vandmølle

Oberschlächtiges vandhjul i friluftsmuseet Neuhausen ob Eck

Undershot vandhjul ved Rhinenfaldet i Neuhausen (Schweiz)

Savværk (til venstre) og kornmølle (til højre) med hver sit overskydende vandhjul. Luttermühle på Weesener Bach , Hermannsburg , omkring 1960

En vand hjul , ofte også kaldet en møllehjul , er et vandkraft maskine , der bruger det potentiale eller kinetiske energi vandet for at drive alle typer af vandmøller , generatorer til små vand kraftværker , vand pumpe -stationer eller maskiner .

betyder

Et gammelt vandhjul på Stiglbach

I mange industrialiserede regioner i dag har vandhjul næppe nogen økonomisk betydning. De fleste af dem er i de mange møller, der er blevet omdannet til museer, nogle driver mindre generatorer og bruges til at generere elektricitet . Nogle gange kører vandhjul kun til dekorative formål uden at bruge energi. I Nymphenburg Palace Park i München har vandhjul dog betjent pumpestationerne for de to springvand foran paladset i over 200 år . En vigtig forskel mellem vandhjul og møller : vandhjul kan køre uden kontrol og med stærkt svingende vandmængder uden væsentligt tab af effektivitet . Drivenergien, der derefter genereres af vandhjulet, varierer i overensstemmelse hermed.

Foruden de rene vandmøller var og er der møller, der får deres drivkraft fra den samtidige kombination af vand og vindenergi . En af de få møller af denne type, der stadig er fuldstændig bevaret i dag, er Hüvener Mühle i det nordlige Emsland .

De fleste vandhjul er tilgængelige i udviklingslandene i Afrika og Asien som uundværlige værktøjer, især til landbrug . Ifølge pålidelige estimater vil effektpotentialet for vandhjul, der er tilgængelige på verdensplan , sandsynligvis ligge inden for et par terawatts . Typisk giver et vandhjul drivkraft i et til tocifret kilowatt- område. Det bidrager til bæredygtig udnyttelse af vandkraft, da det kun kræver et lille indgreb i naturen på grund af dets lave effekt og decentrale arrangement.

historie

Effektivitet af det overdrevne Turas vandhjul

Skildring af det romerske savværk ved Hierapolis i Lilleasien .

Møllen, der stammer fra det 3. århundrede e.Kr., er den første kendte maskine, der arbejder med en mekanisme, der består af en krumtapaksel og forbindelsesstang .

“Great Laxey Wheel”, Europas største vandhjul med en diameter på 22 m

Afspil mediefil

Det store vandhjul på National Slate Museum i Wales

Afspil mediefil

Overhjul i Roeder -tunnelen i Rammelsberg , Harz

Den Opfindelsen af vand hjulet ved græske ingeniører i det 4. / 3rd århundreder. Århundrede f.Kr. Chr. Repræsenterede en milepæl i udviklingen af ​​teknologi, da mekanisk energi kunne gøres brugbar ved brug af vandkraft. I begyndelsen blev vandhjul brugt til kunstvanding i landbruget, som et skovlhjul til at løfte vand. Sådanne skovlhjul har været udbredt i de hellenistiske stater og Romerriget siden før aldersskiftet, og senere også i Indien og Kina .

Så tidligt som i romertiden , blev vandhjul også bruges til at drive slibning møller . Den romerske bygherre og ingeniør Vitruvius beskriver i sin "architectura" fra det 1. århundrede f.Kr. Både princippet om vandhjulet og møllens princip i detaljer. Det tidligste bevis på en vandmølle i Tyskland kom fra arkæologerne gennem udgravning af en mølle fra tidspunktet for Kristi fødsel på Inde . Fund i den alemanniske bosættelse Mittelhofen nær Lauchheim stammer fra det 6. århundrede. Der var mange møller i det centrale Frankrig allerede i det 9. århundrede. Vandmøller havde været almindelige i Centraleuropa siden 1100 -tallet. Senere blev anvendelsen af oliemøller , fyldmøller , savværker , hammerfabrikker , papirfabrikker og slibemøller tilføjet. I begyndelsen af ​​industrialiseringen blev vandhjulet brugt til at køre maskiner via de første transmissioner . De blev også brugt i minedriften til materialetransport og dræning. I mineindustrien i Upper Harz blev bly-, kobber- og sølvminedrift, der var gået i stå på grund af pesten i 1348, genoptaget i begyndelsen af ​​1500 -tallet. I 1868 offentliggjorde Alfred Dumreicher en detaljeret beskrivelse af vandkraftsystemet Upper Harz. I den lister han 190 vandhjul i størrelse fra 6 fod (= 1,7 m) til 40 fod (= 11,5 m) i diameter. Der er også tre vandsøjlemaskiner, som dengang var meget moderne . 18 vandhjul er mere end 10 meter i diameter og 10 vandhjul er 11 meter i diameter og mere. Dumreicher sætter den opnåede ydeevne i dette vandkraftsystem på 1870 hestens strømnet. Her blev vandkraften brugt til de særlige krav til malmminedrift. En af de vigtigste opgaver var udvinding af malmen fra den underjordiske minetunnel i højder på nogle gange mere end 500 meter til overfladen. På det tidspunkt vejede et bur fyldt med malm 300–350 kilo. Yderligere opgaver var transport af minearbejderne ved hjælp af drivkunsten og løftning af vandet, der sivede ind i gruberne i form af den minedrevne vandkunst .

Et andet eksempel er de ni historiske vandspadehjul , der stadig eksisterer i Möhrendorf an der Regnitz , som er dokumenteret allerede i 1400 -tallet. Et af de største historiske vandhjul i Tyskland er 9,6 m i diameter, "Big Wheel" bygget i 1745–1748 i Schwalheim nær Bad Nauheim . Det kørte de mekaniske pumper fra et tidligt industrielt saltværk . Det største vandhjul af alle er på Isle of Man . Det store Laxey -hjul er cirka 22 m i diameter og blev brugt til at dræne en mine.

En tilstrækkelig vandforsyning var et vigtigt punkt i lokalitetsvurderingen af ​​de nye fabrikker i modsætning til andre lokalitetskriterier i dag. Et vigtigt punkt for at kunne betjene et vandhjul var vandrettighederne . Så i dag kan du stadig finde ejendomsrettigheder for gamle industrivirksomheder i floder eller større vandløb, der ikke længere bruges af ejerne. De mill dæmninger bygget til at forbedre og sikre møllens ydeevne er ofte stadig bevaret som mølle damme på små vandområder. De havde vidtrækkende virkninger på større vandområder og var derfor et politisk spørgsmål i middelalderen.

Mod slutningen af ​​1800 -tallet gjorde fremkomsten af vandmøller det muligt at bruge meget større mængder vand og højere stigninger. Med indførelsen af ​​elektricitet skulle energien ikke længere overføres mekanisk på stedet, men kunne omdannes til elektricitet. Vandkraftværker opstod, som på grund af deres størrelse kunne producere billigere og gradvist erstattede de små kraftværker med vandhjul. Forsøg på at erstatte de forholdsvis små vandhjul med møller mislykkedes i mange tilfælde, fordi de to drev har helt forskellige egenskaber. Moderne møller udvikler i mellemtiden nye muligheder for brug.

Typer af vandhjul

Diagram over anvendelsesområder for designene

Vandhjul kan klassificeres efter typen af ​​vandindløb. Forskellige vandhjul bruges afhængigt af stigningen og højdeforskellen mellem indløb og udløb.

Uanset dette skelnes der mellem et mobilhjul og et skovlhjul.

• Cellehjul består af containere (celler), der er lukket i siden og i bunden, som holder vandet maksimalt en halv omgang. Dette design er også kendt som en stang eller kronehjul. En særlig form er Panster -hjulet, der er konstrueret efter det samme princip, men er meget større og bredere og derfor velegnet til brug i floder.
• Skovlhjul har ingen celler, men kun radialt anbragte plader eller brædder (blade), der er åbne på alle sider. For at holde vandet i padlerne kører de fleste padlehjul i en struma kanal. For at opnå et højt effektivitetsniveau skal afgrødekanalen ligge så tæt som muligt på skovlen (se fig. "Mellemstort vandhjul"). Dette design er også kendt som en skruetrækker eller stilthjul.

Illustrationerne "overskudt vandhjul" og "mellemstort vandhjul" viser et mobilhjul, illustrationen "undershot vandhjul" viser et skovlhjul.

Europas største overskudne vandhjul i træ: Schleiftal nær Calw-Stammheim

Overshot vandhjul

Overshot vandhjul

Cellehjul bruges til overskydende vandhjul. Vandet strømmer gennem en kanal (såkaldt kanal eller fluder) eller et rør til hjulets spids, hvor det falder ned i cellerne og sætter hjulet i gang gennem dets vægt og kinetiske energi ( slagvand ). Den faldhøjde er normalt mellem tre og ti meter. Overshot vandhjul har været kendt siden 1200 -tallet.

I modsætning til en vandmølle behøver et overskudt vandhjul ikke en rive for at filtrere flydende affald, og dets effektivitet er mindre afhængig af udsving i mængden af ​​vand. Anvendelsesområdet er på skråninger på 2,5 m til 10 m og vandmængder på op til 2 m³ / s (skråninger på 3 til 6 m og vandmængder på 0,1 til 0,5 m³ / s er typiske). For møller er de typiske vandhjulseffekter mellem 2 og 10 kW. Overshot vandhjul betjenes ved omkredshastigheder på ca. 1,5 m / s.

Vandet forgrenes fra Mutterbach ved en lille sti et par 100 m over vandhjulet og føres til cyklen i en kunstig kanal med lille gradient. Denne kanal omtales ofte som Obergraben, Mühlbach eller Oberer Mühlgraben. Weiren bruges til at regulere mængden af ​​vand, der strømmer ind. Den sidste del af kanalen foran hjulet kaldes flume. Det er ofte lavet af træplader eller metal. En gratis projektør, også kaldet tomskud, er fastgjort til kanalen, som leder vandet forbi hjulet, når vandhjulet går i stå. En anden type anlæg er, at den øvre grøft udvides til et reservoir . Vandhjulet er i umiddelbar nærhed bag dammen. Med denne type system styres vandgennemstrømningen til hjulet af en hjulport, som er placeret for enden af ​​kanalen.

• Overshot vandhjul
• 

  Flume og overskudt vandhjul i Zschonermühle i Dresden

• 

  Vandhjul i en Lesachtaler -mølle ( Kärnten , A)

• Afspil mediefil

  Overshot vandhjul i drift (video)

Fejehjul som en del af en tromlevikler i De re metallica ( Georgius Agricola , 1566)

Kraft og effektivitet af et overskudt vandhjul

Ydelsen af ​​et overskudt vandhjul beregnes som følger: ${\ displaystyle P = \ eta _ {\ mathrm {ges.}} \ cdot \ rho \ cdot {\ dot {V}} \ cdot g \ cdot h}$

med effekt i watt, effektivitet :, vandtæthed: i kg / m³, volumenstrøm i m³ / s, acceleration på grund af tyngdekraften : i m / s² og faldhøjden eller hjuldiameteren i m. ${\ displaystyle P}$${\ displaystyle \ eta _ {\ mathrm {ges.}} = \ eta _ {T} \ cdot \ eta _ {\ mathrm {Getr.}}}$${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle {\ dot {V}}}$${\ displaystyle g}$${\ displaystyle h}$

Under optimale forhold (især med vinger af stålplade) opnår det overskydende vandhjul en effektivitet på over 80%: Manualen til minemaskinmekanik ( Julius Weisbach , 1836) beregner effektiviteten af ​​et "godt designet" overskudt vandhjul til at være omkring 0,852 for et eksempel.

Et vandhjul konfronteres dog med isproblemer om vinteren. Afisningsarbejde på vandhjulet er udmattende og ikke uden risiko. Derfor blev mange vandhjul konverteret med et hjulhus . Hjulhuset beskytter ikke kun mod is, men forhindrer også, at det tørrer ud, når bilen står stille, hvilket i tilfælde af trækomponenter får hjulet til at bevæge sig uregelmæssigt. Turbiner har ikke disse problemer.

Fejende hjul

Fejehjul med en diameter på 9,5 m
( rekonstruktion , Clausthal-Zellerfeld )

Fejehjulet er et specielt design. Det udsættes kun for overskydende tryk og har to knivringe arrangeret i modsatte retninger, så det kan ændre sin rotationsretning afhængigt af det påførte tryk. Fejehjul blev brugt i minedriften til at drive subsidier med vandkraft . Ved at vende retningen kunne skraldespandene eller kurvene hæves og sænkes. Normalt var der en rebtromle eller en kædekurv på hjulets aksel. Derudover var en bremseindretning uundværlig for at kunne bremse fejehjulet (bremsehjulet). Den ældste skildring af et fejerhjul, der kendes i dag, stammer fra Georgius Agricola fra år 1556. I det 19. århundrede blev stålfibre stadig brugt i de saksiske malmbjerge. I Freiberg -distriktet i Abraham -skaftet er et originalt fejerhjul (omkring 1850) bevaret i hjulrummet.

Skema af et mellemstort vandhjul

Mellemslagtet og tilbageslagtet vandhjul

10 meter høje center-spoked hjul med udvendig tandkrans af den Portland Basin Canal lager på Ashton Canal, Greater Manchester , England

Mittelschlächiges vandhjul: Stütings mølle i Belecke

Middelhældede vandhjul påvirkes i omtrent navhøjde ("ramt af vandet") og bruger vandets strømning og vægt, dvs. stød og tryk, i lige stor grad. De kan bygges som et cellehjul eller som et padlehjul. Mellemstore mobilhjul kaldes også bagudrettet, de er bygget ligner overskydende hjul, men drejer i den modsatte retning. Overgangen til undershot hjul er flydende, og Zuppinger hjul (se: undershot vandhjul) kan læsses næsten i navhøjde.

Nogle mellemstore hjul har en indkøringsport ('a' i skematisk skitse). Dette er en for det meste justerbar styreenhed, der deler vandet i flere delstråler (normalt tre) og fører det til hjulet i en bestemt retning.

Effektivitet af mellemstore vandhjul

Moderne mellemstore vandhjul kan opnå effektivitet på op til 85% med den passende konstruktion af indløb og udløb samt kamre og bladform, hvilket bringer dem tæt på effektiviteten af ​​konventionelle møller. Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, bind 2 ( Julius Weisbach , 1836) beregner effektiviteten af ​​et "godt designet" overskudt vandhjul for et eksempel: omkring 0,852. Weisbach angiver formlen til beregning af effektiviteten på side 107. Det bør være lige så gyldigt for overskydende såvel som for mellem- og tilbageslagede vandhjul.

Lavt vandhjul

Lavt vandhjul

Moderne Zuppinger -cykel i LBV Center Man and Nature (bygget i 2002 af HydroWatt)

Med undershot vandhjul strømmer vandet igennem under hjulet i en struma. Struma ('K' i den skematiske skitse til Mittelschlächtigen vandhjul) er en vejledning, der er tilpasset hjulet. Det forhindrer vand i at strømme nedenunder og til siden af ​​knivene uden at drive det frem. På grund af deres meget enkle konstruktion er undershot vandhjul den ældste form for vandhjul.

Strømmen overføres via vinger. I deres enkleste form er knivene lavet af et træplade; specielt buede pladeblade forbedrer effektiviteten.

Anvendelsesområdet er på skråninger på 0,25 til 2 m og vandmængder over 0,3 m³ / s eller 50 liter pr. Sekund. Dette resulterer i en effekt i et til tocifret kW-område. Under optimale betingelser, især når afstanden mellem bolster og hjul er lille, opnås effektivitet på over 70%. Undershot -vandhjul drives ved omkredshastigheder på 1,6–2,2 m / s, idet denne variabel er en empirisk værdi. På grund af den lille hældning er vandhjulet normalt lige ved siden af ​​stigen.

Zuppinger -hjulet blev patenteret i 1849 . Dens involuteformede vinger opnår en højere grad af effektivitet. Dette design var udbredt før indførelsen af ​​dampmaskiner i industrien i det 19. århundrede (tekstilindustri, kemisk industri, stålindustri). Vandhjul med brede jernhjul havde betydelige kræfter på et par snesevis af kW. Med vandhjulets hastighed kan maskiner med langsom bevægelse f.eks. B. slag- eller halehammere (= hammer -smedje) drives direkte. De fleste drivmotorer kræver flertrinsgear ( kontraaksler ) for at levere de nødvendige hastigheder. Dette favoriserede brugen af ​​møller over vandhjulet.

Differentiering efter typen af ​​fastgørelse af knivene i stanghjul, skruehjul og skibsmøllehjul

Mens overskydende hjul har celler til at holde vandet, har mediumshot -hjul og undershot -hjul knive. I metoden til fastgørelse af knivene skelnes mellem Staberädern og Straube hjul . For stanghjul er knivene fastgjort mellem to ringe (indre og ydre "ring" på indersiden og ydersiden af ​​bladet til venstre og højre). Når det drejer sig om skruetrækkerhjul, sidder knivene ofte på korte arme, der stikker radialt ud fra fælgen og er normalt fastgjort med en ring (kant). Strukturen af Zuppinger hjul ville derfor være en skrue hjul . Stanghjulene, der bruges på vandmøller, er generelt mindre brede end skruehjul. Skruehjul blev sjældent brugt på vandmøller. Et eksempel på en mølle, der oprindeligt havde et skruehjul, var Lahde klostermølle . En typisk anvendelse af skruetrækkerhjul var som et drivhjul på paddestamper.

• 

  Medium- pitched vandhjul, designet af et stanghjul , da det har to ringe, der holder bladene på hver side

• 

  Undershot vandhjul, designet af et skruehjul , da knivene ikke er fastgjort på ydersiden med en anden ring (ring)

• 

  Zuppinger hjul fra Elstermühle Plessa, et skruehjul med hensyn til design , da (næsten) hvert blad er forbundet til akslen / navet via en arm

• 

  Skruehjul på en agterhjulsdamper

• 

  Skibsmøllehjul: knivene er i enderne af arme og har praktisk talt ingen kranse (stabiliseringsringe)

Manualen til minemaskinemekanik (Julius Weisbach, 1836) skelner mellem stanghjulet, skruehjulet og skibsmøllehjulet som følger (citat): "Stanghjulet har to parallelle fælge (hvilket betyder ringe), mellem hvilke bladene indsættes mere eller mindre radialt, så tilnærmelsesvis til Skruehjulet har kun en krans (ring) omkring den omkreds, hvor korte blade er indsat (se fig. 50: i tillægget, tabel III). Endelig har skibets møllehjul ingen krans (ring ) end at lange blade af samme er umiddelbart i enderne af hjularmene eller egerne ". Alle tre er klassificeret som Undershot -vandhjul.

Afspil mediefil

Understødt vandhjul, ifølge Poncelet med skæve knive, i drift

Poncelet -vandhjulet med skæve knive

Undershotede vandhjul med skæve knive kaldes Poncelets vandhjul (efter deres opfinder Jean-Victor Poncelet (1788–1867)). Poncelet opfandt dem omkring 1826.

Effektivitet af undershot vandhjul

Almindelige undershot vandhjul har en effektivitet på 25 til 35%. Poncelet angav en effektivitet på 50 til 55% for Poncelet -hjulene på grund af de buede knive.

Dybt vand hjul

Et dybt vandhjul ligner et undervands vandhjul, men vandhjulet er nedsænket i en (næsten) flad flod og drives udelukkende af dets strømningshastighed. Sammenlignet med det nederste vandhjul er det kun vandets naturlige strømningshastighed, der er vigtig her, en stigning i den tilgængelige energi gennem en kunstigt skabt gradient i vandet (langs vandhjulet eller gennem en spærring foran det) finder ikke sted.

Ydeevne og effektivitet

Omfanget af tjenester, der tilbydes af vandet fra dets kinetiske energi gennem strømningshastigheden , baseret på det tværsnitsareal, der påvirkes af vandhjulet , kan beregnes som følger: ${\ displaystyle {v _ {\ mathrm {river}}}}$${\ displaystyle A}$

${\ displaystyle {\ dot {m}} = A \ cdot \ rho \ cdot {v _ {\ mathrm {river}}}}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {river}} = {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ dot {m}} \ cdot {v _ {\ mathrm {river}}} ^ {2} = {\ frac {1} {2}} \ cdot A \ cdot \ rho \ cdot v _ {\ mathrm {flow}} ^ {3}}$

Ydelsen af et dybt vandhjul kan beregnes som følger:

Vandstrømmen (vandets tæthed i kg / m³) udøver en kraft (i Newton ) på knivene med tværsnitsarealet (i m²), som kan beregnes ud fra det dynamiske tryk af strømmen på bladet: ${\ displaystyle \ rho}$${\ displaystyle F}$${\ displaystyle A}$

${\ displaystyle F = A \ cdot c_ {w} \ cdot {\ frac {1} {2}} \ cdot \ rho \ cdot v _ {\ mathrm {dynamic}} ^ {2}}$

Trækkoefficienten er et dimensionsløst tal og kan udledes af de tilsvarende tabeller. En hul sfærisk halvskal, der flyves mod den hule side, har koefficienten ≈1,35. Det skal dog bemærkes, at med et vandhjul uden en dynamisk justering af angrebsvinklen til et lodret flow ( excentrisk styrede hjulklinger ), virker fladere vinkler ved nedsænkning og afslutning. Den effektive middelstrømningsmodstandskoefficient er derfor mindre end den, der kan aflæses i de sædvanlige tabeller. I denne henseende repræsenterer excentrisk styrede hjulblade en mulig forbedring, men er vedligeholdelseskrævende og forårsager yderligere tab ved at køre den excentriske kontrol, så de ikke får fremgang. ${\ displaystyle c_ {w}}$${\ displaystyle c_ {w}}$

Den effektive hastighed til dynamisk tryk beregnes ud fra flodens strømningshastighed , reduceret med vandhjulets overfladehastighed : ${\ displaystyle v _ {\ mathrm {dynamic}}}$${\ displaystyle v _ {\ mathrm {river}}}$${\ displaystyle v _ {\ mathrm {vandhjul}}}$

${\ displaystyle v _ {\ mathrm {dynamic}} = v _ {\ mathrm {river}} -v _ {\ mathrm {vandhjul}}}$

Vandhjulets effekt (i watt) beregnes ud fra ${\ displaystyle P}$

• kraftproduktet med vandhjulets overfladehastighed ${\ displaystyle v _ {\ mathrm {vandhjul}}}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {vandhjul}} = F \ cdot v _ {\ mathrm {vandhjul}}}$

henholdsvis.

• kraftproduktet med vandhjulets vinkelhastighed og vandhjulets radius :${\ displaystyle \ omega _ {\ mathrm {vandhjul}}}$${\ displaystyle r}$

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {vandhjul}} = F \ cdot \ omega _ {\ mathrm {vandhjul}} \ cdot r}$

Når man løser dette ligningssystem ved at eliminere kraften , den dynamiske hastighed og overfladehastigheden på vandhjulet , opnår man ligningen for vandhjulets effekt: ${\ displaystyle F}$${\ displaystyle v _ {\ mathrm {dynamic}}}$${\ displaystyle v _ {\ mathrm {vandhjul}}}$

${\ displaystyle P _ {\ text {vandhjul}} = {\ frac {1} {2}} \ cdot A \ cdot c_ {w} \ cdot \ rho \ cdot {v _ {\ text {vandhjul}} } \ cdot ({v _ {\ text {river}}} - {v _ {\ text {vandhjul}}}) ^ {2} = {\ frac {1} {2}} \ cdot A \ cdot c_ {w} \ cdot \ rho \ cdot r \ cdot \ omega \ cdot ({v _ {\ text {river}}} - r \ cdot \ omega) ^ {2}}$

Ydeevnen er optimal med:

${\ displaystyle {\ frac {r \ cdot \ omega} {v _ {\ mathrm {river}}}} = {\ frac {v _ {\ mathrm {vandhjul}}}} {v _ {\ mathrm {flod }}}} = {\ frac {1} {3}}}$

Den optimale overfladehastighed er derfor kun 1/3 af flodens strømningshastighed, hvorfor et moderne vandhjul skal have en hastighedskontrol for at kunne betjene den med den optimale hastighed. Om det er nødvendigt at måle flodens strømningshastighed ved hjælp af en ultralydsdopplerprobe afhænger af, om strømningshastigheden svinger stærkt afhængigt af vandstanden.

Den maksimalt mulige effekt kan derefter beregnes som følger:

${\ displaystyle P _ {\ mathrm {{vandhjul} - {optimal}}} = {\ frac {2} {27}} \ cdot A \ cdot c_ {w} \ cdot \ rho \ cdot {v _ {\ mathrm {river}}} ^ {3}}$

Dybvandshjul kræver derfor et højt dynamisk strømningstryk gennem floden og genererer en lav hastighed fra den. Dette påvirker effektiviteten som følger:

Effektiviteten af et dybt vandhjul er kvotienten for vandhjulets kraft og den effekt, floden tilbyder, hvis lighedindekset indføres: ${\ displaystyle \ eta}$ ${\ displaystyle \ Theta = {\ frac {v _ {\ mathrm {vandhjul}}} {v _ {\ mathrm {flod}}}}}}$

${\ displaystyle \ eta = {\ frac {P _ {\ mathrm {vandhjul}}} {P _ {\ mathrm {river}}}} = c_ {w} \ cdot \ venstre ({\ frac {v _ { \ mathrm {vandhjul}}} {v _ {\ mathrm {river}}}} - 2 \ cdot {\ venstre ({\ frac {v _ {\ mathrm {vandhjul}}} {v _ {\ mathrm { flod}}}} \ højre)} ^ {2} + {\ venstre ({\ frac {v _ {\ mathrm {vandhjul}}} {v _ {\ mathrm {flod}}}} \ højre)} ^ {3} \ right) = c_ {w} \ cdot \ left (\ Theta -2 \ cdot \ Theta ^ {2} + \ Theta ^ {3} \ right) = c_ {w} \ cdot \ Theta \ cdot ( 1- \ Theta) ^ {2}}$

Dette forhold er illustreret i følgende grafik:

Effektivitet af et dybt vandhjul som en funktion af hastighedskvoten og som en funktion af parameteren${\ displaystyle \ Theta = {\ frac {v _ {\ mathrm {vandhjul}}} {v _ {\ mathrm {flod}}}}}}$${\ displaystyle c_ {w}}$

Effektiviteten ser ud til at være relativt lav i forhold til effektiviteten på ≈60%, der kan opnås med en undervandspropel (undervandsvindmølle) i henhold til Betz's lov (dette kan bruges til en undervandspropel, da Betz antog en ikke-komprimerbar medium).

Dette skyldes det faktum, at et dybt vandhjul er en simpel maskine, der omdanner strømningsmodstand og dermed friktion til arbejde. Turbomaskiner som propeller eller vindmøller konverterer på den anden side trykforskellen fra luftstrømmen til luftstrømmen til et maksimalt drejningsmoment ganget med hastigheden. Med et smart valg af profilen kan der konstrueres betydeligt mere effektive arbejdsmaskiner. Mellemstore eller undershotede vandhjul, der ledes i scener, kan ses som en variant af forskydningsmaskiner (cellevæggen som en slags stempel) og fungerer mere effektivt på grund af tvungen vejledning af vandet, men er meget modtagelige for friktionstab fra flydende affald og er derfor vedligeholdelseskrævende. Desuden skal flydende affald bortskaffes som affald, så det må ikke bare returneres til vandet herunder, hvilket medfører betydelige omkostninger.

Ikke desto mindre kan et dybt vandhjul være en egnet generator til at generere elektricitet fra floders kinetiske energi, da dette er tilfældet

• er relativt ufølsom over for påvirkning af flydende affald og
• følgelig afholdes lave vedligeholdelsesomkostninger, hvilket kan forringe rentabiliteten på andre flodkraftværker betydeligt.

Energiforsyningen fra floden behøver ikke at være så høj som muligt, men snarere brugt så omkostningseffektivt som muligt. Et dybt vandhjul er velegnet til dette.

Dybt vandhjul designet som en hydraulisk struktur

Vandpumpehjul nær Möhrendorf

Dybvandshjulet klarer sig med vandets naturlige gradient. I modsætning til det undershotede vandhjul er der ingen baggrund her, der forvandler det til en slags stempelmotor. Hjulet drives udelukkende af friktion af skovlbræddernes strømningsmodstand ( afledning af bevægelsesligningen se ovenfor ). Effektiviteten af ​​dybe vandhjul er maksimal, når hjulets periferihastighed svarer til 1/3 af vandhastigheden.

Princippet bruges især med vand padler, fordi det er ufølsom over for skader fra flydende rester og er derfor robust, som i dette tilfælde repræsenterer den vigtigste fordel, der væsentligt forbedrer den økonomiske effektivitet (i Tyskland, debris fjernet fra vandet skal bortskaffes som affald til en høj pris).

Det er også tæt forbundet til drevet af skovlhjul dampere som en kvasi uret proces og er blevet erstattet der ved propellen, som er meget mere effektiv.

Flydende dybhavshjul - skibsmølle

Skibsmølle Minden

I skibsfabrikker er begge stavemåder almindelige, dette konstruktionsprincip bruges også. Her ligger skibet fast fortøjet i floden; vandhjulet driver møllen på skibet. Skibsmøllen har den fordel, at den flyder eller synker med vandstanden og derfor altid har den samme mængde vand til rådighed.

Vandrette møller

Horisontale møller, også lokalt kendt som stok- eller flodermøller, er kendetegnet ved et vandret vandhjul på en lodret aksel . Hjulet driver møllesten uden gearkasse. Der bruges kun kinetisk energi; møllen har derfor brug for en flod med en stejl stigning. På grund af deres enkle og robuste design og deres egnethed til små mængder vand var vandrette møller tidligt udbredt, især i tørre og bjergrige områder i Middelhavet; de kan dog også findes i Nordeuropa og i alperegionen.

Særlige former

Nybyggede vandhjul er ofte specielle former og bruges normalt til at generere elektricitet.

• Den Turas vand hjulet er en halmledervalse, ensidig bærende vandhjul. Den er flangeret på den ene side i en præfabrikeret rammekonstruktion, som er udstyret med gearet og asynkron generatorenhed , og understøttes af gearet. Med dette design er vandhjulsakslen udeladt.
• The Gravity vand hjul er en mellemstor vand hjul, hvor tabene tilgangs- og afgangsåbninger er blevet minimeret for at generere maksimal energi . Grundlaget er konstruktionsretningslinjerne for Zuppinger vandhjul. Bladernes form er ikke optimeret til maksimal ydelse , men til maksimalt årligt arbejde (årligt arbejde betyder i dette tilfælde den gennemsnitlige energimængde på et år). Tyngdekraftens vandhjul er derfor mere i overensstemmelse med nutidens behov for at bruge vandhjulet til at generere energi.
• Det segmenterede kransvandhjul er et ventileret vandhjul med et modulært design.
• Kryds- turbinen er i det væsentlige en videreudvikling af vandhjulet.
• Den lamellære turbine er baseret på princippet om et undershot vandhjul.
• Den Vandtrykket maskine er en videreudvikling af den mellemstore vandhjul.
• Den dynamiske trykmaskine er også en videreudvikling af det mellemstore vandhjul.
• Den vandkraft skrue er baseret på princippet om Arkimedes skrue .
• Den Steffturbine arbejder på princippet om en overbid vandhjul.

I Le Locle i den schweiziske kanton Neuchatel (NE) er Europas eneste underjordiske møller, hulemøllerne i Le Locle . I 1500-tallet blev vandhjul bygget ind i et vandfald i en hul i flere etager for at drive en melmølle og tærske- og savværker .

Anvendes til at generere elektricitet

Anvendelsesområder for vandkraftmaskiner inden for små og mikro vandkraft

Vandhjulet har oplevet en teknisk renæssance i løbet af elproduktionen baseret på vedvarende energi . Vandhjul er kendetegnet ved en omkostningseffektiv implementering i eksisterende kanaler (f.eks. Vandingskanaler), hvorved de strukturelle og tekniske størrelsesbegrænsninger for vandhjul (faldhøjde maks. ≈8-10 m, flow maks. ≈10 m³ / s) kan være brugt i området den lille og meget lille vandkraft, som vist i diagrammet til højre.

Vandhjul i maskinhaller og hjulrum

I minedriften blev vandhjul og fejehjul normalt installeret under jorden i hjulrum . Men der blev også installeret overskydende eller undershotede vandhjul i maskinhaller / hjulrum til fremme af vand / drikkevand eller saltlage.

13 m vandhjul i maskinhallen i det gamle saltværk Bad Reichenhall til pumpning af saltlage ved hjælp af stempelpumper

Bygning (1766) af den gamle Geraer Wasserkunst , tidligere hjulrum på et lavt vandhjul til pumpning af drikkevand op ad et bjerg

Kombination med andre former for vedvarende energi

Eksisterende vandhjulssystemer kan kombineres med andre energiproducenter såsom solceller, små vindsystemer og varme- og kraftenheder ved hjælp af generatorer. En ladestyring med et energistyringssystem regulerer og styrer produktion og distribution af energi.

Selv i tidligere århundreder blev vindkraft og vandkraft brugt i kombination i form af kombinerede "vind- og vandmøller". Eksempler er Hüvener Mühle , Klostermühle Lahde og Kilsdonker Mühle i Holland.

Se også

• Vindmølle
• Segners vandhjul af Johann Andreas von Segner
• Tidevandsmølle
• Pumpestation

litteratur

• Konrad Gruter : De aquarum conductibus; molendinis aliisque machinis et aedificiis. 3 dele, Venedig 1424.
• Ferdinand Redtenbacher : Teori og konstruktion af vandhjulene. 2 bind, Mannheim 1858.
• Carl von Bach: Vandhjulene. 1 bind. + Atlas, Stuttgart 1886.
• Wilhelm Müller: Jernvandshjulene. Bind 1: cellehjulene. Bind 2: padlehjulene. Bind 3: Atlas. Veit & Comp forlag, Leipzig 1899.
• Wilhelm Müller: Vandhjulene, beregning, konstruktion og effektivitet. forkortet version af de tidligere bind. Moritz Schäfer forlag, Leipzig 1929.
• Heinrich Henne: Vandhjulene og møllerne. 1 bind + atlas. Forlag Bernhard Friedrich Voigt, Leipzig 1903.
• F. Beyrich: Beregning og udførelse af vandhjulene. JM Gebhardt's Verlag, Leipzig 1905.
• CGO Deckert: De hydrauliske motorer. (Maskinteknikerens skole 14) Moritz Schäfer forlag, Leipzig 1914.
• K. Albrecht: Vandhjul og turbiner del 2 i bind 5 Motorer 1. fra Uhlands manual til den praktiske maskindesigner. Verlag W. & S. Loewenthal, Berlin ca. 1915.
• Vandhjul . I: Meyers Konversations-Lexikon . 4. udgave. Bind 16, Verlag des Bibliographisches Institut, Leipzig / Wien 1885–1892, s. 427.
• KW Meerwarth: Eksperimentelle og teoretiske undersøgelser af det overskydende vandhjul. Afhandling. TU Stuttgart, 1935.
• DM Nuernbergk: Vandhjul med afgrødekanal - beregningsgrundlag og nye fund. Moritz Schäfer Verlag, Detmold 2005, ISBN 3-87696-121-1 .
• DM Nuernbergk: vandhjul med fri hældning - design og beregningsgrundlag. Moritz Schäfer Verlag, Detmold 2007, ISBN 978-3-87696-122-4 .
• Richard Brüdern: Sådan bygges vandhjul - et bidrag til teknologiens historie, beregning og konstruktion af vandhjul. Selvudgivet, Hannover 2006, OCLC 255703382 .
• Axel Feuss: vand-, vind- og industrimøller i Hamborg. (= Arbejdsbøger om bevarelse af monumenter i Hamborg, emneserie bind 9) Boyens Medien, Heide / Holstein 2007, ISBN 978-3-8042-1234-3 .
• Klaus Grewe: Reliefrepræsentation af en gammel stensavsmaskine fra Hierapolis i Frygien og dens betydning for teknologiens historie. International konference 13. - 16. Juni 2007 i Istanbul. I: Martin Bachmann (red.): Konstruktionsteknologi i det gamle og før-gamle Lilleasien. (Byzas, bind 9) Istanbul 2009, ISBN 978-975-8072-23-1 , s. 429-454. (Tysk, delvist engelsk)
• Julius Weisbach: Textbook of Engineering and Machine Mechanics, Anden del: Practical Mechanics, Verlag Friedrich Vieweg og Son, Braunschweig 1846, kapitel fire "Fra de lodrette vandhjul" s. 154–243, Stolzenad (Fig. 219 og 220) og Staberad pp 201-202; Kapitel fem "Fra de vandrette vandhjul" (møller) s. 243–334 (geometrisk struktur og beregning af mange forskellige vandhjul og møller)

Weblinks

Wiktionary: Mill wheel  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

Wiktionary: Wasserrad  - forklaringer på betydninger, ordoprindelse, synonymer, oversættelser

• Oplysninger om modelkonstruktion af vandhjul
• Teori og konstruktion af vandhjulene v. Ferdinand Jacob Redtenbacher
• En side med omfattende søgemuligheder om emnet vandmøller
• Informationsside om Möhrendorfer -vandskivehjulene
• Fejehjul Funktion af et fejende hjul (forfremmelse og kørefærdigheder)
• Harzer Kehrrad ( Memento fra 10. juli 2004 i internetarkivet )
• Billeder af Clickmill fra Dounby på Orkney
• Den ældste vandmølle nord for Alperne (fra Welt-Online)
• 25.000 vandmøller rasler efter ren elektricitet
• Vandhjul i Lower Fulling Mill, Rothenburg ob der Tauber (3. marts 2016 i internetarkivet )

Individuelle beviser

1. ^ Tullia Ritti, Klaus Grewe, Paul Kessener: En relief af en vanddrevet stensavmølle på en sarkofag i Hierapolis og dens konsekvenser. I: Journal of Roman Archaeology. Bind 20 (2007), s. 138-163 (161).
2. ^ John Peter Oleson: Græsk og romersk mekanisk vandløfter: En teknologis historie . University of Toronto Press, 1984, ISBN 90-277-1693-5 , s. 325ff.
3. ↑ John Peter Oleson: Vandløftning . I: Örjan Wikander: Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History. (Teknologi og ændring i historie 2). Brill, Leiden 2000, ISBN 90-04-11123-9 , s. 217-302.
4. ↑ Alfred Dumreicher: Hele oversigten over vandforvaltningen i det nordvestlige Upper Harz. Clausthal 1868. (Udvidet ny udgave: Volkmar Trunz (red.), Oberharzer Geschichts- und Museumsverein eV, Clausthal-Zellerfeld 2000, ISBN 3-9806619-2-X ).
5. ↑ ^{a b c d e f g h} Jutta Böhm: Mühlen-Radwanderung. Ruter: Kleinziegenfelder Tal og Bärental. Weismain miljøstation i Lichtenfels -distriktet, Weismain / Lichtenfels (Lichtenfels -distriktet), 2000, s.6.
6. ↑ Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, andet bind: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, s. 108, effektivitet af det overskydende vandhjul
7. ↑ Minedriftsmonumenter i mineregionen Erzgebirge / Krusnohory, tysk / tjekkisk, Karlovy Vary -distriktet, Tjekkiet 2014
8. ↑ Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, andet bind: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, S. 107-108: effektivitet af det overskydende vandhjul; Effektivitet af det mellemstore vandhjul s. 111
9. ↑ Julius Weisbach: Textbook of Engineering and Machine Mechanics , Verlag Friedrich Vieweg og Son, Braunschweig 1846, kapitel fire "Fra de lodrette vandhjul" s. 154–243, s 220 træskruehjul, s. 201) og stanghjul (fig. 218, s. 199)
10. ↑ Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, andet bind: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, s. 116–117: Kapitel 32: Understødte vandhjul: stanghjul, skruehjul og skibsmøllehjul
11. ↑ Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik , andet bind: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, s. 116–117: Kapitel 37: Undershotede vandhjul med skæve knive (Poncelet-vandhjul)
12. ↑ Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik , andet bind: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, pp 116-117:. Kapitel 37: "Underbid vandhjul med skæve knive (Poncelet vandhjul)", (omtale af graden af ​​effektivitet undervands vandhjul)
13. ↑ ^{a b c d e f} procedurer i 43. IWASA 2013- formand og institut for hydraulisk teknik og vandforvaltning Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen; Redaktør: Univ.-Professor Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf (PDF; 1,06 MB).
14. ↑ ^{a b c} Statusrapport om udviklingen af ​​den dynamiske trykmaskine , Institute for Hydraulic Flow Machines ved Graz University of Technology .