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).