А.А.КНЯЗЕВ,
Лицей прикладных наук,
СГУ им. Н.Г.Чернышевского, г. Саратов
knf@sgu.ru

Почему не замерзает водонапорная башня?

Действительно, вода в башнях обычно не замерзает. Это я узнал от смотрителя обычной, не очень большой сельской башни в посёлке, где когда-то учился, а вот недавно ездил на сбор одноклассников (40 лет). Там же узнал, что старые паровозные башни, как правило, подтапливались.

Вначале простые самостоятельные оценки.

Вода поступает в бак, как правило, по трубам с глубины 2–3 м, где зимняя температура составляет не менее +10 °С. Казалось бы, именно это обстоятельство и должно участвовать в механизме обогрева. На деле всё ещё интереснее.

Количество теплоты, которое может выделить заливаемая в резервуар вода до начала замерзания, можно оценить как   где T – разность температуры воды и температуры замерзания. С учётом соотношения для массы воды m = V, получаем или, в более общей форме, где R – характерный размер бака. Иными словами, выделяемое количество теплоты определяется объёмом бака, или кубом линейных размеров.

Потери тепла определяются площадью поверхности, по закону теплопроводности:   где – разность температуры воды в центре бака и температуры окружающего башню воздуха. В общей форме Ясно, что для поддержания равновесия между уходом и приходом количества теплоты необходим баланс:

Учтём и то, что остывание тела с течением времени t происходит по показательному закону:

(здесь – коэффициент, зависящий от массы воды m и её коэффициента теплопроводности ). Теперь видно, что вода не будет быстро остывать, если её запас постоянно обновлять, либо он достаточно большой.

А теперь обратимся к тексту учебника по водоснабжению: «…В условиях, где ожидаемое понижение температур ниже –20 °С, и при использовании поверхностных источников шатёр башни необходимо отапливать, теплоизолировать или применять электроподогрев. В условиях использования подземных вод и при водообмене не менее двух раз в сутки шатёр башни обычно не отапливают…» (А.Е.Белан. Технология водоснабжения. – Киев: Наукова думка, 1985).