История водоснабжения в древней Римской империи велика. Транспортный и гидравлический контроль большого количества пресной воды был одним из факторов огромного, беспрецедентного успеха Римской империи. Главные римские города были расположены, частично, в непосредственной близости от хорошего водоснабжения. Обилие воды улучшило здоровье населения и позволило городской жизни обеспечить труд и поддержку бизнеса для построения римской экономики.
Несколько технологических достижений римских инженеров сделали воду доступной для городских центров. Среди этих достижений были проектирование акведука, геодезия, строительство туннелей, свинцовые трубопроводы, перевернутые сифоны, резервуары для хранения свинца и клапаны. Даже при том, что воды было много, римские комиссары по водоснабжению внедрили меры контроля, чтобы ограничить незаконные водопроводы и контролировать поток для пользователей.
Палеогидрологический институт Райта (WPI) изучал водопользование в древнем городе Помпеи. Это исследование включало использование водяных клапанов для управления потоком воды в домах и на предприятиях в городе.
Древний или современный дизайн?
Римляне использовали свинцовый трубопровод для распределения воды по городам и поселкам по всей Римской империи. Использование свинцовых трубопроводов было распространено в 1 веке до нашей эры и в течение следующих нескольких веков. Использование клапанов для управления потоком воды в этих трубопроводных системах также было широко распространено в Империи. Такое универсальное использование клапанов и трубопроводов требовало уровня стандартизации, который знаком современным инженерам.
Конструкция древнеримских водяных клапанов удивительно похожа на нашу современную конструкцию плунжерного клапана. Типичные помпейские водяные клапаны показаны на рисунках. Корпуса клапанов были изготовлены из бронзы с типичной встроенной конфигурацией, как показано на рисунке 1, хотя римляне также изготавливали угловые клапаны с очень похожей конструкцией. Корпус клапана имеет цилиндрическую камеру, в которую была вставлена цилиндрическая пробка, как показано на рисунке 2.
Корпус клапана был приварен к свинцовой трубе на каждом конце, при этом сторона штуцера клапана была вставлена во втулку свинцовой трубы. Расплавленный свинцовый припой затем использовали для сварки вставки с каждой стороны клапана. Хотя римляне знали о резьбовых трубах, ни одного известного резьбового соединения не использовалось на соединениях труб или клапанов. Как показано на рисунках 1 и 2, диаметр трубы корпуса клапана сужается в камеру заглушки, что привело бы к увеличению скорости воды и более точной регулировке потока воды.
Вставка плунжера клапана также была изготовлена из бронзы и представляла собой полую цилиндрическую вставку с овальным отверстием на каждой стороне цилиндра для прохода воды. Как и в случае с современными клапанами, вставка плунжера вращалась внутри корпуса клапана, чтобы либо контролировать поток, либо обеспечивать перекрытие.
Вставная заглушка также имела прорезь, которая была отлита или вырезана на внешней поверхности основания цилиндра, как показано на рисунке 3.
Корпус клапана имел небольшое отверстие (см. Рисунок 4) рядом с основанием корпуса, которое совпало с отверстием для виселицы, окружающим вставку заглушки. После того, как заглушка была вставлена в корпус клапана, был нанесен удар, чтобы создать на внутренней поверхности корпуса выпуклость, которая позволяла вращать заглушку вставки, но препятствовала ее удалению сверху (Fassitelli, 1972). Эта конструкция также предотвращала выпадание вставной заглушки из корпуса клапана при колебаниях давления воды.
Что примечательно, эти 2000-летние клапаны очень похожи на водяные клапаны, которые сегодня можно купить в местных магазинах бытовой техники!
Материаловедение
Многое из того, что мы знаем о римской водной инженерии, было передано нам в двух замечательных книгах Секста Юлия Фронтина «Де Акис Урбин Ромаэ», или «Водоснабжение города Рима», которые были написаны около 97 г. н.э. Фронтин был куратором аквариума, или комиссар по воде в Риме. В De Aquis Frontinus занимается стандартизацией 15 размеров труб по диаметру, окружности и пропускной способности. Эти стандарты труб использовались по всей Римской империи, и стандарты также применялись к клапанам.
Независимые исследования показали, что действительно, клапаны и трубы, изготовленные римлянами, были одинаковыми по относительным размерам; они были стандартизированы. Оказывается, что De Aquis был предшественником наших стандартов ASTM и ASA.
Клапаны также были очень похожи по составу материала. Медь, свинец и олово были очень важными материалами в римской металлургической промышленности. Они обеспечивали устойчивость к коррозии и трению, а также пластичность, необходимую для легкого изготовления (Fassitelli, 1972).
Основываясь на металлургических исследованиях, материалы, использованные для отливки римских клапанов, были:
- 73% меди
- 19% свинец
- 8% олова
Несколько древних клапанов, которые были испытаны, имеют результаты, которые очень согласуются с материалами и процентами, используемыми при их изготовлении. Римляне имели стандартную смесь металлических сплавов для клапанов, и они были изготовлены с высоким стандартом контроля качества. Состав металла, показанный выше для древних клапанов, очень близко соответствует современному стандарту ASTM B67 для подшипников скольжения, используемых в автомобилях и железнодорожных вагонах.
Низкое давление воды
Римская конструкция водяного клапана хорошо сочетается с дизайном под давлением воды свинцового трубопровода.Свинцовый трубопровод был разработан для приложений с низким давлением воды (за редким исключением, когда свинцовый трубопровод использовался в качестве перевернутого сифона). WPI изучил систему распределения воды в Помпеях. Вода доставлялась через систему водонапорных башен, которая поддерживала давление воды на уровне примерно 8-9 фунтов на квадратный дюйм (18-20 футов). Хотя это давление воды намного меньше, чем мы рассчитываем на сегодня, его было достаточно для распределения воды в римских городах и поселках.
Поток воды в распределительной системе контролировался путем сужения трубы (каликс) или клапанов. Это было ключом к сохранению и правильному использованию поставок.
Помпеи Дом Клапана
В Помпеях вода доставлялась через свинцовые трубопроводы в общественные фонтаны, общественные бани, предприятия и частные дома. Доставка воды в дом считалась роскошью и свидетельствовала о социальном статусе владельцев дома.Только небольшой процент частных домов в Помпеях получал воду в дом. В домах вода была на полном дисплее с использованием отличительных и художественных водных особенностей.
Клапаны в каждом отдельном доме контролировали поток воды к каждому из водных объектов. Большинство клапанов в сборе были такими, как показано на рисунке 5. WPI изучал водопользование в конкретном доме в Помпеях, который называется Домом висящего балкона. Водное сооружение в этом доме представляло собой мраморную статую маленького мальчика с водой, выходящей из его руки в раковину моллюска с водой, сбегающей из раковины моллюска в основание. Водное сооружение также имело две водяные струи, которые упали в тот же мраморный бассейн. Низкое давление воды было идеальным для водного объекта в этом доме.
Клапаны, которые контролировали поток в эти места, были изготовлены на коллектор свинцовой трубы. Вся сборка, показанная на рисунке 5, была размещена у подножия водного сооружения. Это замечательный пример ноу-хау инженеров той эпохи. Можно удивиться, что римская конструкция клапана более 2000 лет назад поразительно похожа на нашу современную конструкцию.
