Śruba Archimedesa

Animacja pokazująca, jak działa śruba Archimedesa, z czerwonymi kulkami reprezentującymi wodę.

Animacja pokazująca, jak śruby Archimedesa mogą generować energię, jeśli są napędzane przepływającym płynem.

Śruba Archimedesa , znana również jako śruba Archimedesa , śruba hydrodynamiczna , śruba wodna lub śruba egipska , jest jedną z najwcześniejszych maszyn hydraulicznych. Używanie śrub Archimedesa jako pomp wodnych (pompa śrubowa Archimedesa (ASP) lub pompa śrubowa ) sięga wielu stuleci. Jako maszyna służąca do przenoszenia wody z nisko położonych zbiorników wodnych do rowów irygacyjnych , woda jest pompowana poprzez obracanie powierzchni w kształcie śruby wewnątrz rury. We współczesnym świecie pompy śrubowe Archimedesa są szeroko stosowane w oczyszczalniach ścieków i do odwadniania nisko położonych regionów. Turbiny Śrubowe Archimedesa (AST) to nowa forma małych elektrowni wodnych, które mogą być stosowane nawet w miejscach o niskim spadzie. Generatory śrub Archimedesa działają w szerokim zakresie przepływów (0,01 ${\ Displaystyle m ^ {3} / s}$ do 14,5 ${\ Displaystyle m ^ {3} / s}$ ) i głowic (0,1 m do 10 m), w tym niskie wysokości podnoszenia i umiarkowane natężenia przepływu, które nie są idealne dla tradycyjnych turbin i nie są zajmowane przez technologie o wysokiej wydajności. Śruba Archimedesa jest odwracalną maszyną hydrauliczną i istnieje kilka przykładów instalacji śrub Archimedesa, w których śruba może działać w różnym czasie jako pompa lub generator, w zależności od zapotrzebowania na moc i przepływ cieków wodnych.

Śruba Archimedesa została nazwana na cześć greckiego matematyka Archimedesa , który jako pierwszy opisał ją około 234 rpne, chociaż istnieją dowody na to, że urządzenie to było używane w starożytnym Egipcie na długo przed jego czasami. Podobnym urządzeniem jest przenośnik ślimakowy, służący do transportu materiałów sypkich, takich jak proszki i ziarna .

Historia

Pompa wodna w Egipcie z lat 50. XX wieku, która wykorzystuje mechanizm śrubowy Archimedesa

Pompa śrubowa jest najstarszą pompą wyporową . Pierwsze wzmianki o śrubie wodnej lub pompie śrubowej pochodzą z hellenistycznego Egiptu sprzed III wieku pne. Śruba egipska, używana do podnoszenia wody z Nilu , składała się z rurek owiniętych wokół cylindra; gdy cała jednostka się obraca, woda jest podnoszona w spiralnej rurze na wyższą wysokość. Późniejsza konstrukcja pompy śrubowej z Egiptu miała spiralny rowek wycięty na zewnątrz solidnego drewnianego cylindra, a następnie cylinder był pokryty deskami lub arkuszami metalu ściśle zakrywającymi powierzchnie między rowkami.

Niektórzy badacze sugerowali, że urządzenie to było używane do nawadniania Wiszących Ogrodów Babilonu , jednego z Siedmiu Cudów Starożytnego Świata . Napis klinowy asyryjskiego króla Sennacheryba (704–681 pne) został zinterpretowany przez Stephanie Dalley jako opis odlewania śrub wodnych z brązu około 350 lat wcześniej. Jest to zgodne z klasycznym autorem Strabonem , który opisuje Wiszące Ogrody jako nawadniane śrubami.

Pompa śrubowa została później sprowadzona z Egiptu do Grecji. Zostało to opisane przez Archimedesa przy okazji jego wizyty w Egipcie około 234 r. p.n.e. Ta tradycja może odzwierciedlać tylko to, że aparat był nieznany Grekom przed hellenistycznymi . Archimedes nigdy nie przypisywał sobie zasługi za swój wynalazek, ale przypisał mu go 200 lat później Diodor , który uważał, że Archimedes wynalazł pompę śrubową w Egipcie. Przedstawienia greckich i rzymskich śrub wodnych pokazują, że są one napędzane przez człowieka stąpającego po zewnętrznej obudowie, aby obrócić cały aparat jako jeden element, co wymagałoby sztywnego przymocowania obudowy do śruby.

Niemiecki inżynier Konrad Kyeser wyposażył śrubę Archimedesa w mechanizm korbowy w swoim Bellifortis (1405). Mechanizm ten szybko zastąpił starożytną praktykę obróbki fajki przez stąpanie.

Projekt

Parametry konstrukcyjne śruby Archimedesa

Śruba Archimedesa składa się ze śruby ( spiralnej powierzchni otaczającej centralny cylindryczny wał) wewnątrz wydrążonej rury. Śruba jest zwykle obracana przez wiatrak, pracę fizyczną, bydło lub za pomocą nowoczesnych środków, takich jak silnik. Gdy wał się obraca, dolny koniec zbiera pewną ilość wody. Ta woda jest następnie wypychana w górę rury przez obracającą się helikoidę, aż wyleje się z górnej części rury.

Należy zauważyć, że objętość ślimaka nie może być całkowicie wypełniona wodą; z każdą łyżką wody musi być spora ilość „nabieranego” powietrza. Z tego powodu pompa przestaje działać, jeśli dno rury jest całkowicie zanurzone, tak że powietrze nie może zostać zasysane. Wynika to z faktu, że poszczególne kieszenie wody muszą być oddzielone od siebie kieszeniami powietrza, w przeciwnym razie nie byłoby różnicy między śrubą Archimedesa a (zwiniętą) rurą, która umożliwiałaby cofanie się wody z górnego basenu do dolnego basenu, podobnie jak syfon.

Powierzchnia styku między śrubą a rurą nie musi być idealnie wodoszczelna, o ile ilość wody pobieranej przy każdym obrocie jest duża w porównaniu z ilością wody wyciekającej z każdej sekcji śruby na obrót. Jeśli woda z jednej sekcji przedostanie się do następnej niższej, zostanie przeniesiona do góry przez kolejny segment ślimaka.

W niektórych konstrukcjach śruba jest wtopiona w obudowę i obie obracają się razem, zamiast obracać się śrubą w nieruchomej obudowie. Śrubę można uszczelnić do obudowy za pomocą żywicy pakowej lub innego kleju, albo śrubę i obudowę można odlać razem jako jeden element z brązu.

Konstrukcja zwykłej greckiej i rzymskiej śruby wodnej, w przeciwieństwie do ciężkiego brązowego urządzenia Sennacheryba , z jego problematycznymi łańcuchami napędowymi, ma potężną prostotę. Podwójna lub potrójna helisa została zbudowana z drewnianych pasków (lub czasami z brązowej blachy) wokół ciężkiego drewnianego słupa. Wokół helis zbudowano walec z długich, wąskich desek przymocowanych do ich obwodu i uszczelnionych smołą.

Badania pokazują, że objętość przepływu przepływającego przez śruby Archimedesa jest funkcją głębokości wlotu, średnicy i prędkości obrotowej ślimaka. Dlatego do zaprojektowania śrub Archimedesa można zastosować następujące równanie analityczne:

${\ Displaystyle D_ {O} = {\ sqrt [{ 3}] {\frac {16\pi Q}{\sigma \omega (2\theta _{O}-sin2\theta _{O}-\delta ^{2}(2\theta _{i}-sin (2\theta _{i}))}}}}$

gdzie jest w ${\ Displaystyle (m)}$ i: re $D_ {O}}$

${\ Displaystyle \ omega}$ : Prędkość obrotowa śruby Archimedesa (rad / s)

${\ Displaystyle Q}$ : Objętościowe natężenie przepływu ${\ Displaystyle (m ^ {3} / s)}$

W oparciu o wspólne standardy, których używają projektanci śrub Archimedesa, to równanie analityczne można uprościć jako:

${3/7}}$

Wartość η można po prostu określić $za$ pomocą $.$ lub Określając , inne parametry konstrukcyjne śrub Archimedesa można obliczyć metodą $analityczną$ kroku.

Używa

Nowoczesna śruba Archimedesa, która zastąpiła niektóre wiatraki używane do osuszania polderów w Kinderdijk w Holandii

Śruba Archimedesa jako forma sztuki autorstwa Tony'ego Cragga w 's-Hertogenbosch w Holandii

Ślimak był używany głównie do transportu wody do systemów irygacyjnych oraz do odwadniania kopalń lub innych nisko położonych obszarów. Wykorzystywano ją do osuszania gruntów znajdujących się pod powierzchnią morza w Holandii iw innych miejscach przy tworzeniu polderów .

Śruby Archimedesa znajdują zastosowanie w oczyszczalniach ścieków, ponieważ dobrze radzą sobie ze zmiennym natężeniem przepływu oraz z zawiesinami. Ślimak w odśnieżarce lub elewatorze zbożowym to zasadniczo śruba Archimedesa. Betonomieszarki używają śrub Archimedesa po wewnętrznej stronie bębna do mieszania lub rozładunku materiału.

Zasada ta znajduje również zastosowanie w schodach ruchomych, które są śrubami Archimedesa przeznaczonymi do bezpiecznego podnoszenia ryb ze stawów i transportu ich w inne miejsce. Technologia ta jest stosowana głównie w wylęgarniach ryb, gdzie pożądane jest zminimalizowanie fizycznego obchodzenia się z rybami.

Śruba Archimedesa została wykorzystana do udanej stabilizacji Krzywej Wieży w Pizie w 2001 roku . Niewielkie ilości podłoża nasyconego wodami gruntowymi usunięto daleko poniżej północnej strony wieży, a ciężar samej wieży skorygował pochylenie. Śruby Archimedesa są również stosowane w fontannach czekoladowych .

Turbiny Śrubowe Archimedesa (AST) to nowa forma generatora dla małych elektrowni wodnych, która może być stosowana nawet w miejscach o niskim spadzie. Niska prędkość obrotowa AST zmniejsza negatywny wpływ na organizmy wodne i ryby.

Warianty

Śruba Archimedesa widziana na kombajnie zbożowym

Główny artykuł: Przenośnik ślimakowy

Przenośnik ślimakowy to śruba Archimedesa umieszczona w rurze i obracana przez silnik w celu dostarczania materiału z jednego końca przenośnika na drugi. Szczególnie nadaje się do transportu materiałów ziarnistych, takich jak granulaty tworzyw sztucznych stosowane w formowaniu wtryskowym oraz ziarna zbóż . Może być również używany do transportu płynów. W przemysłowych zastosowaniach kontrolnych przenośnik może być używany jako podajnik obrotowy lub podajnik o zmiennej prędkości do dostarczania odmierzonej szybkości lub ilości materiału do procesu.

Wariant śruby Archimedesa można również znaleźć w niektórych wtryskarkach , maszynach do odlewania ciśnieniowego i wytłaczaniu tworzyw sztucznych, które wykorzystują śrubę o malejącym skoku do ściskania i topienia materiału. Jest również stosowany w sprężarce śrubowej . Na znacznie większą skalę do zagęszczania odpadów stosuje się śruby Archimedesa o malejącym skoku .

Działanie odwrotne

Główny artykuł: turbina śrubowa

Jeśli woda zostanie wprowadzona na górę śruby Archimedesa, zmusi śrubę do obracania się. Obracający się wał może być następnie wykorzystany do napędzania generatora elektrycznego. Taka instalacja ma te same zalety, co zastosowanie ślimaka do pompowania: możliwość radzenia sobie z bardzo brudną wodą i dużymi różnicami prędkości przepływu przy wysokiej wydajności. Settle Hydro i Torrs Hydro to dwa odwrócone systemy śrubowe działające w Anglii. Śruba dobrze sprawdza się jako generator przy niskich spadach , powszechnie spotykanych w angielskich rzekach, w tym Tamizie , zasilających zamek Windsor .

Meriden w stanie Connecticut otwarto pierwszą elektrownię wodną z odwróconą śrubą w Stanach Zjednoczonych . Projekt Meriden został zbudowany i jest obsługiwany przez New England Hydropower o mocy znamionowej 193 kW i współczynniku wydajności około 55% w ciągu 5-letniego okresu eksploatacji.

Zobacz też

• Spirala Archimedesa
• Pojazd napędzany śrubą
• SS Archimedes – pierwszy parowiec napędzany śrubą napędową .
• Śruba (prosta maszyna)
• Turbina śrubowa
• Pompa spiralna
• Witruwiusz

Źródła

• YoosefDoost, A, W.-D. Lubitz: Konstrukcja śruby Archimedesa: Model analityczny do szybkiego oszacowania geometrii śruby Archimedesa , Energies 2021. doi: 10.3390/en14227812
• YoosefDoost, A, W.-D. Lubitz: Wytyczne projektowe dla elektrowni wodnych wykorzystujących jedną lub wiele śrub Archimedesa , Procesy, 2021. doi: 10.3390/pr9122128
• YoosefDoost, A, W.-D. Lubitz: Archimedes Screw Turbines: A Sustainable Development Solution for Green and Renew Energy Generation — przegląd potencjału i procedur projektowych , Zrównoważony rozwój, 2020. doi: 10.3390/su12187352 .
• Yoosefdoost, A.: Generatory śrubowe Archimedesa i elektrownie wodne: wytyczne projektowe i modele analityczne , University of Guelph, 2022, praca doktorska, Guelph, ON, Kanada (2022).
•   PJ Kantert: „Podręcznik pompy śrubowej Archimedesa”, Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-896-6 .
•   PJ Kantert: "Praxishandbuch Schneckenpumpe", Hirthammer Verlag 2008, ISBN 978-3-88721-202-5 .
•   PJ Kantert: "Praxishandbuch Schneckenpumpe" - wydanie 2 2020, DWA, ISBN 978-3-88721-888-1 .
•   Oleson, John Peter (1984), greckie i rzymskie mechaniczne urządzenia do podnoszenia wody. Historia technologii , Dordrecht: D. Reidel, ISBN 90-277-1693-5
•   Oleson, John Peter (2000), „Water-Lifting”, w: Wikander, Örjan (red.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, tom. 2, Leiden, s. 217–302 (242–251), ISBN 90-04-11123-9
• Nuernbergk, D. i Rorres C.: „Model analityczny dopływu wody ze śruby Archimedesa używanej w elektrowniach wodnych”, ASCE Journal of Hydraulic Engineering, opublikowano: 23 lipca 2012 r.
•   Nuernbergk DM: „Wasserkraftschnecken – Berechnung und Optimaler Entwurf von archimedischen Schnecken als Wasserkraftmaschine”, Verlag Moritz Schäfer, Detmold, 1. wydanie. 2012, 272 artykuły, ISBN 978-3-87696-136-1
• Rorres C .: „Obrót śruby: optymalna konstrukcja śruby Archimedesa”, ASCE Journal of Hydraulic Engineering, tom 126, numer 1, styczeń 2000, s. 72–80
• Nagel, G.; Radlik K.: Wasserförderschnecken – Planung, Bau und Betrieb von Wasserhebeanlagen; Udo Pfriemer Buchverlag in der Bauverlag GmbH, Wiesbaden, Berlin (1988)
• White, Lynn Jr. (1962), Medieval Technology and Social Change , Oxford: At the Clarendon Press

Linki zewnętrzne

• The Turn of the Screw: Optimal Design of a Archimedes Screw , autorstwa Chrisa Rorresa, PhD.
• „Śruba Archimedesa” Sándora Kabai, Wolfram Demonstrations Project , 2007.
• „Przykłady śrub Archimedesa Różne źródła, 2021