще всего приходится менять трубы и радиаторы. В котле чаще приходится менять теплообменник, если отопление дома устроено на угле, и дымоход, если на дровяном топливе.

Материалы и оборудование

При использовании в качестве теплоносителя перегретого пара о пластиковых и металлопластиковых трубах не может быть и речи. Даже стальные водопроводные лучше не использовать для устройства обвязки, так как шовные трубопроводы под воздействием пара быстро корродируют. Лучшим вариантом считаются бесшовные газовые трубы, медь или нержавейка.

Для сборки контура используются сварка аппаратами с неплавящимся электродом или углекислотный полуавтомат. Радиаторы и краны собираются по стандартной схеме с применением резьбовых соединений, муфт, сгонов.

Также придется купить группу контроля, циркуляционный насос и расширительный бак, предназначенные для использования в системах парового отопления. Если контур устроен с несколькими ветками, то потребуется балансировка по расходу пара. Для этого приобретаются шаровые краны со вставками из термостойкого силикона.

Отдельно нужно будет продумать схему печки с паровым теплообменником. Часто системы отопления небольших домов устроены по самоточной схеме низкого давления. В этом случае печь и сам теплообменный аппарат (котел) можно сделать собственными руками. А в качестве радиаторов использовать бесшовные стальные трубы диаметром 2-3 дюйма.

В остальных случаях отопление должно быть устроено на основе котла и радиаторов промышленного изготовления. В конструкции топки котельного аппарата должны быть жаровые трубы, используемые для перегрева и осушки пара. В паспорте (сертификате соответствия) обязательно указано, что котлоагрегат предназначен для устройства парового отопления, и приведена мощность и рабочие характеристики пара на выходе.

В качестве греющих поверхностей можно использовать чугунные или стальные трубчатые радиаторы. Если есть возможность приобрести, то подойдут сталеалюминиевые секции, но только те модели, которые рассчитаны на пар. Они отличаются от обычных водяных радиаторов размерами внутренних каналов и толщиной стенок.

Часто отопление паром бывает устроено на самодельных регистрах, сваренных из горизонтальных пучков труб. Такие системы могут работать при высокой температуре теплоносителя.

Теплообменник

Главная задача – правильно изготовить жаровой теплообменный аппарат. От того, насколько корректно устроен парогенератор, зависит устойчивая работа всей отопительной системы.

Оптимальная конструкция теплообменника для каждой печи подбирается индивидуально. Это может быть змеевик, уложенный в свод топки, или пакет из труб, приваренных к стальной емкости. Примерно так устроены паровозные котлы.

Для изготовления своими руками лучше всего подойдет трубчатый котел-теплообменник, схема которого приведена ниже. Это простое в изготовлении и надежное устройство. По аналогичной схеме смонтированы современные котлы небольшой мощности.

Для изготовления потребуется труба из легированной жаростойкой стали с внутренним диаметром 32 мм. Для системы требуется сухой и горячий пар, иначе поток будет конденсироваться уже на выходе из котла. Поэтому в верхней части теплообменника вваривается жаровая труба, в которой собирается и перегревается пар до 130-140℃.

Жаровая часть может быть устроена в виде змеевика, но в этом случае теплообменник будет гудеть из-за высокой скорости потока пара на выходе.

Кроме того, верхняя часть вертикальных участков должна быть выполнена под наклоном 28-30^о. Такое устройство дает возможность увеличить площадь зеркала, а значит, испарение воды происходит более равномерно, без заброса водяных брызг внутрь пароперегревателя.

Процесс монтажа

Сборка системы парового отопления – процесс трудоемкий. После каждого этапа нужно делать проверку качества сварных соединений, уклонов и правильности паковки сгонов. Собирать паровое отопление начинают с установки теплообменника.

Но прежде нужно выполнить черновую разметку прохождения труб в комнатах. Система устроена так, что первые трубы укладываются с отрицательным уклоном 3-5^о. То есть начальный участок паровой магистрали от печи до первого радиатора должен быть наклонен в сторону теплообменника. Трубу лучше сделать своими руками из нержавейки, а заодно устроить термоизоляцию, чтобы не терять драгоценное тепло парового потока на отопление котельной.

Монтаж теплообменного аппарата

Это наиболее важный этап. Система устроена так, что невозможно заранее спланировать положение теплообменника в печи. Высоту, на которой находится фланец выходного отверстия, можно измерить только после завершения работ по установке теплообменного аппарата.

Как только выложены зольник с поддувалом, подина и стенки, теплообменник вывешивают внутри топочной камеры на проволоке. Крепление должно быть устроено так, чтобы трубы аппарата контактировали с кирпичом только в 2-3 точках. Жестко установить нельзя, иначе из-за теплового расширения теплообменник раздавит кирпичную кладку, или еще хуже – появятся трещины на сварных швах.

С помощью прокладок, вырезанных из асбестового картона, выравниваем положение теплообменника, чтобы нижний контур из труб находился в горизонтальной плоскости. Система теплогенерации устроена так, что по всему контуру в нижней части теплообменника должен быть одинаковый уровень воды, без перелива в какую-либо из сторон. Только так можно устроить равномерное образование парового потока по всем трубам, без перегрева и деформации отдельных участков.

Можно устроить проверку положения теплообменника. Для этого внутрь между горизонтальными частями укладывают картонку, на которую ставят блюдце с подкрашенной водой. Смещение зеркала относительно кромки покажет, с какой стороны нужно поднять теплообменник.

Сварка труб

Соединение отдельных участков парового отопления выполняют сгонами или сваркой углекислотным полуавтоматом.

Уплотнение на муфтах, кранах и радиаторах устраивают с помощью термостойких автомобильных герметиков, используемых для ремонта выхлопных коллекторов.

Некоторые мастера считают, что силикон быстро окисляется и деградирует при контакте с раскаленным паровым потоком. Поэтому уплотнение на начальных участках системы отопления обычно устроено на традиционной котельной паковке, или лучше подобрать герметик, устойчивый к окислительной среде водяного пара. Автомобильные материалы рассчитаны на использование в восстановительной среде.

На начальном участке, особенно под фланцем на выходе из теплообменника, уплотнение может быть устроено на основе асбестового волокна с пастой из тонкомолотого сурика и свинца с добавкой тугоплавкой смазки.

Проверка собранного контура

Наличие трещин на сварных швах не допускается. Несмотря на относительно невысокое давление пара, появление даже микротрещины на стыке всегда приводит к интенсивной коррозии материала и разрушению металла. Поэтому после сварки контура парового отопления должна быть устроена проверка стыков.

Наиболее простой способ – использовать вакуумный насос и компрессор:

1. Первоначально контур парового отопления заглушают пробками, а на одном из выходов подключают вакуумный насос.
2. Внутри труб парового отопления создают небольшой вакуум на 10-15 мин.
3. За это время сварные стыки (только сварку) промазывают губкой, смоченной керосином.
4. Через час отключают вакуумный насос, подключают компрессор.

Далее необходимо вымыть сварочные швы горячей водой с мылом, высушить и нанести на поверхность сухой мел в порошке.

Сама проверка устроена следующим образом – запускается компрессор, который должен создавать давление воздуха внутри контура парового отопления. За это время нужно осмотреть все стыки. Если есть микротрещины, керосин выступит и проявится на меловой обмазке.

Перед запуском системы парового отопления контур нужно будет промыть горячей водой.

Конструктивно паровое отопление устроено примерно так же, как и водяное, но требования к качеству сборки контура, теплообменника и установки насоса явно выше. Но иногда отопление паром – это единственно возможный вариант, если речь идет о домах в несколько этажей или большой жилой площадью.

Расскажите о своем опыте эксплуатации парового отопления – с какими проблемами пришлось столкнуться, и как они решались. Сохраните статью в закладках, чтобы полезная информация всегда была под рукой.