Как устроена водонапорная башня

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.

Функциональная значимость водонапорной башни

      Зачастую при установке водонапорных башен речь идёт о поднятии на высоту воды в объеме от 50 кубов. Потребителей у этого ресурса много и расходование осуществляется неравномерно. Классическая функция при этом может заключаться в снабжении водой тех районов, что остро нуждаются в ней (к примеру, дачных посёлков, где нет обычного водопроводного полива от централизованной системы).

     Однако существуют и другие функции, что могут выполняться таким сооружением:

• Стабилизация насосных станций. Если насосная станция будет подавать воду из скважины сразу в дома потребителей, то трубопровод и оборудование будут подвергаться частой перегрузке. Исключить поломки и аварийные остановки возможно, установив башню, что будет поддерживать давление, сохраняя функциональное состояние насосов.

• Выравнивание давления в системе. Защита от перегрузки – это не единственная польза для трубопроводной системы. Башня помогает усилить давление в самой подающей линии (на пути к потребителям). Не нужно расходовать мощность насосного оборудования для прокачки воды уже после её поднятия в резервуар.

• Наличие аварийного запаса воды. Поломка оборудование или профилактические работы не останавливают систему подачи воды, поскольку в сообщающихся сосудах перекачка осуществляется без приложения какой-либо внешней силы.

• Подготовка водных ресурсов к эксплуатации. Вода из скважины не всегда соответствует нормативным требованиям различных технических и санитарных регламентов. В связи с этим прокачка её через резервуар необходима, ведь на пути жидкости можно установить системы фильтрации, что позволяет добиться определенного уровня чистоты.

     Задача водонапорной башни предопределяет ряд её технических параметров: конструкция, высота, объем резервуара, расположение и т.д.

Устройство

Гидротехническое сооружения имеет строгую конструкцию, которая позволяет выполнять основную задачу — поставку воды. К элементам строения относят:

• опора — конструкция, выполненная из прочного материала;
• накопительный резервуар — его объем варьируется в зависимости от количества обслуживаемого населения, ориентировочная вместимость 50-160 куб.м;
• трубопроводы для приема и отвода ресурса;
• зона перелива — позволит избежать переполнения резервуара и предотвратить аварию;
• электрический насос — позволит быстро накачать воду в накопительную емкость;
• приборы контроля, автоматика предназначены для регулирования давления в баке;
• люк и наружные лестницы нужны, чтобы устраивать визуальный осмотр водонапорной башни, как внутри, так и снаружи.

Используемые материалы, очистные конструкции должны соответствовать требованиям санитарных норм.

Функционал и конструкционные разновидности водонапорных башен

      В соответствии с упомянутым ранее главным законом гидростатики жидкость заполняет все сообщающиеся сосуды в системе, занимая при этом одинаковый уровень (высоту). Соответственно, объекты, объединенные с водонапорной вышкой одним трубопроводом, считаются теми самыми сосудами. Чтобы в трубах поддерживалось необходимое давление, нужно обеспечить разницу высот этих сосудов. Правильное расположение ёмкости с водой предполагает высоту большую, чем у самой верхней точки расположения потребителя (последний этаж самого высокого дома).

      Соответственно, перед конструкторами стояла задача – установить резервуар башни на высоте, достаточной для эффективного функционирования системы водоснабжения. Расхождение во мнениях привело к тому, что сегодня известно множество инженерно-технических вариаций водонапорных башен.

В числе наиболее распространенных:

1. Кирпичная кладка (устаревший способ возведения). В этом случае элементы башни выкладываются из кирпича. 

2. Железобетонная. Использование ЖБИ позволяло создать качественные сооружения, традиционные для СССР, что могли содержать в резервуарах до 150 кубов воды.

3. На гиперболоидных опорах. Этот вид инженерных опор изобрёл русский специалист В.Г. Шухов. С конструкторской точки зрения сооружения данного типа сверхнадежны, а с дизайнерской – оригинальны (имеют определенную художественную ценность). Сам архитектор реализовал примерно 200 проектов данного типа. Сегодня метод все также актуален при возведении самых высоких построек.

4. На рамном каркасе из стали. Наиболее простые с точки зрения реализации проекты. При разработке таких сооружений могут быть выбраны любые конструкционные формы каркаса. Также возможно создание разборных опор.

5. Стальной бак переменного сечения. Два цилиндрических резервуара соединяются между собой, располагаясь на одной оси. Такую водонапорную башню называют еще башней Рожновского. Узкая труба играет роль опоры. В таком виде башня напоминает своей формой гранату старого образца (с ручкой). Подобные конструкции быстро изготавливаются и монтируются. Единственной проблемой является сложность транспортировки крупногабаритных элементов.

6. Различные индивидуальные резервуары. Речь идёт о проектах, разработанных и реализованных любым другим способом, вплоть до частных конструкций (резервуар для одного дома), но обязательно соответствующего нормативно-техническим требованиям, выдвигаемым относительно водонапорных башен.

Принцип работы водонапорной башни

Принцип работы водонапорной башни заключается в том, что погружной насос водонапорной башни Рожновского, опущенный в скважину, подает воду по системе водопроводов в  водонапорную БР. Когда вода в мини башне поднимается до верхней отметки, датчик уровня дает команду на отключение подачи воды. Автоматической работой водонапорной башни Рожновского, включеним и отключением насоса мини башни занимается простейшая автоматика. По мере разбора воды в систему водопотребителей, уровень воды в мини башне понижается, и по достижении нижней отметки, датчик нижнего уровня (ДУ) воды дает команду на включение в работу скважинного насоса в автоматическом режиме, и уровень воды в баке снова повышается, пока датчик верхнего уровня воды не отключит насос. Таким образом, башня с баком для воды при работе постоянно имеет запас воды, определяющийся объемом башни Рожновского от нулевой отметки до верхнего уровня наполнения.

Металлические водонапорные башни Рожновского  устанавливаются и работают там, где:

• большое количество водопотребителей в системе водоснабжения, расходующих большой объем воды.
• находится в работе водопроводная система старого образца, построенная ранее, которая не выдерживает давления, необходимого для использования более современных технологий водоснабжения.
• есть места, где часты отключения света и возможны перебои с электропитанием для работы насосов водоснабжения.
• устройство системы водопотребления в своей работе требует большой запас воды.

Принцип работы

Водонапорные башни устанавливаются преимущественно в дачных поселках, частных секторах или на предприятиях. Они создают высокое давление. Соответственно, чем выше будет конструкция, тем сильнее напор в трубопроводе. Максимальная высота сооружения составляет 35 м.

Принцип работы водонапорной башни:

1. Из организованной скважины, которая расположена в нижней центральной части ВБ, вода поступает в резервуар при помощи накачивающего насоса.
2. После накопления в резервуаре ресурс подается в магистральные трубопроводы, подходящие к домам.
3. Как только резервуар полностью заполнен, а водопотребление минимально, насосная станция отключается до первого объемного водозабора.
4. В случае аварии на башне вода самостоятельно уходит по трубопроводу к потребителям до тех пор, пока бак полностью не опустошится, напор при этом имеет слабую интенсивность.

Схема устройства водонапорной башни может различаться в зависимости от установленного типа насосного оборудования.

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?

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

История возникновения

Водонапорная башня была разработана инженером А.А. Рожновским в 1936 году. До этого момента в стране использовали подобные сооружения, построенные из кирпича. Рожновский же предложил очень выгодное решение проблемы накопления и хранения воды. При этом строение очень быстро монтируется – всего 2–4 дня. На его сооружение уходят минимальные затраты. Кроме того, отсутствует необходимость обязательного подогрева, выполняемого с целью предотвращения замерзания воды.

В 1942 году А.А. Рожновский был удостоен Сталинской награды за свое изобретение.

Но башни, не нуждающиеся в подогреве, разрабатывал не только А.А. Рожновский, но и П.И. Земсков. Последний пришел к выводу, что при возведении таких сооружений можно экономить значительные денежные средства.

Железная дорога в тот момент нуждалась в больших резервуарах, где можно было бы хранить запас воды, предназначенной для паровозов. До 1951 года водонапорные башни применяли только таким образом. Но после эти строения начали появляться и в сельском хозяйстве.

Элементы водонапорной башни

Вне зависимости от вида и принципа работы водонапорная башня состоит из 5-6 узлов. Количество элементов может значительно варьироваться и определяется назначением сооружения, его месторасположением, удаленностью первоисточника, качеством воды и другими критериями.

Так или иначе, в составе каждой башни имеется:

1. Резервуар – стальной, железобетонный или пластиковый бак емкостью от нескольких десятков до нескольких тысяч кубических метров.
2. Опора – рамная или монолитная конструкция из железобетона, стальных балок или красного кирпича высотой не более 25-30 метров. Она должна поддерживать бак выше уровня каждого потребителя.
3. Вертикальный водопровод – подающая труба, идущая от источника и отводящая, диаметром от 200 м, которая прокладывается до водоразборной системы.
4. Вентиляционный люк – на фото водонапорной башни он показан стрелочкой. Он необходим для поддержания объема воздуха в баке и для предотвращения застоя воды.
5. Насосная станция с системами управления – отдельно стоящее сооружение, расположенное, как правило, над источником.

В конструкцию водонапорной башни может быть внедрена фильтрующая система с различной степенью очистки воды, а также блок автоматики для контроля уровня жидкости и предотвращения его падения до критического значения.

Виды сооружений

Внутри высокого сооружения имеется трубопроводная магистраль, внутри каждой установлен отдельный рабочий механизм. Существует несколько видов водонапорных башен, которые различаются внешним видом и особенностью работы.

• Строение, выложенное камнем. Такие варианты сооружали еще в прошлом веке. Ее основой служит каленый кирпич, который выдерживает внушительные климатические воздействия (порывы ветра, осадки).
• Железобетонный конструкции. Литые водонапорные башни выполнены из гиперболоидных блоков, представляют художественную ценность. Такие конструкции не уступают по прочности другим вариантам.
• Водонапорная башня на металлической конструкции. Имеет стальной каркас, по внешнему виду может иметь различную устойчивую геометрическую форму.
• Башня в форме «Гранаты». Изготавливается из двух конусов разного диаметра. Основанием конструкции служит опора в форме толстой трубы. Такой вариант отличается простотой монтажа, но не удобен при транспортировке, поэтому стараются перевозить конструкцию частями.
• Индивидуальное строение. Обычно используется для частных целей. Устанавливается резервуар небольшого объема, до 500 литров, на который работает индивидуальная насосная станция. Для подготовки такого сооружения владельцу требуется соответствующее разрешение.

Высота строения выбирается так, чтобы из резервуара вода вытекала максимально быстро, без препятствий.

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.