Что такое водонапорная башня и как она работает

Как работает водонапорная башня

Принцип работы любой водонапорной башни основан на законе сообщающихся сосудов: под собственным весом вода из резервуара вытесняется в отводную трубу до момента выравнивания значений давления в резервуаре и давления в трубопроводах водопроводной сети потребителей.

Как работает водонапорная башня

Весь принцип работы можно описать так:

• С помощью насоса по подающему трубопроводу происходит забор воды из подземной скважины, реки, озера в накопительный бак, смонтированный наверху башни.
• Под собственным напором, обусловленным высотой размещения бака, вода самотеком движется по подающему трубопроводу в автономную/локальную систему снабжения ее потребителей – жилых домов, промышленных, сельскохозяйственных производств. Имеется также возможность с помощью соединительных патрубков с вентилями непосредственной заправки сельскохозяйственной, поливочной, пожарной автотехники.
• При небольшом разборе воды напорный бак постепенно заполняется, и при достижении максимального уровня автоматика по сигналу датчика отключает подачу электропитания на насос.
• При понижении уровня до минимально установленного значения происходит включение насоса.

В случае выхода из строя насоса или при внезапном отключении электричества оставшаяся в резервуаре вода продолжает бесперебойно поступать к точкам потребления в объёме, который зависит от размеров накопительного бака и минимального уровня его заполнения.

Главное в этой системе чтобы бак с водой был выше потребителей воды, иначе вода не будет течь.

При этом слишком большая высота размещения бака потребует лишнего расхода энергии при работе насосов, поднимающих воду на эту высоту, и может вызвать перепад величины давления в водопроводной сети, что приводит к ее неравномерной подаче в случае пиковой нагрузки на водопроводные сети или при тушении пожара.

Водонапорная башня

Первая конструкция водонапорных башен

Еще в первой четверти ХХ столетия инженер П. И. Земсков выполнил анализ зимних температурных показателей воды в водонапорных башнях по всей протяженности линии Омск-Иркутск. По результатам анализа им была озвучена возможность отказа от отопления сооружений без опасности замерзания воды.

Первая конструкция водонапорных башен из металла представлена советским инженером Антоном Рожновским в 1936 году. Конструкция предусматривала возможность сборки башен из типовых заводских деталей непосредственно на площадке за считанные дни. При этом башни не имели обогрева и не требовали расхода дизельного топлива, что являлось весьма важным фактом.

По итогам тестовых испытаний сооружения зарекомендовали себя как исключительно надежные и индустриальные, вследствие чего в 1942 году, в самый разгар войны, Антон Рожновский был удостоен сталинской премии, а конструкция башни официально получила название по фамилии Рожновского. Во время войны инженер руководил отделом управления восстановления железных дорог.

После победы, в период восстановления страны, быстромонтируемые типовые водонапорные башни стали просто незаменимыми. Новая конструкция открывала возможности, несопоставимые с традиционными сооружениями. Ранее в сельском хозяйстве башни возводились, как правило, из кирпича, а в верхней их части располагался металлический бак емкостью до 25 м3.

В 50х годах ХХ века строительство башен традиционным способом занимало от 6 месяцев и больше, а итоговая стоимость таких сооружений могла доходить до 80 000 рублей. Срок возведения башен Рожновского, как правило, не превышал четырех дней, а их стоимость составляла 18 тысяч рублей. В течение 1951-1953 годов опытная партия башен хорошо зарекомендовала себя в 15 колхозах.

При этом, продолжались попытки усовершенствовать конструкцию, сделать ее менее металлоемкой. Так, некоторые разновидности башен имели опору, сваренную из уголков — экономия металла в этом случае достигала 53,4%. Также вес конструкции снижали за счет уменьшения толщины стенок.

В настоящее время используются типовые проекты башен емкостью от 15 до 50 м3, а также башни-колонны 160м3 высотой 25м. В последней используется полезный объем как верхней части, так и цилиндрической опоры. При этом, сооружение не имеет уширения в своей верхней части.

Разработаны типовые проекты башен, предназначеные как для эксплуатации в нормальных инженерно-геологических условиях, так и в сейсмически активных зонах (с сейсмикой до 9 баллов). Сооружения активно используются в сельском хозяйстве, на железной дороге, а также для водоснабжения населенных пунктов и промышленных предприятий.

Современные башни Рожновского оборудуются датчиками уровней для отслеживания верхних и нижних критических показателей. Контроль за наполнением и опорожнением башни производится с диспетчерского пункта либо непосредственно системой автоматики насосной станции.

Источник

Вопросы и ответы по водонапорным башням

Как узнать давление в водонапорной башне?

Для начала, Вам необходимо определить высоту подъема воды, использую формулу h=n*hэ, где n — число этажей в здании, а he — высота этажа.

Далее воспользуемся формулой Паскаля для определения давления на уровне Земли. P=ρ*g*H, где ρ — плотность воды, g — ускорение свободного падения тела, поднятого над землей, а H — высота водонапорной башни.

Применив эти две несложные формулы можно узнать какое давление в водонапорной башне на определенном этаже здания.

Из каких материалов делают водонапорные башни?

До 1936 года материалом для строительства водонапорных башен были: дерево, после кирпич. Сейчас водонапорные башни делают исключительно из металла.

Какой диаметр у водонапорной башни?

Диаметр опоры ВБР от 1 до 3 метров, а диаметр бака до 3 метров.

По каким нормам изготавливают водонапорные башни?

Водонапорные башни изготавливаются в соответствии с СНиП №2.09.03-85

Зачем нужна водонапорная башня?

Водонапорная башня используется для обеспечения водоснабжением ближайших зданий

Какая толщина металла у водонапорной башни?

Толщина ствола и купола одинакова, от 4 до 5 мм.

Чем заделать водонапорную башню?

Если свищ не большой, то на первое время можно вставить чопик. В любом случае не откладывайте ремонт, так как последствия обойдутся Вам в «копеечку».

Чем утеплить водонапорную башню?

Для предотвращения замерзания воды применяется утепление следующими материалами: минераловатная плита, листовая оцинкованная сталь, герметик (для швов).

Водонапорная башня – незаменимая часть системы автономного водоснабжения. Ее можно увидеть в любом старинном городе.

Но если в городах водонапорные башни сохранились лишь в качестве исторических памятников, в небольших населенных пунктах их до сих пор используют по прямому назначению. Когда же впервые появилась первая водонапорная башня, каково было ее предназначение и принцип работы?

Как используются водонапорные башни при низких температурах

Башни, созданные А.А. Рожновским, сегодня применяются в самых разных климатических условиях, в том числе и в условиях низкой температуры. Но даже эти конструкции имеют ограничения, что не дает возможности использовать их в следующих условиях:

• в зимний период расчетная температура не должна быть ниже -35°С;
• приемлемой массой снегового покрова является 100 кгс/м и менее;
• возможное давление ветра — 38 кгс/м и менее;
• отсутствуют грунтовые воды;
• допускаемой сейсмической активностью в районе может быть 6 баллов и ниже;
• грунты должны быть не пучинистые, не просадочные, т. е. однородные.

Решающую роль во время установки водонапорной башни Рожновского играет учет пределов минусовой температуры. К примеру, процесс установки и эксплуатации конструкции невозможен в условиях вечной мерзлоты или в зоне развития карстового процесса.

В большинстве случаев водонапорную башню нет необходимости утеплять специальными средствами. Обычно происходит естественное образование тепловой «рубашки».

Если вода используется в штатном режиме, то она просто-напросто не успеет замерзнуть. В случае если она применяется реже, то на резервуар можно установить дополнительный «шатер» из дерева, который замедлит процесс замерзания. Когда водонапорная башня используется в полевых условиях, то перед зимой воду следует слить, чтобы предотвратить ее замерзание.

При подготовленной площадке монтаж конструкции в большинстве случаев занимает не более трех дней. Основой служит железобетонный монолитный фундамент, предусматривающий закладные детали. К ним приваривается днище опоры. Далее нижняя часть обсыпается грунтом, высота которого должна составлять не менее 2,5 метра. Этот грунт следует возобновлять через 3–4 года. Он нужен для предотвращения коррозии, что существенно продлит срок эксплуатации.

Кроме того, через каждые 3–4 года, а также при регулярном использовании, следует обновлять покрытие и внутренние поверхности.

Следует помнить, что если предприятие решило установить такую конструкцию, как водонапорная башня, цена будет зависеть главным образом от объема резервуара и высоты опоры.

Водонапорная башня – незаменимая часть системы автономного водоснабжения. Ее можно увидеть в любом старинном городе.

Но если в городах водонапорные башни сохранились лишь в качестве исторических памятников, в небольших населенных пунктах их до сих пор используют по прямому назначению. Когда же впервые появилась первая водонапорная башня, каково было ее предназначение и принцип работы?

Реновация водонапорной башни Soest

Водопроводная башня была приобретена в 2002 году за 360000 евро. Здание было в плохом состоянии, верхняя часть находилась под угрозой обрушения. Для реставрационных работ была получена субсидия BRRM, потраченная в основном на восстановление верхней части. На полное восстановление и адаптацию под новые функции жилого дома потребовалось около 410000 €, из которых 182398 € были потрачены на восстановление, а остальные 227602 € на создание нового эксклюзивного жилого пространства.

Ограниченный диаметр 6 метров и вынужденное вертикальное расположение комнат в принципе непрактичны. Поэтому архитекторам пришлось тщательно продумать функциональное назначение каждого этажа башни. Было необходимо создать комфортные условия для повседневной жизни семьи, избегая ненужных подъемов и спусков. Непростая задача сохранить как можно больше жилого пространства в башне, максимально используя функциональность, была решена настолько удачно, что в 2004 году эксклюзивный дом в водонапорной башне Soest выиграл приз за «лучшую реконструкцию водонапорной башни».

Обновленная водонапорная башня получила 8 этажей и террасу на крыше. Стеклянный фасад, высотой 12 метров в задней части башни, позволил нижним этажам получить больше дневного света, и установить связь с садом на заднем дворе, что визуально увеличивает помещения.

Интерьеры были выполнены в минималистском стиле, подчеркивающем индустриальное прошлое башни. Сталь и необработанный бетон в оригинальных конструкциях архитектурного памятника, а также в новых деталях интерьера позволяют зданию сохранить свой промышленный характер. Отреставрированное дно резервуара для воды разделяет эксклюзивный дом в водонапорной башне на две части.

Бетонные полы покрашены в черный цвет и оснащены напольным отоплением. Стены и потолки оштукатурены и покрашены в белый и серый цвета. Лестницы были выполнены из грубого бетона, также окрашенного в черный цвет, дерева или стали. Выбор цвета и материала обеспечивает расслабленную и мягкую атмосферу. В башне была установлена только необходимая мебель и несколько встроенных шкафов для одежды и хранения.

В 2006 году эксклюзивный дом в водонапорной башне был продан из-за высоких эксплуатационных расходов, за сумму около 900000 евро. Архитекторы Zecc разработали некоторые настройки для нового владельца, такие как дополнительные окна и новая ванная комната. Содержание внешнего фасада сразу включалось в список выполняемых работ.

Элементы водонапорной башни Рожновского

В состав гидротехнического сооружения входят:

1. опорная часть (ствол башни)
2. резервуар для воды
3. наружные и внутренние лестницы или скобы с боковым ограждением
4. смотровой люк, находящийся на крышке резервуара
5. трубопровод, подающий и отводящий воду
6. переливное устройство, предотвращающее переполнение бака водой
7. приборы, контролирующие уровень воды в баке и передающие информацию дежурному диспетчеру
8. насосная станция

Резервуар

На водонапорной башне, используемой для водопроводных сетей малой протяженности, объем резервуара цилиндрической или прямоугольной формы варьируется в пределах нескольких десятков кубических метров.

Для водопроводной сети города или промышленного предприятия объемы резервуаров варьируются от ста до двухсот тысяч кубометров воды. Выбор величины бака зависит от объема предполагаемого потребления воды.

Водонапорные башни, изготовленные по типовому проекту, имеют резервуары объемом:

1. 15 кубических метров
2. 25 куб/метров
3. 50 и 160 кубометров

В отдельных случаях на опоре возможен вариант установки двух резервуаров, расположенных по отношению друг к другу на различной высоте. Такие варианты используются, когда башня обслуживает водонапорные сети с разным напором воды в каждой.

Опора

БР монтируется на опоре, выполненной из прочного металла или железобетона. Максимальная высота водонапорной башни редко превышает 30 метров. Если сооружение располагается в городской черте, его размер по вертикали должен соответствовать высоте рядом стоящих зданий и органично вписываться в архитектуру окружающего ландшафта.

1. Объема резервуара
2. Количества этажей в зданиях, куда подается вода

Баки с вместимостью воды в пределах 5 – 50 кубических метров, устанавливаются на опорные конструкции, от высоты которых зависит давление воды в водопроводной системе. Слишком высокая опора для бака потребует лишнего расхода энергии при работе насосов, поднимающих воду на определенную высоту, и может вызвать перепад величины давления в водопроводной сети, что приводит к ее неравномерной подаче в случае пиковой нагрузки на водопроводные сети или при тушении пожара.

Водопровод

Водопровод БР состоит из– подающей и отводящей магистрали. Некоторые башни оборудуют совмещенным подводяще-отводящим трубопроводом. Через подающую трубу вода наполняет резервуар. Отводящая магистраль предназначена для подачи воды в водопроводную сеть.

Вентиляционный люк

Вентиляционные люки необходимы для предотвращения создания вакуума внутри резервуара и обмена воздушных масс в отсеках бака, предназначенных для хранения запаса вода на случай аварий или пожара. Люк располагается рядом с подводяще-отводящими на перекрытии резервуара. Высота люков над плоскостью перекрытия не может быть ниже 20 см.

Насосная станция

Насосная станция предназначена для поднятия воды в резервуар из скважины или природного водоема и располагается на удалении от водонапорной башни. Станция накачивает воду в резервуар до тех пор, пока не поступит сигнал от датчика, установленного внутри бака. По мере расходования накопленной воды, ее уровень понижается. При достижении минимального значения срабатывает датчик и включает станцию на закачку воды.

В состав станции могут входить несколько насосов, осуществляющих постоянный забор воды при самом низком уровне подземных вод, щит управления и дизельный генератор, обеспечивающий бесперебойную работу станции при отсутствии централизованного электроснабжения. Если вода поступает в башню из открытого водоема, насосная станция строится на его берегу, выше уровня воды не менее чем на полметра.

Типовые башни системы Рожновского

Объем бака и длину поддерживающей конструкции (измеряемая от поверхности земли до низа бака) определяются в процессе проведения основных расчетов системы водоснабжения и принимаются как заданные при проектировании башни. Далее из типовых конструкций выбирается ближайшая большая. Все типы водонапорных башен Рожновского представлены в таблице ниже. Общий вид идентичен, это опора-нога высотой 8-18 метров и на ней установлен бак объемом 15, 25, 50 м3. Такая грушевидная форма характерна всем башням Рожневского, кроме ВБР-160 которая имеет форму ствола с постоянным диаметром по длине. В таблице представлены основные геометрические размеры водонапорной башни Рожновского, вес конструкции, высота, максимальное давление напора воды.

Типовые размеры водонапорной башни

Марка	Высота опоры, м	Диаметр опоры, мм	Высота башни, м	Давление, атм	Вес башни, тн
ВБР-15 м3	8	1020	11,5	1,1	2,8
ВБР-15 куб	12	1020	15,5	1,5	3,1
ВБР-25 м3	12	1020	16,5	1,6	4,3
ВБР-25 куб	15	1020	19,5	1,9	4,9
ВБР-50 м3	15	1020	23,6	2,3	6,3
ВБР-50 куб	18	1020	26,6	2,6	6,8
ВБР-50 м. куб	18	2000	26,6	2,6	8,6
ВБР-160 куб м	26	3020	26	2,6	11,3

В практике строительства водонапорных башен размеры бака и ствола меняются в широких пределах. Емкость бака колеблется от нескольких десятков кубических метров в малых водопроводах до нескольких тысяч кубических метров в больших сооружения, используемых в больших городских и промышленных водопроводах. Высота башни состоит из длины поддерживающей конструкции (обычно лежит в пределах 15—30 м и в редких случаях превосходит 30 м) и высоты верхнего резервуара.

Резервуары в большинстве случаев устраивают круглой формы в плане. Соотношение высоты и диаметра бака диктуется как технологическими, так и архитектурно-строительными соображениями. Большая высота нежелательна, так как вызывает увеличение уровня подъема воды, а также значительные колебания напоров в системе. Водонапорная башня, особенно в городских водопроводах, должна удовлетворять эстетическим требованиям, которые предъявляются ко всем архитектурным сооружениям. Некрасиво выполненное сооружение может нарушить гармоничность всего архитектурного ансамбля того района, где она расположена. В некоторых случаях (например, на промышленных предприятиях при наличии двух или нескольких сетей разного напора) устраивают башни с двумя и более баками, расположенными на разной высоте. Давление воды водонапорной башни определяется ее высотой.

История цельнометаллических необогреваемых водонапорных башен началась в 1925 году. В 1936 году советский инженер Рожновский А.А. предложил конструкцию, метод скоростного монтажа и водонапорную башню, схема которой используется по настоящее время. В 1942 году Рожневский за их создание и внедрение был удостоен звания Лауреата Сталинской премии. В СССР башни получили свое широкое распространение в системе водоснабжения села за счет водонепроницаемости баков малой массы (узнать вес водонапорной башни Рожновского вы можете из таблицы) и заводского изготовления деталей, обеспечивающих относительно быстрый монтаж на месте строительства. Также типовые башни системы Рожновского повышают степень надежности системы водоснабжения за счет наличия аварийного и противопожарного запаса воды.

Дизайн и строительство [ править ]

Водонапорная башня Шутерс-Хилл – местная достопримечательность Лондона , Великобритания . Водонапорные башни – обычное дело в окрестностях Лондона.

Различные материалы могут быть использованы для построения типичной водонапорной башни; Чаще всего используются сталь и армированный или предварительно напряженный бетон ( также используются дерево, стекловолокно или кирпич), включая внутреннее покрытие для защиты воды от любых воздействий материала облицовки. Резервуар в башне может быть сферическим , цилиндрическим или эллипсоидным , с минимальной высотой приблизительно 6 метров (20 футов) и минимальным диаметром 4 м (13 футов). [ необходима цитата ] Стандартная водонапорная башня обычно имеет высоту приблизительно 40 м (130 футов).

Водонапорная башня Росс Барнетт в Миссисипи

Повышение давления происходит за счет гидростатического давления возвышенности воды; на каждые 10,20 см (4,016 дюйма) высоты он создает давление в 1 килопаскаль (0,145  фунт / кв. дюйм ). 30 м (98,43 фута) над уровнем моря создают примерно 300 кПа (43,511 фунт / кв. Дюйм), что является достаточным давлением для работы и обеспечивает большинство требований к давлению воды в домашних условиях и требованиям распределительной системы.

Высота градирни обеспечивает напор водопроводной сети, может быть дополнена насосом . Объем резервуара и диаметр трубопровода обеспечивают и поддерживают расход. Однако использование насоса для создания давления обходится дорого; Чтобы удовлетворить меняющийся спрос, насос должен быть рассчитан на пиковые нагрузки. В периоды низкого спроса используются подпорные насосы для удовлетворения этих требований к более низкому расходу воды. Водонапорная башня снижает потребность в электроэнергии циклических насосов и, следовательно, потребность в дорогостоящей системе управления насосом, поскольку эта система должна иметь достаточные размеры, чтобы обеспечивать такое же давление при высоких скоростях потока.

При тушении пожаров требуются очень большие объемы и расход. С водонапорной башней настоящего времени, насосы могут быть рассчитаны на средний спрос, а не пиковый спрос; водонапорная башня может обеспечивать напор воды в течение дня, а насосы будут наполнять водонапорную башню, когда потребности будут ниже.

Использование беспроводных сенсорных сетей для мониторинга уровня воды внутри башни позволяет муниципалитетам автоматически контролировать и контролировать насосы без установки и обслуживания дорогостоящих кабелей передачи данных.

Внешний вид

Конструкция башни может быть выполнена из стали, кирпича или железобетона. В высоту строение может достигать нескольких десятков метров. В верхней части оно обязательно имеет емкость для воды. Чаще всего эта емкость бывает цилиндрической формы. Используемый объем резервуара зависит от мощности водопровода, обслуживающего его, и расхода воды в нем.

Например, для небольшого предприятия или деревни потребуется несколько кубических метров. В городах объем может возрастать в десятки и сотни раз.

Работа водонапорной башни зависит от:

• труб, продолженных для подачи и отвода воды;
• переливных устройств, автоматически отключающих насосы, чтобы предотвратить переполнение емкости;
• системы замера уровня воды, которая передает сигналы в диспетчерский пункт.

В некоторых случаях для водонапорного резервуара не предусматривается опора. Емкость для хранения воды устанавливается на возвышенной местности. Обычно этот способ применяют в условиях гористого рельефа.

Чаще всего баки имеют округлую форму. Технологические и архитектурно-строительные соображения диктуют нормы соотношения высоты и диаметра резервуара. Бак не должен быть очень большим, ведь в этом случае увеличивается высота подъема воды. Кроме того, в системе возникают значительные колебания напора.

Внешний вид башни должен быть эстетичным и не выбиваться из общей композиции местности. Архитектурный ансамбль района при этом продолжает быть гармоничным. Довольно часто промышленные предприятия (если имеют две и более сети разного напора) устанавливают несколько баков на башне. При этом они располагаются на разной высоте. Размер всей конструкции определяет давление воды в водонапорной башне.

Чтобы проводить обслуживание сооружения, устанавливается наружная лестница с ограждениями. Если высота составляет более двенадцати метров, то комплектация также имеет дополнительную площадку с ограждениями.

Зачем нужны водонапорные башни

Идея водонапорных башен настолько простая и гениальная, что по сей день в самых разных местах планеты можно встретить современные сооружения, выполняющие те же функции. В начале XX века насосы, способные перекачивать воду по трубам, уже существовали и даже отчасти использовались в коммунальном хозяйстве. А вот изобретение гидравлических помп, работающих на электричестве, было настоящим достижением инженерии того времени. Ведь после их установки жителям не нужно было крутить ручку у колодца — вода сама поднималась по трубам и лилась в ведра. Однако для сооружения мощного городского водопровода производительности таких насосов было недостаточно. Почему же не построить систему для прокачки воды с более мощным насосом? Теоретически это было возможно, но экономически нецелесообразно.

Принцип работы

В основе принципа функционирование водонапорной башни – закон сообщающихся сосудов. Под собственным весом вода из резервуара вытесняется в отводную трубу до момента выравнивания значений давления в резервуаре и давления в трубопроводах водопроводной сети потребителей. Итак, башня работает следующим образом:

• вода из источника водоснабжения насосами подаётся по трубопроводу в накопительный бак;
• из бака вода под напором, создаваемым перепадом высоты расположения резервуара и и уровня прокладки водопровода, поступает в сеть водоснабжения;
• при небольшом расходе резервуар в течение определённого времен заполняется поступающей водой, и, после достижения определённого уровня, насосы по сигналу специального датчика отключаются. Далее, по мере расхода потребителями уровень воды за счёт гидростатического давления понижается, и, по достижении определённого значения происходит срабатывание датчика, насосы включаются, и цикл повторяется.

В случае выхода из строя насоса или при внезапном отключении электричества оставшаяся в резервуаре вода продолжает бесперебойно поступать к точкам потребления в объёме, который зависит от размеров накопительного бака и минимального уровня его заполнения.

Сфера применения

Гидротехнические башни устанавливают, как правило, в локальных водопроводных системах, чаще всего в небольших населённых пунктах и на сельскохозяйственных объектах. Эти сооружения экономичны, они специально предназначены для работы в условиях ограниченных энергоресурсов и незаменимы в сфере своего применения.

Водонапорная башня, создание которой вошло в историю в качестве достаточно яркого примера изящных в своей простоте инженерных решений, в наши дни остаётся вполне актуальным, более того, необходимым, элементом водопроводной инфраструктуры.