Водонапорная башня: принцип работы, назначение, характеристики

Водонапорная башня – простейшая конструкция, предназначенная для автономного регулирования расхода и напора воды в водопроводной системе. Простой принцип работы водонапорной башни определил ее широкое распространение.

Виды водонапорных башен

Подобные конструкции применяются человечеством несколько столетий. Пик их популярности приходится на конец 19 - первую половину 20 века. В то время они использовались в депо и вокзалах для обслуживания паровозов. С тех пор они утратили свое значение, но до сих пор используются, например, для автономного водоснабжения загородных участков или промышленных предприятий.

Первые водонапорные башни возводились преимущественно из красного кирпича, реже – из дерева. Затем появились железобетонные конструкции. Во второй половине 20 века ученый Рожновский предложил свою конструкцию из стальных листов.

Башня Рожновского внешне очень похожа на гранату с рукояткой. Диаметр основания водонапорной башни в 1,5-2 раза меньше диаметра бака. Преимущества такой конструкции заключаются в высокой скорости сборки (полые цилиндры сваривают из стальных листов) и простой установке на территории, а также в сравнительно небольшой массе.

Сейчас для водоснабжения чаще всего устанавливают индивидуальные резервуары в виде объемных металлических баков. В качестве опор используют стальные или железобетонные колонны.

Принцип работы водонапорной башни

Работа водонапорной башни была бы невозможна, если бы не явление выравнивания давления в сообщающихся сосудах, или гидростатического равновесия. Под действием силы тяжести вода в баке вытесняет жидкость из труб до тех пор, пока давление в емкости не станет равным давлению в системе трубопровода. На этом основывался принцип работы водонапорных башен до появления электронасосов.

С появлением электронасосов схема их работы несколько изменилась. Если ранее они были основными источниками воды в системе, то теперь стали играть роль резерва. В качестве «поставщика» воды выступает насосная станция, которая подает давление через систему труб непосредственно к потребителю.

В то же время насос накачивает воду в емкость башни до тех пор, пока она полностью не заполнится или не сработает автоматика. В момент пиковой нагрузки, когда водопотребление максимально, и насосная станция не справляется с работой, открывается клапан бака, и вода начинает поступать в систему из резерва. Происходит это до тех пор, пока станция подачи воды снова не станет справляться со своими обязанностями. После этого весь цикл повторяется.

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.

Основные функции водонапорной башни

Из принципа работы водонапорной башни вытекает ее основная функция – выравнивание графика работы насосной станции. Представим ситуацию, что насос подает воду напрямую, без промежуточного звена в виде водонапорной вышки.

По желанию каждого потребителя он включается в работу и выключается, то есть работает хаотично. В результате увеличивается износ его механизмов, энергопотребление становится неравномерным, что увеличивает нагрузку на электростанцию.

В результате обслуживающие компании вынуждены тратиться на дорогостоящий ремонт. Чтобы всего подобного не происходило, и устанавливают водонапорные башни.

Вторая функция – поддержание давления в трубопроводе. Вода, расположенная на значительной высоте, под действием силы тяжести сама создает необходимой величины давление в системе. В результате снимается нагрузка с насосной станции.

Дополнительное назначение

Другое назначение и принцип работы водонапорной башни тесно связаны между собой. Вода в источнике очень редко соответствуют установленным санитарным нормам, поэтому если она используется для бытовых нужд или для питья, водонапорная вышка используется как фильтрующая установка.

В систему подающего трубопровода встраивают фильтры грубой очистки, которые задерживают тяжелые металлы, оксиды железа и свинца, песок и другие загрязнители. В баке пода отстаивается и становится еще чище. Система очистных картриджей, установленных на подающем водопроводе, может очищать воду от болезнетворных бактерий, доставляя к потребителю идеально чистый продукт.

Создание аварийного запаса воды, который может использоваться в случае поломки водопровода или возникновения пожара – еще одна дополнительная функция водонапорной вышки.

Работа башни с автонасосом

Принцип работы водонапорной башни с автоматическим насосом практически ничем не отличается от описанной нами ранее схемы работы. Исключение составляет лишь тот факт, что в такой системе отсутствует насосная станция как таковая. Ее функцию выполняет компактный электронасос.

При снижении уровня воды в емкости ниже порогового значения системой автоматики подается сигнал, и насос начинает накачивать воду в бак. Как только резервуар полностью заполнится, ждут, пока уровень жидкости снова не упадет.

Такие системы используются чаще всего на частных и дачных участках. В качестве индикатора уровня жидкости выступает поплавок, который, опускаясь почти до самого дна, замыкает контакты и отдает сигнал реле, а то уже руководит работой насоса.

Определение характеристик

Чтобы система исправно выполняла свои обязанности, необходимо, чтобы высота водонапорной башни была больше, чем высота любого другого обслуживаемого сооружения. Именно поэтому резервуары с водой часто можно увидеть на крышах многоэтажных домов (особенно в американских фильмах). Если это условие не выполняется, то возможен застой воды в баке.

Другим важным параметром водонапорной вышки является объем рабочей емкости. Этот показатель определяется графиком расхода воды потребителями. Обычно размер емкости подбирают так, чтобы накопленной жидкости хватило для использования на протяжении дня. В таком случае насос будет включаться в работу только ночью, что снизит нагрузку на электросеть.

Особенности проектирования фундамента

Высота башни и объем бака прямым образом влияют на стоимость башни. Причем речь идет не столько о стоимости поддерживающей конструкции и резервуара, сколько о цене фундамента. Перед выбором типа и глубины заложения основания производится расчет не только на статическую нагрузку, но и на динамическую – во время наполнения бака могут возникнуть колебания, которые выведут конструкцию из равновесия.

Производится также расчет на устойчивость с учетом влияния ветровой нагрузки. Чем выше башня, тем сильнее она будет отклоняться от вертикальной плоскости при сильном и порывистом ветре. Раскачиваясь, башня начнет «беспокоить» воду, появятся волны, которые в несколько раз увеличат допустимое давление водонапорной башни на основания. В результате конструкция разрушится.

Поэтому при установке даже дачной конструкции не пренебрегайте помощью профессионалов. Потратив средства сейчас, вы сможете в будущем не беспокоиться о надежности и работоспособности своей водонапорной башни.