Vodni stolp - načelo delovanja - konstrukcija - shema - namen

 Vodni stolp - za kaj se uporablja?

Vodni stolp ( Water tower / Wasserturm ), imenovan tudi vodni stolp, je gradbeni objekt. Namenjen je uravnavanju tlaka in nadzoru pretoka vode v hidravličnem sistemu, ki pokriva majhno območje, na katerem je postavljen. Vodni stolp je predmet, ki deluje na podlagi preprostih fizikalnih zakonov. Ima veliko funkcionalnih značilnosti, na katerih temeljijo temelji moduli vodne infrastrukture, načrtovani za industrijski, mestni in železniški sektor.

Vodni stolp
Vodni stolp


Načelo vodnega stolpa


Pri načrtovanju vodnega stolpa je prednostna naloga najti primerno mesto za bodoče temelje konstrukcije. Da bi bila struktura popolnoma funkcionalna, mora biti zgrajena na najvišji lokalni nadmorski višini. Ker mora biti voda, ki se zbira v rezervoarju vodnega stolpa, nameščena višje od vodovodnih sistemov pri porabnikih. Shema delovanja celotnega hidravličnega sistema, ki temelji na vodnem stolpu, je, da črpalka črpa vodo iz globokega rezervoarja in črpa tekočino navzgor, neposredno v rezervoar za vodo, ki je na vrhu vodnega stolpa. Nato pod vplivom svoje teže in po zakonu gravitacije potiska vodo iz cevi, dokler tlak v rezervoarju stolpa ne postane enak tlaku v celotnem hidravličnem sistemu cevovoda (Pascalov zakon). Tako celoten proces delovanja tlačnega stolpa temelji na pojavu hidrostatičnega ravnovesja, ki deluje po načelu pretoka tekočine v "povezanih posodah".


Namen in cilj vodnega stolpa


Poleg samostojnega uravnavanja pretoka vode ima vodni stolp še več drugih praktičnih funkcij. Ko so parne črpalke nadomestile električne črpalke. Vloga vodnega stolpa je bila določena kot rezerva vode za hidravlični sistem. Kroženje vode se začne v črpališču, do porabnikov pa pride prek filtrov. Vmes se rezervoar stolpa dopolnjuje z vodo, dokler raven vode v rezervoarju ne doseže ustreznega standarda. 


Ob največjem odjemu vode s strani potrošnikov je hidravlični sistem, ki deluje na tem območju, preobremenjen in črpališče ne zmore obvladovati pretoka vode. V rezervoarju se odpre zaporni ventil in voda iz stolpa dodatno napolni cevovodni sistem. Če se delovanje črpališča izboljša, ventil ponovno zapre dotok vode iz rezervoarja in črpalke ponovno začnejo delovati. Obtok vode v hidravličnem sistemu je cikličen.


Funkcionalnost vodnega stolpa


V starih časih je bila postavitev vodnih stolpov zelo pomemben dogodek. Ta čudesa hidrotehnike so prebivalce razbremenila osnovnih gospodinjskih opravil. Predstavljajte si, da nosite vedra z vodo v četrto nadstropje stavbe! - nekaj groznega. Vodni stolp je lahko razbremenil ljudi in sam dovajal vodo v zgornja nadstropja. Kaj pa vroča voda? Veliko vodnih stolpov je bilo povezanih s kotlovnico in dimnikom. Vodo so segrevali in jo dovajali v pipe. Čudovito je imeti toplo vodo na pipi, ne da bi zapustili hišo.


Zgodovina vodnega stolpa


Vodni stolp ni izum našega časa. Že v starem Rimu so gradili akvadukte za oskrbo mest s svežo vodo iz gorskih potokov, ki so temeljili na principu gravitacije. Gore so odlična analogija za ponazoritev sheme vodnega stolpa. Razcvet gradnje vodnih stolpov se je zgodil na prelomu iz 19. v 20. stoletje. V tem obdobju so se vodni stolpi uporabljali za shranjevanje vode v mestnih in industrijskih območjih, imeli pa so tudi pomembno vlogo v železniški infrastrukturi; z vodo so oskrbovali lokomotive in nepremičnine.


Konstrukcijski načrt za vodni stolp


Vodni stolp je sestavljen iz več sestavnih delov; konstrukcijskih in mehanskih.


Podstavek


Konstrukcija je lahko izdelana iz lesa, rdeče opeke, armiranega betona, kovičenih ali varjenih jeklenih plošč. Vodni stolp ima trdne temelje v obliki kroga, kvadrata ali drugih geometrijskih oblik. Temelj stolpa je običajno sestavljen iz trdnega temelja, ki je narejen iz klesanega kamna, keramičnih opek ali armiranega betonskega bloka.


Jedro (podpora)


Naslednji pomemben element konstrukcije vodnega stolpa je gred, imenovana tudi opora, ki je postavljena navpično med osnovo in glavo. Na sredini elementa so stopnice, ki vodijo do rezervoarja, in omrežje cevi za črpanje in prečrpavanje vode. Višina stebla se običajno arhitekturno ne razlikuje od preostalega dela strukture. Običajno ima ozko valjasto obliko z navpično postavitvijo, zato ga je lahko prepoznati. V jašku vodnega stolpa so tudi okna, ki omogočajo ustrezno osvetlitev notranjosti objekta.


Vodja


V tem delu stolpa se nahaja rezervoar za vodo, ki ima svoje vrste, tipe, zmogljivost in obliko. Razlikujemo med osnovnimi vrstami rezervoarjev za vodo:

Pravokotni rezervoar

Rezervoar z zaobljenim dnom

Rezervoar tipa Intze

Rezervoar Intze z notranjim valjem

Rezervoar tipa Intze 2

Rezervoar tipa Barkhausen

Rezervoar tipa Klönne

Rezervoarji so izdelani iz kovičenega jekla, armiranega betona ali plastike. Zmogljivost rezervoarjev je lahko deset ali več tisoč kubičnih metrov.

Glave vodnih stolpov imajo različne oblike, ki so odvisne od arhitekturnega sloga, domišljije arhitekta ali funkcionalnosti. Najpogosteje so v obliki krogle, kocke, gobe itd. Fasada glave vodnega stolpa je prostor za poudarjanje duha obdobja, v katerem je bil stolp zasnovan, prostor za kombinacijo različnih detajlov in arhitekturnih elementov. Uporablja se lahko tudi za oglaševanje lokalnega podjetja, ki ponoči sveti v obliki neonskega napisa itd.


Pomemben element glave so zračniki, ki vzdržujejo potrebno količino zraka v rezervoarju in preprečujejo zastajanje vode.


Filtri


Sistem za filtriranje in čiščenje vode


Črpališče 


Objekt, ki se običajno nahaja v neposredni bližini vodnega stolpa. Črpalna postaja je odgovorna za krmiljenje tekočine v hidravličnem sistemu prek ventilov.


Cevovodi


Sistem cevi, razporejenih po celotnem hidravličnem sistemu; začetek cevi je povezan z virom; mesto, od koder črpalka sesa vodo po navpičnem sistemu cevi, ki se nahaja v jašku stolpa, do rezervoarja.


Arhitektura vodnega stolpa


Neogotski slog


Na Poljskem in v Evropi so najpogostejši vodni stolpi iz rdeče opeke, ki se nanašajo na neogotski slog ali na splošno na zgodovinski trend, zelo priljubljen na prelomu 19. in 20. stoletja v srednji Evropi. Te vrste gradbenih struktur posnemajo srednjeveške gradove ali obrambne stolpe. Poleg omenjene opeke je bil za gradnjo temeljnega dela vodnega stolpa - podstavka - uporabljen tudi kamnit kamen. Neogotski vodni stolpi imajo koničasta in vitka okna. Okrasni frizi so izdelani iz rdeče opeke in razporejeni v različnih kombinacijah in naklonih - glava, kočija in podstavek. Najpogostejši friz je arkadni friz, sestavljen iz majhnih koničastih galerij. Ta detajl običajno poudarja vmesni venec med glavo in gredjo; stavbi daje obrambni značaj v obliki machicolations.

Naravni vodni stolp


Lahko si predstavljamo, da največjih vodnih stolpov niso zgradili ljudje, temveč narava. V mislih imam gorske vrhove, skozi katere se po zakonih gravitacije v doline in nižine pretakajo tokovi sladke vode. 


Ledene kape na vrhovih gora večino dni v letu zbirajo ogromne količine vode, ki se v toplih poletnih dneh pod vplivom sonca topi in napaja celoten vodni krog v naravi. Narava je mogočna, človek se uči njenih zakonitosti, da bi svoje znanje pozneje uporabil v vzvišenih in funkcionalnih konstrukcijah. 


Ali voda v rezervoarju vodnega stolpa pozimi zamrzne?


Seveda je tako. Voda v rezervoarju v stolpu je podvržena enakim vremenskim razmeram kot zunaj objekta. V hladnejših delih našega sveta so vodni stolpi dodatno opremljeni z ogrevalnimi sistemi, cevi pa so ovite z izolacijo in aluminijastim plaščem z vato. Vodni stolpi imajo tudi ogrevalni sistem, pri katerem grelnik dovaja ogreto vodo ali paro v dno vodohrana. V obeh primerih se toplota dviguje v rezervoar in zavira zmrzovanje. 


Na površini vode v rezervoarju nastane led, ki je pogosto debel več centimetrov. Običajno se ta plast ledu dvigne na površje, ko se gladina vode dviguje in spušča. Velikokrat led zamrzne na strehi ali zgornjih stenah rezervoarja in tam ostane, saj se gladina pod njim med vsakodnevno uporabo spreminja.


V bolj zmernih podnebnih območjih so v rezervoarju nameščene jeklene lestve, s strehe pa so obešene sonde za nadzor dvižnega voda in nivoja vode. V hladnejšem podnebju je treba izpustiti vse notranje napeljave, saj jih ledena plast lahko izruva.

Vodni stolpi na vrhu stavb so pogosta značilnost ameriških mest. V mestu morajo visoke stavbe pogosto same reševati težave s pritiskom vode. Ker so stavbe tako visoke, pogosto presežejo višino, ki jo lahko prenese mestni vodni tlak. Tako bo imela visoka stavba svoje črpalke in svoje vodne stolpe. Vodni stolp na strehi je različica vodnega stolpa, ki ga sestavlja rezervoar za vodo, nameščen na strehi visoke stavbe.


Ta struktura zagotavlja pritisk vode do stropov na višjih višinah kot javni vodovodni stolpi. 


Z večanjem višine stavbe se povečuje tudi vertikalna višina vodovodnega sistema. Tako nastane velik vodni stolpec, ki zaradi svoje teže ustvarja zelo visok tlak na dnu stolpca. Običajno bi za to potrebovali zelo debel (robusten) vodovodni sistem, ki bi zdržal pritisk. Za normalno delovanje armatur na dnu stebra bi bili potrebni ventili za zmanjšanje tlaka, tlak mestne vode pa bi moral biti zelo visok, da bi se tlak prenesel na vrh stebra.

Namesto tega je vodovodna napeljava v različnih nadstropjih stavbe pogosto izolirana, tlak pa se zagotavlja iz vodnega stolpa na strehi in ne iz občinskega omrežja. Sam stolp napaja črpalka in cev z razmeroma visokim tlakom, ki vodo na vrh stavbe dovaja iz spodnjih cevi.


Poleg tega obstajajo tudi visoke stavbe z vodnimi rezervoarji v konstrukciji stavbe. Rezervoarji v takšnih stavbah običajno služijo ne le za vzdrževanje vodnega tlaka v zgornjih nadstropjih, temveč pogosto tudi za javno oskrbo z vodo.

Poleg zagotavljanja vodnega tlaka je voda, shranjena v vodnih stolpih, namenjena tudi za kritje začasnih izpadov oskrbe z vodo. To je alternativna in zelo funkcionalna rešitev. V primeru okvare vodovoda se lahko voda črpa iz vodnega stolpa.


Vodni stolpi so lahko zelo praktični med požari. Gasilci lahko črpajo vodo iz rezervoarja, dokler požara ne pogasijo.


Vodni stolpi so na kmetijah nepogrešljivi, saj njihova gradnja ni zapletena. Vodni stolp je lahko zidan ali sestavljen iz jeklenih konstrukcij.


Kako načrtujete gradnjo vodnega stolpa?


Zasnova vodnega stolpa temelji na zakonih gravitacije in hidrostatičnega tlaka. Voda teče po ceveh v vodnem stolpu do porabnikov pod lastno težo. Gravitacija povzroča gibanje vode v ceveh in voda prosto teče navzdol. Zakon o hidrostatiki pa nam omogoča, da spreminjamo količino tlaka v ceveh.


Vpliv višine tlačnega stolpa na hidrostatični tlak 


Najpomembnejši dejavnik, ki vpliva na višino tlaka, ki ga ustvarja vodni stolp, je višina rezervoarja za vodo. Hidrostatični tlak se poveča za približno 0,1 bara na vsak meter vodnega stolpca. Hidrostatični tlak, ki prevladuje v shranjeni vodi v rezervoarju vodnega stolpa, se z globino povečuje. To pomeni, da višji kot je vodni stolpec, večji je pritisk na dno rezervoarja vodnega stolpa.


Če je na primer rezervoar za vodo nameščen v stolpu na višini 20 metrov, bo vodni tlak ob vznožju vodnega stolpa približno 1,94 bara ( 1 m = 0,097 bara ). 


Če pa je vodni stolp zgrajen na majhnem hribu ali vzpetini, je tlak vode večji od zgornjega izračuna. Enako velja za nepremičnine, ki se oskrbujejo z vodo iz vodnega stolpa. Na nepremičninah, ki se nahajajo na višjih tleh, je hidrostatični tlak nižji kot na drugih nepremičninah. Ker je po zakonu hidrostatike razlika, ki ustvarja tlak pod vplivom gravitacije, manjša. Pri nepremičninah, ki so v dolini ali na območjih z nižjo pozidavo kot sosednje hiše, bo tlak v cevovodih višji. 


Drugi način za izračun vodnega tlaka je uporaba formule :


P = gostota vode * težnost * višina


P = 1000 * 9.81 * 20


P = 196200 paskalov


P = 1,962 bara


Običajno voda iz domače pipe teče pod pritiskom približno 4 barov, zato mora biti za izpolnitev tega pogoja vgrajen rezervoar, ki je nameščen vsaj 40 metrov nad tlemi.


Vpliv vremena na nastanek hidrostatičnega tlaka v vodnem stolpu.


Zaradi nameščenih odsesovalnih stolpov na strehi glave vodnega stolpa. Tlak v vodnem stolpu je enak zunanjemu tlaku. Vidimo lahko, kakšen vpliv bo imelo vreme na vodni tlak.


Deževno vreme, za katerega je značilen nizek pritisk


P ( tlak ) = 1000 kg/m3 ( gostota vode ) * 9,81 m/s ( zemeljski pospešek ) * višina našega vodnega stolpa + 996,26 hPa


P = 1000 * 9,81 * 20 + 996,26 = 1962,0 hPa + 996,26 hPa


P = 2958,26 hPa = 2,96 bara


Sončno vreme z visokim tlakom 1026,42 hPa


P = 1962,0 hPa + 1026,42 hPa = 2988,42 hPa = 2,99 bar


Kot vidite, je vpliv vremena na hidrostatični tlak dejstvo, vendar manj pomembno.




Kako se uravnava tlak vode od vodohrana do stavb?


Pretok vode iz vodnega stolpa do objekta se uravnava z regulacijskim ventilom. Za zagotavljanje varnosti med pretokom vode so ventili nameščeni med zapornim ventilom in vodomerom. Takšna ureditev omogoča prost nadzor kroženja vode v vodovodnem sistemu in odpravlja nihanja tlaka.


Dodatna vprašanja


Če je stavba višja od vodnega stolpa, ali bo voda pritekla v zgornje nadstropje?


 Ne, potem je treba oskrbo z vodo zagotoviti z dodatnimi črpalkami.

Ali je mogoče vodo v rezervoarju nadomestiti z drugo tekočino?


Ne, če bi projektant ali uporabnik zamenjal na primer vodo z oljem, bi bil hidrostatični zakon kršen. Gostota tekočine v rezervoarju vpliva na delovanje vodnega stolpa.

Prav tako je treba upoštevati, da oblika in velikost ne vplivata na hidrostatični tlak, ki ga ustvarja vodni stolp. Višina rezervoarja je najpomembnejši dejavnik, saj ta vrednost povzroča pritisk na dno rezervoarja.


Popularne posty z tego bloga

Wieża ciśnień - zasada działania - budowa - schemat - przeznaczenie