Методика обучения физике: формирование функциональной грамотности учащихся
Пензенский Государственный Университет совместно с МБОУ Классической гимназией № 1 им. В.Г. Белинского представляют исследования по формированию функциональной грамотности у учащихся общеобразовательных школ.
Исследования и публикации:
Герасимова Н.О., Сафонова А.Н.
- Статья: Формирование функциональной грамотности у учащихся общеобразовательной школы
- Материалы международной научно-практической конференции в Ярославле, 2022 г.
- Ярославль: Ярославский государственный педагогический университет им. В.Д. Ушинского
- Страницы: 270-276
Вовк Д.И.
- Статья: Развитие функциональной грамотности как одна из ключевых задач ФГОС нового поколения
- Материалы региональной научно-практической конференции в Иркутске, 2021 г.
- Иркутск: Издательство Аспринт
- Страницы: 45-48
Алексашина И.Ю., Абдулаева О.А., Киселев Ю.П.
- Книга: Формирование и оценка функциональной грамотности учащихся
- Санкт-Петербург: КАРО, 2019 г.
- 160 страниц
Кулагина О.Ю.
- Статья: Естественнонаучная грамотность на уроках физики как компонент функциональной грамотности
- Журнал Парадигма, 2022 г., № 3
- Страницы: 17-20
Веслополов А.Д.
- Статья: Инструментарий для измерения функциональной грамотности учеников 7-9-х классов на уроках физики
- Материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции в Иркутске, 2020 г.
- Иркутск: Иркутский государственный университет
- Страницы: 26-27
Чернышова А.А.
- Статья: Сюжетные задания по физике как средство формирования естественнонаучной грамотности
- Материалы II Всероссийской научно-практической конференции в Елабуге, 2017 г.
- Елабуга: Казанский федеральный университет
- Страницы: 175-178
Холина С.А.
- Статья: Формирование естественнонаучной грамотности учащихся при решении задач по физике
- Материалы Международной научной конференции молодых ученых в Москве, 2021 г.
- Москва: Московский государственный областной университет
- Страницы: 153-156
Разработка практико-ориентированных задач в учебном процессе по физике
Естественно-научное образование является одной из важнейших составляющих подготовки обучающихся к самостоятельной жизни.
В разное время оно обеспечивалось изучением целого комплекса дисциплин, ядро которого составляли физика, химия и биология. Массовое внедрение новых технологий и ускоренное развитие физической науки в последние десятилетия повлекли за собой заметное повышение общенаучного уровня и, как следствие, повышение требований к научному уровню школьного курса физики.
Однако теоретизированный наукоемкий материал оказывается трудным для восприятия обучающимися, особенно с низким уровнем развития логического мышления. К тому же выявляется недостаточная взаимосвязь изучаемых вопросов с практикой и жизненным опытом подрастающего поколения.
Необходимость практико-ориентированного обучения
В связи с этим возникает необходимость в грамотном использовании практико-ориентированного подхода в обучении, основой которого служат задачи из окружающей действительности, направленные на формирование необходимых в повседневной жизни практических умений и навыков. Кроме того, практико-ориентированные задания обеспечивают формирование функциональной грамотности у обучающихся, что входит в число основных задач современного образования.
Примеры практико-ориентированных задач
Но что делать, если подобные задачи непонятны школьнику и обучающийся затрудняется ответить, например, на такие вопросы, как:
- Зачем посеяли морковь в октябре?
- Какой выбрать дымоход: кирпичный или металлический?
- Почему купили березовые дрова, а не дубовые?
Особенно трудно при поиске ответов на такие вопросы приходится ребятам, которые живут в черте города. К сожалению, у большинства из них складывается впечатление, что все исчерпывается только благами городской цивилизации.
Цель исследования
Целью исследования стали разработка и внедрение практико-ориентированных метапредметных задач в учебный процесс по физике для осуществления процесса формирования функциональной грамотности обучающихся.
Материал и методы исследования
- Анализ методической литературы по формированию функциональной грамотности на уроках физики.
- Опрос обучающихся 7-х классов.
Созданные задачи Полюшко-поле, Банный день, Сено-солома и другие прошли успешную апробацию и могут быть использованы на уроках не только физики, но и биологии, географии.
Загадочная башня: история и применение
Введение
Вы знаете, что находится на фотографии (рис.1)? К заданию Загадочная башня. Причина их возникновения и использования заключалась в следующем.
Водонапорные башни
В начале XX века насосы для перекачивания воды по трубам уже применялись в коммунальном хозяйстве. Однако производительности таких насосов для сооружения мощного водопровода было недостаточно. Технология возведения водонапорных башен получила широкое распространение из-за неравномерного потребления воды населением в течение дня.
Принцип работы
В верхней части водонапорной башни размещается большой резервуар для воды (рис.2), который должен находиться выше самого высокого здания. Благодаря разности высот столб жидкости создает избыточное давление, осуществляя водоснабжение населения. Принцип работы основан на гидростатическом давлении.
Башня Рожновского
В России популярны башни Рожновского. Они исключительно надежны в работе в суровых климатических условиях. Башня Рожновского поддерживает температуру воды выше точки замерзания, но требует правильной эксплуатации.
Вопросы и задания
Выберите верные утверждения:
- Водонапорная башня служит для регулирования напора и расхода воды.
- Водонапорная башня эксплуатируется в тепле.
- Высота башни должна быть больше зданий-потребителей.
Почему водонапорные башни в настоящее время преимущественно используются в сельской местности?
Почему зимой на водонапорных башнях образуются ледяные наросты и являются ли они опасными?
Заключение
Загадочная башня – увлекательное задание для изучения принципов водоснабжения с использованием водонапорных башен.
Методический паспорт задания Загадочная башня
- Интерпретация данных и использование научных доказательств
- Научное объяснение явлений
- Практическое применение знаний.
Проверяемое познавательное действие
Анализ, интерпретация данных и умение делать соответствующие выводы
Выдвижение объяснительных гипотез
Процессы в неживой природе
Знание содержательных элементов
- Сообщающиеся сосуды
- Гидростатическое давление
- Центр тяжести
- Равновесие
С выбором ответа
С развернутым ответом
Описание содержания текста задания
- Представлены 5 утверждений, из которых нужно выбрать верные на основе работы с текстом
- Представлен вопрос, требующий понимания работы устройства
- Анализирует представленную информацию
- Дает развернутый ответ, используя естественно-научное знание
Описание полного верного ответа
- Выбраны все верные утверждения
- Приведен правильный ответ с исчерпывающим объяснением
- Оценка:
- 2 балла – указаны все верные ответы
- 1 балл – допущена одна ошибка
- 0 баллов – допущено 2 и более ошибок
Пример ответа:
Вопрос: Почему башни в городе будут очень высокими и в большом количестве?
Ответ: Башни в городе будут очень высокими и в большом количестве из-за роста населения и нехватки жилых площадей. Более высокие башни позволяют вместить больше людей на меньшей площади земли.
Анкета обратной связи
Прилагается после задания
До внедрения подобных заданий в процесс обучения физике была отмечена несформированность некоторых познавательных действий среди обучающихся. В результате апробации заданий в учебной практике, обучающиеся продемонстрировали хорошее понимание материала и способность применять его на практике.
Автор: SEO текстовая студия Текстовик
Второе и третье задание требуют глубокого понимания и осмысления прочитанного, применения полученных первичных знаний в незнакомой ситуации. Из диаграммы видно, что у обучающихся есть проблемы с представлением развернутого ответа, приведения исчерпывающего объяснения, для которого необходимо знать «тонкости» процесса. После разбора заданий обучающимся было предложено выразить свое мнение относительно выполненного задания, пройдя анкетирование, а затем обосновать это мнение. Результаты анкетирования представлены на диаграмме ниже (рис.5). Интерес к заданию, в котором описаны реальные жизненные ситуации, очевиден.
Рис.5. Аналитическая диаграмма, иллюстрирующая результаты проведенного анкетирования
В ходе разбора задания обучающиеся делились мнением о том, что иногда видели такие башни, но не знали, что это такое. Некоторые из обучающихся заинтересовались данной темой, нашли дополнительную информацию и рассказали одноклассникам про архитектуру таких башен, о роли, которую сейчас выполняют старые и не действующие башни, с какой целью устанавливались башни вблизи железной дороги и др. Приведем два отзыва обучающихся о проделанной работе и выполненных заданиях: «Мне очень понравились эти задания. Они намного интереснее, чем те, которые решали раньше. Я очень редко бываю в деревне, и у меня нет возможности наблюдать за различными процессами. Эти задания расширили мой кругозор, они содержат очень интересный материал»; «Мне понравилась проделанная работа. Я редко бываю за городом и поэтому не знаю всех тонкостей сельской жизни. Я погрузилась в работу, и мне захотелось там побывать!»
После апробации все методически проработанные авторами задания (полностью или частично) вошли в дидактический фонд учителей не только физики, но и биологии, географии.
Заключение. Для устранения выявленного в ходе исследования низкого уровня практикоориентированности знаний обучающихся были определены направления методической работы по внедрению метапредметных задач в учебный процесс по физике. Эффективность применения таких заданий была подтверждена результатами проведенных контрольно-измерительных мероприятий, которые показали более высокую степень понимания и усвоения учебного материала. По мнению авторов, данная проблема подлежит дальнейшему исследованию. Выявлена необходимость в разработке практико-ориентированных метапредметных задач для использования не только на уроках физики, биологии, географии (банк заданий на сегодняшний день, кроме представленных, уже содержит ряд таких задач), но и во внеурочной деятельности.
Потребление водопроводной воды в течение суток отличается крайней неравномерностью. Не то чтобы водоразбор нельзя было в какой-то мере спрогнозировать (все-таки определенные закономерности, безусловно, присутствуют), но при таком рваном режиме работы насосы быстро придут в негодность. К тому же, водоснабжение будет недостаточно комфортным из-за задержки подачи воды, связанной с ненулевой протяженностью трубопроводов. Гораздо удобнее иметь некоторую постоянно заполненную емкость, создающую в сети более или менее стабильный напор. Достигается это двумя путями. Открытые баки устанавливаются на возвышенности, и напор образуется естественным образом вследствие давления водного столба. В закрытых емкостях напор поддерживается с помощью воздушной камеры с избыточным давлением.
Водонапорные емкости — изобретение довольно древнее. По сходному принципу функционировал, например, водопровод в Древнем Риме. Вблизи расположенного на возвышенности источника сооружался водоем, в котором вода накапливалась и по акведукам подавалась в городской водопровод. Существовали и индивидуальные системы водоснабжения, где вырытое озерцо обслуживало лишь одно здание. Для перекачивания воды применялись и ручные помпы.
Проведенные на территории бывшего Советского Союза археологические
раскопки обнаружили остатки водопроводов на Кавказе и в Средней Азии, в России и на Украине. В XVII веке появился первый напорный водопровод в московском Кремле. Вода из Москвы-реки забиралась механизмом на лошадиной тяге и под напором подавалась в бак на башне, а оттуда по трубам поступала в здание.
Для изучения режимов расходования воды и выявления факторов, влияющих на характер водопотребления, широко используются статистические данные и поправочные коэффициенты
С того времени, конечно, многое изменилось. Изготовление прочных емкостей с заранее заданным объемом и использование электрических насосов с предсказуемыми характеристиками позволило упорядочить стихийный природный процесс, задав дополнительные возможности управления наполнением.
Современные водонапорные башни весьма разнообразны по внешнему виду, но имеют сходную конструкцию. Основными элементами являются резервуар и опора. Их габариты (объем, высота) надлежит определить в процессе расчета системы водоснабжения. Бак имеет, как правило, круглую форму в плане и плоское либо вогнутое днище. Его емкость может колебаться в широких пределах от пары сотен литров (индивидуальная водонапорная конструкция на личном приусадебном участке) до нескольких сотен кубометров (водоснабжение города, предприятия).
Нередко бак окружается шатром, призванным предохранить воду от замерзания и засорения. Помогает он, правда, лишь при правильной эксплуатации башни. Главным условием, при котором вода в резервуаре останется в жидком состоянии даже зимой, является обеспечение регулярного ее обновления, расходования и перемешивания. Полное опорожнение, как и переполнение емкости, могут серьезно нарушать нормальное функционирование всей водопроводной системы. Несмотря на широкое распространение простейших поплавковых сигнализаторов уровня воды, в настоящее время все еще нередки случаи визуального слежения и ручного включения насосов в соответствии с практическим опытом персонала башни.
Нерегулярный водообмен в баке приводит к образованию застойных участков, где в летнее время вода протухает, а в зимнее — замерзает. Переполнение вызывает затопление близлежащих территорий, размывание фундамента башни, обмерзание снаружи в зимнее время. При длительном отсутствии воды в емкости (и во всей водопроводной системе) стенки бака и водопроводных труб могут начать ржаветь. Наличие шатра тоже не в полной мере предотвращает загрязнение: через вентиляционные отверстия в подшатровое пространство могут проникать птицы и насекомые, при сильном ветре — листья, песок. Такие загрязнения должны регулярно удаляться.
Водонапорные башни оборудуются системой труб: подводящей, отводящей, переливной, ревизионной для слива воды. Соединение бака и труб для подачи и отвода воды возможно по одной из схем, приведенных на рис. 1. По простейшей схеме (рис. 1а) резервуар оснащается двумя трубами: подающей и отводящей. При этом вся подаваемая насосами вода проходит через емкость, это обеспечивает хорошее перемешивание воды, но требует мощного насоса с напором, равным наивысшему положению уровня воды в баке.
На рис. 1б приведен вариант с общей подводяще-отводящей трубой, рассчитанной на подачу (в бак или из бака) воды в количестве, равном разности объема, подаваемого насосами и расходуемого потребителями. При этом напор подающего насоса всегда будет минимальным, как и расход материала на трубы, но вода в баке плохо перемешивается, что при значительной разнице между регулирующим и общим объемом резервуара может привести к образованию застойных зон. Рис. 1в в данном случае демонстрирует компромиссный вариант, предусматривающий единую подводяще/отводящую трубу с разделением ее у днища бака. В башнях также желательна установка системы автоматического слежения за уровнем воды, включающей и отключающей насосы.
Расчет показывает, что использование даже простейшего графика ступенчатой работы насосов позволяет значительно уменьшить регулирующий объем бака
Для аварийного сброса излишков воды в дренаж предусмотрена переливная труба. Ее диаметр должен обеспечивать проток, равный объему наибольшего поступления, т.е. при работе всех насосов на полной мощности. Это, к сожалению, далеко не всегда так. Иначе не встречались бы столь часто башни, обросшие зимой ледяной шубой. Также весьма распространенным в провинции способом очистки емкости от загрязнений является включение в ручном режиме всех насосов, что в период малого потребления вызывает переполнение, и плавающий мусор вымывается за пределы башни. Это говорит не только о безалаберности сотрудников, но и о несоответствии диаметра переливной трубы производительности насосов. Трубы перелива и опорожнения на выходе из бака, как правило, объединяются в одну с целью экономии труб.
Опора водонапорной башни служит для поддержания емкости на требуемой высоте, в ней может располагаться лестница, подсобные помещения, а также противопожарный запас воды. Вариант, когда весь объем башни до самой земли заполнен водой, носит название водонапорной колонны. Если на местности есть естественная возвышенность, ее можно использовать для размещения бака на нем. Тогда опора не требуется, а конструкция называется напорным резервуаром. Пневмобаки же можно устанавливать в любом месте, даже под землей.
Основы расчета напорно-регулирующей емкости
Вне зависимости от конструкции, все напорно-регулирующие емкости выполняют одинаковую функцию компенсации несовпадения режимов потребления и подачи воды в разные часы. Когда насос подает количество воды Qпод, а обслуживаемый объект потребляет в это время меньшее количество воды Qпотр.min, разность (Qпод – Qmin) поступает в бак. Этот объем подается на объект в часы, когда потребление превышает подачу насоса.
Основным фактором, определяющим объем водонапорной емкости и высоту ее расположения, является график расходования воды потребителями, которых эта система должна обслуживать. В большинстве случаев определить точные данные невозможно из-за разнообразия и неполноты входной информации.
Чаще всего просчеты связаны с недооценкой потребностей населения и его количества. Сюда относятся и незапланированные траты (оставленный открытым кран, грандиозная стирка, долговременная засуха), и неучтенные сантехнические приборы (джакузи или ванна вместо душа, автоматическая поливальная установка), и незарегистрированные жильцы (сдаваемая квартира, самовольно возведенные жилые строения на участке), и банальное совершенно официальное освоение новых территорий (строительство новых домов, раздача земли под садовые участки). Неучтенная поправка на человеческий фактор при возведении водонапорного сооружения довольно быстро приводит к дефициту регулирующего объема. Здесь можно, в первую очередь, рекомендовать при расчетах учитывать абсолютно все варианты расхода с учетом перспективного плана развития местности. Если проблемы обнаружились уже после обустройства водонапорной установки, необходимо выполнить корректирующие расчеты по описанной ниже методике. Результат позволит увидеть проблемные участки и скомпенсировать их установкой дополнительного бака или заменой насоса на более мощный.
Для изучения режимов расходования воды и выявления факторов, влияющих на характер водопотребления, используются также статистические данные об аналогичных объектах, уже оборудованных водопроводной системой, и поправочные коэффициенты.
Пожарный объем воды в баке водонапорной башни должен обеспечивать десятиминутную продолжительность тушения одного внутреннего пожара при одновременном наибольшем расходе на другие нужды
Отбор воды из сети меняется ежеминутно, но столь точные расчеты практического интереса не представляют в силу случайного характера колебаний. Поэтому, при отсутствии особых обстоятельств, при расчете систем водоснабжения часовой расход принимают постоянным.
Почасовые потребности объекта заносят в таблицу, на основании которой впоследствии будут вычислены регулирующий объем резервуара и периоды активации насосов. Противопожарный объем, гидравлические потери системы, а также необходимые коэффициенты берутся из нормативной документации и карт местности.
Расчет объема напорной емкости
Рассмотрим пример расчета (табл. 1) водонапорной башни для небольшого населенного пункта в сельской местности площадью 10 га (100 000 м2). Территория представляет собой преимущественно частные подворья, примерно половина территории поселка используется как сельскохозяйственные угодья, но достоверных данных не имеется. Преобладает одно- и двухэтажная застройка, количество жителей Nж = 500 человек. Промышленные предприятия на обслуживаемой территории отсутствуют.
Кч.max = amaxbmax = 1,4 × 2,5 = 3,5.
Qсут.x = 100 000 м2 × 0,5 × 10 л/(м2·сут) = 500 000 л/сут. = 500 м3/сут.
90 л/сут. х 500 человек = 45 000 л/сут. = = 45 м3/сут.
В общем-то, цифры получились примерно одинаковыми. В табл. 1 приведены расчеты для обоих вариантов, в статье опишем вариант 1.
Суммарный суточный расход воды на хозяйственно-питьевые нужды населения составит:
Qcут.max = Qcут.mKcут + Qcут.x = 75 х 1,2 + 45 = 135 м3/сут.,
Расчет высоты, на которой должна располагаться нижняя точка бака, выполняется после определения всех гидравлических потерь на пути от емкости до диктующей точки
Теперь воспользуемся таблицей расходов населенного пункта (табл. 2). Существует два способа занесения данных — в процентном от суточного расхода и в абсолютном виде. Процентный способ удобнее при проведении теоретических, идеальных вычислений, абсолютные же значения дают моментальное наглядное представление о происходящем в водопроводной сети, сюда можно занести реальные цифры из каталогов производителя подающего насоса, башни и т.д.
В первых двух колонках приведена статистическая информация о потребностях населения в воде. Мы видим двапика, приходящиеся на утренние и вечерние часы, соответствующие, по-видимому, времени поливки. Предположим, что насосная станция имеет равномерный режим подачи воды, подавая за час 4,17 % суточного расхода, что в нашем случае составляет 7,083 м3/ч. Эта информация занесена в колонку 3. Колонки 4 и 5 показывают, как в этой ситуации будет происходить наполнение и опорожнение системы. Они вычисляются вычитанием, соответственно, потребления системы из подачи насоса и наоборот.
Колонка 6 получается путем прибавлением данных о поступлении воды в башню (колонка 4) к предыдущему значению остатка за прошлый час. Для этого теоретически надо выбрать час, когда содержание воды в баке предполагается наименьшим, и отсчитывать от него. Наибольшая цифра в колонке 6 дает нам требуемый минимальный регулирующий объем бака.
С первого раза бывает довольно трудно угадать этот час, тем более, что при замене данных о насосе экстремумы смещаются (сравните табл. 2 и 3). Поэтому на практике за ноль обычно принимают последний час. В этом случае некоторые значения в таблице принимают отрицательные значения. Регулирующий объем тогда вычисляется сложением модулей наибольшего положительного и отрицательного чисел (часы 5-6 и 21-22):
Если вычисления производились как %, то необходимо полученное число Vрег умножить на суммарный суточный расход воды на хозяйственно-питьевые нужды населения Qсут.max:
Vper = 135 х 23,34 % = 31,51 м3.
Теперь рассмотрим неравномерный, т.н. «ступенчатый» режим работы башни с несколькими насосами. Возьмем, предположим, три агрегата, каждый из которых обеспечивает 2 % от суточного объема подачи или 0,68 м3/ч. Рассчитаем периоды активации в соответствии максимальным приближением графика насосов к гистограмме потребления. Наиболее наглядно разница между одним и несколькими насосами видна на рис. 2. Результаты приведены в табл. 3. Расчетный регулирующий объем при эксплуатации системы в ступенчатом режиме составит (часы 4-5 и 9-10):
Расчет показывает, что использование даже простейшего графика ступенчатой работы насосов позволяет значительно уменьшить регулирующий объем бака.
Особенно увлекаться здесь все же не стоит, т.к. бесконечно уменьшить объем регулирующей емкости не получится. При сокращении регулируемого объема возрастает число включений насоса, которое ограничено по ГОСТ тремя включениями в час.
Таким образом, суммарный объем башни должен составлять:
V1 = Vнз + Vper1 = 6,28 + 31,51 = 37,79 м3 при равномерной подаче и V2 = Vнз + Vper2 = 6,28 + 14,51 = 20,79 м3 при ступенчатой подаче.
Аналогичные расчеты приведены для варианта, когда расход воды на поливку выбирается исходя из площади посадок на приусадебных участках (табл. 4 и 5).
где Qсут.max — расход воды в сутки максимального водопотребления, м3/сут.; Кн — отношение максимальной часовой подачи воды в регулирующую емкость при станциях водоподготовки, насосных станциях или в сеть водопровода с регулирующей емкостью к среднему часовому расходу в сутки максимального водопотребления; Кч — коэффициент часовой неравномерности отбора воды из регулирующей емкости или сети водопровода с регулирующей емкостью, определяемый как отношение максимального часового отбора к среднему часовому расходу в сутки максимального водопотребления.
Расчет высоты опоры
Какая бы разновидность напорно-регулирующей емкости ни была выбрана, расчет высоты, на которой должна располагаться нижняя точка бака, одинаков и выполняется после определения всех гидравлических потерь на пути от емкости до диктующей точки — водоразборного крана, расположенного в наиболее неблагоприятных условиях как в отношении геодезических отметок (высокие геодезические отметки), так и в отношении удаленности от источника.
Для определения высоты башни используется формула:
H = Kмсhсети + (Zдт – Zб) + Hсв,
Нсв.min = 10 + 4(n– 1)
при нашей двухэтажной застройке (п = 2) свободный напор равен 14 м; Zдт и Z6 — отметки высот в диктующей точке и в месте установки башни, м.
Проблеме определения диктующей точки и потерь напора будет посвящена одна из наших следующих статей, здесь же приведем лишь конечный результат (табл. 1). Итак, расчетная высота колонны в башне получается:
H = Kмсhсети + (Zдт – Zб) + Hсв = 1,05 x 0,80 + (35 – 41) + 14 = 8,84 м.
Подбор подходящей башни
И объем резервуара, и высота опоры у нас получились не слишком впечатляющими, поэтому воспользуемся типовым проектом. Предположим, что по экономическим соображениям было принято решение в пользу именно водонапорной башни. В качестве быстрого и недорого решения могут послужить унифицированные стальные водонапорные башни системы Рожновского с емкостью баков 15, 25, 50 м3 и цилиндрическими опорами высотой 9, 12, 15, 18 м, заполняемыми дополнительными запасами воды.
В соответствии с выполненными нами выше расчетами требуемый объем V2 составляет 20,79 м, требуемая высота — 8,84 м. Под эти данные подходит вариант ВБР-15-9 (табл. 6). Регулирующий объем будет располагаться в баке, а противопожарный — в дополнительном пространстве опоры. В заключении отметим, что расчеты не обязательно выполнять вручную. Их можно автоматизировать, используя программное обеспечение.
Завод «Комдор» производит и устанавливает водонапорные башни типовых конструкций различной емкости по заявкам заказчиков. В этой статье подробно описывается назначение, конструкция, принцип действия, особенности производства и монтажа водонапорных башен.
Что представляют собой водонапорные башни
Водонапорные башни и резервуары — это гидротехнические сооружения, которые используются в системе водоснабжения для накопления и перекачки воды, а также для поддержания необходимого напора и расхода воды в трубопроводе. Кроме того, они помогают сгладить неравномерность работы насосных станций.
Водонапорная башня — это высокая конструкция из металла или здание из кирпича и (или) железобетона, в верхней части которой находится емкость для хранения воды. Объем емкости зависит от размера и потребностей водопровода, который она обслуживает. Для малых водопроводов достаточно нескольких кубометров воды, а для больших городских водопроводов требуются башни с большими резервуарами.
Старые водонапорные башни из кирпича и бетона (фото для иллюстрации)
Водонапорные башни бывают шатровые и бесшатровые. Шатровые башни имеют специальное строение (шатер), которое защищает резервуар от перепадов температур. Бесшатровые башни обеспечивают теплостойкость резервуара с помощью теплоизоляции, нанесенной на его стенки. Форма резервуара может быть прямоугольной или круглой, а его размеры и высота опоры определяются по расчетам водораспределительной сети. Вода поступает в башню с помощью насосов. В некоторых случаях в башне может быть установлена система фильтрации разного уровня очистки, а также автоматика для контроля уровня воды и предупреждения его снижения до опасного предела. Водонапорные башни могут иметь один или несколько резервуаров, если объекту водоснабжения нужна вода разного качества по чистоте и температуре.
Назначение водонапорной башни
Водонапорные башни используются повсеместно, например:
Основные функции водонапорной башни:
Современные архитектурные решения водонапорных башен (фото для иллюстрации)
К второстепенной функции водонапорной башни относится противопожарное водоснабжения, которое может использоваться для защиты от пожара:
Водонапорные башни могут также использоваться как дополнительный источник заправки пожарных автомашин, если это предусмотрено конструкцией (наличие патрубков и соединительных головок для заправки пожарных автоцистерн).
Водонапорные башни Рожновского
Башня Рожновского — это одна из самых популярных систем водонапорных башен, которую разработал инженер Антон Александрович Рожновский в 1936 году.
До того, как появилась эта система, водонапорные башни чаще всего строили из кирпича. Рожновский предложил более выгодное и простое решение для накопления и хранения воды. Его башни монтировались очень быстро — всего за 2-4 дня. Они требовали минимальных затрат и не нуждались в обязательном подогреве, чтобы предотвратить замерзание воды, отличались надежностью, долговечностью и простотой конструкции.
Сначала башни Рожновского использовались в основном на железной дороге, так как обслуживание паровозов требовало наличия больших резервуарах для хранения воды. После 1951 года башни Рожновского стали распространяться и в сельском хозяйстве.
Водонапорная башня начала XX века в Вилейке и башня Рожновского конца XX века (фото для иллюстрации)
Конструкция башни Рожновского
Башни Рожновского унифицированы по типовому проекту ТП 901-5-29, утвержденному в СССР еще в 1972 году. Согласно типовому проекту, башня Рожновского имеет накопительный бак для воды объемом не более 50 кубометров, высота опор не превышает 18 метров, а диаметр бака составляет 3020 мм и не зависит от его объема.
Башня Рожновского состоит из следующих элементов:
Рассмотрим элементы конструкции водонапорной башни подробнее.
Резервуар
Водонапорные башни, которые используются для обеспечения водой небольших населенных пунктов или объектов, имеют резервуары цилиндрической или прямоугольной формы с объемом от десятков до сотен кубических метров. Для больших городов или предприятий нужны резервуары с объемом от ста до двухсот тысяч кубометров. Объем резервуара зависит от предполагаемого потребления воды.
Типовые проекты водонапорных башен предусматривают резервуары с объемом 15, 25, 50 и 160 кубических метров.
Иногда на одной опоре можно установить два резервуара на разной высоте. Это делается, когда башня обслуживает две водопроводные сети с разным давлением воды.
Опора
Резервуар башни Рожновского стоит на опоре из металла или железобетона. Высота водонапорной башни обычно не больше 30 метров. Если башня находится в городе, то ее высота должна соответствовать окружающим зданиям и гармонировать с архитектурой.
От высоты опоры зависит давление воды в водопроводе. Слишком высокая опора для резервуара приведет к лишнему расходу энергии для насосов, которые поднимают воду, и может вызвать перепад давления в сети, что приведет к неравномерной подаче воды при повышенном потреблении.
Водопровод
Водопровод башни Рожновского состоит из двух труб: подводящей и отводящей. Иногда используют одну трубу для обоих функций. По подводящей трубе вода заполняет резервуар, по отводящей трубе вода поступает в сеть.
Вентиляционный люк
Вентиляционные люки нужны для того, чтобы при расходе воды в резервуаре не создавался вакуум, также для обмена воздуха в отсеках с запасом воды на случай нештатной ситуации. Люк находится рядом с трубами на крыше резервуара. Высота люков над перекрытием не может быть меньше 20 см.
Насосная станция
Насосная станция нужна для того, чтобы поднимать воду из скважины или водоема в резервуар. Она располагается на удалении от башни. Насосы станции работают до тех пор, пока датчик в резервуаре не сообщит, что он полон. Когда уровень воды уменьшается до минимального значения, по сигналу датчика станция начинает работать снова.
В составе станции может быть предусмотрен щит управления, один или несколько насосов, которые забирают воду даже при самом низком уровне грунтовых вод, дизельный генератор, обеспечивающий работу станции при отключении электричества. Если вода берется из открытого водоема, то станция строится на его берегу, как минимум на полметра выше уровня воды.
Принцип работы водонапорных башен Рожновского
Водонапорная башня Рожновского работает по принципу гидростатического равновесия. Вода в резервуаре своим весом давит на воду в трубопроводе и заставляет ее двигаться, пока давление в баке и сети не выровняется. Это позволяет подавать воду по трубопроводам на значительные расстояния. По мере опустошения бака давление воды в трубах падает, и электронасосы заново наполняют бак водой из источника. При пиковом потреблении воды насосная станция может не успевать подавать воду, в этом случае при помощи специального клапана в сеть подается вода из резервной емкости, пока станция не накачает нужный объем.
Цикл работы водонапорной башни:
Обслуживание башен Рожновского
Срок службы водонапорных башен Рожновского составляет десятки лет при соблюдении правил эксплуатации и проведении технического обслуживания раз в 3-4 года. Техническое обслуживание водонапорных башен включает в себя:
Изготовление и монтаж водонапорных башен
Процесс изготовления и монтажа водонапорных башен зависит от их типа, размера, материала, места установки и может включать следующие:
Последовательность этапов изготовления и монтажа водонапорных башен варьируется в зависимости от технологии производства и условий установки. Например, сборка водонапорной башни и покраска ее элементов могут выполняться до установки башни в вертикальное положение.
Возведение водонапорной башни может занять от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от сложности и объема работ. Для этого необходимо подготовить площадку, уложить фундамент, подключить трубопроводы, электричество и автоматику. Монтаж водонапорной башни должен выполняться квалифицированными специалистами с соблюдением правил техники безопасности.
Производство водонапорных башен ООО «Комдор»
ООО «Комдор» осуществляет изготовление, поставку и монтаж металлоконструкций водонапорных башен с водоподъемной и переливной трубой следующих типовых конструкций:
ООО «Комдор» не только изготавливает водонапорные башни, но и осуществляет полный цикл работ по доставке, монтажу и документальному сопровождению. Работы выполняются в следующем объеме:
За период 2022-2023 гг. ООО «Комдор» изготовило 11 комплектов водонапорных башен. За это время владельцами наших водопроводных башен стали: Ивацевичское ПМК №118; Минское ПМС; ОАО «Строитель»; ООО «Промэлитмонтаж»; РУП «Молодечненский водоканал»; РУП «Борисовский КХП».
По вопросам изготовления водонапорных башен обращайтесь по телефону +375 29 879 11 43. У нас вы всегда можете заказать водонапорные башни с доставкой и установкой.