Koło wodne

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacja, szukaj
Koło wodne nasiębierne podczas pracy

Koło wodne, gatro - urządzenie przekształcające energię przepływu lub spadku wody w inne użyteczne formy energii. Składa się ze zwykle drewnianego lub metalowego koła mającego na obwodzie łopatki, przegrody lub zbiorniki poruszane siłą naporu wody. Koła wodne były w powszechnym użyciu od III wieku p.n.e.[1][2][3], aż do XX wieku i aktualnie są rzadko wykorzystywane komercyjnie. Najczęściej były wykorzystywane do napędu młynów wodnych, narzędzi wykorzystywanych w tartakach, papierniach, kuźniach, międlarkach w przemyśle włókienniczym, kruszenia urobku, itd.

Pod koniec XVIII wieku John Smeaton dokonał opisu fizyki kół wodnych, co przyczyniło się do znacznej poprawy ich wydajności[4][5]. Koła wodne ostatecznie zostały wyparte przez mniejsze i bardziej efektywne turbiny - wynalazek Benoîta Fourneyrona, które były w stanie wytrzymać wyższy napór hydrauliczny niż koła wodne o konwencjonalnym rozmiarze[6].

Głównym czynnikiem ograniczającym możliwość konstrukcji koła wodnego jest dostępność płynącej wody lub możliwości budowy kanału lub zapory spiętrzających wodę. Współczesne elektrownie wodne korzystają z napędu wykorzystującego przepływ grawitacyjny wody, analogicznie do koła wodnego.

Podział[edytuj]

Koła wodne można podzielić na dwa podstawowe rodzaje konstrukcji[7]:

  • poziome koło z pionową osią,
  • pionowe koło z poziomą osią.

Pionowe koła wodne można podzielić na dalsze podtypy, w zależności od sposobu dostarczania wody do mechanizmu[8][9][10][11]:

  • Koła nadsiębierne - zasilane wodą od góry, obracają się w przód lub w tył. Wykorzystują głównie energię potencjalną wody i cechującą się największą wydajnością ze wszystkich rodzajów kół wodnych. Wymagają relatywnie niewielkiej objętości oraz dużego spadku wody - około 4,5 m. Koło o ruchu zgodnym z kierunkiem przepływu wody cechuje się niższą wydajnością oraz wymaga większego spadku wody niż koło o ruchu wstecznym i z tego powodu było mniej popularne podczas rewolucji przemysłowej. Konstrukcja kół nadsiębiernych wiązała się z wyższymi kosztami inwestycyjnymi, wynikającymi głównie z potrzeby budowy specjalnego kanału lub systemu doprowadzania wody i była możliwa jedynie w obecności dużych spadków terenu.
  • Koła śródsiębierne - zasilane wodą dostarczaną do koła poniżej połowy jego wysokości. Wykorzystują energię potencjalną oraz kinetyczną wody. Były najczęściej wykorzystywanym typem koła wodnego podczas rewolucji przemysłowej, ponieważ wymagają niższego spadku wody, niż koła nadsiębierne.
  • Koła podsiębierne - zasilane wodą przepływającą bezpośrednio pod kołem. Wykorzystują głównie energię kinetyczną wody i cechują się niższą wydajnością, niż pozostałe typy kół wodnych. Były wykorzystywane głównie na zasobnych w wodę płynącą, płaskich terenach, na których nie było możliwości budowy innego rodzaju kół wodnych.
Poziome
Podsiębierne
Śródsiębierne
Nasiębierne o ruchu wstecznym
Nasiębierne

Historia[edytuj]

Pierwszy znany opis koła wodnego pochodzi z III wieku p.n.e.[12] z Mechanike syntaksis Filona z Bizancjum, gdzie opisane jest zastosowanie koła wodnego do podnoszenia wody i napędu zabawek mechanicznych. Po 35 r p.n.e. konstrukcję młyna zbożowego, napędzanego kołem wodnym podsiębiernym, przedstawił Witruwiusz w swym dziele De architectura[13]. Generalnie jednak w starożytnej Grecji jak i w starożytnym Rzymie, w obliczu dostatecznej ilości taniej siły roboczej zwierząt pociągowych i niewolników, koła wodne nie były zbyt rozpowszechnione.

W niektórych krajach Bliskiego Wschodu i Azji Południowo-Wschodniej koła wodne używane są do dziś do podnoszenia wody. Jest to zapewne najstarsza maszyna poruszana siłą wody. Składa się ona z dużego koła wodnego o średnicy do 20 m, do którego są przymocowane drewniane lub gliniane czerpaki - wraz z obrotem koła, czerpaki podnoszą wodę w górę. Koła takie do tej pory czerpią wodę na przykład z rzeki Asi w Syrii, przelewając ją do akweduktów, którymi woda jest prowadzona na pola. Stosuje się je także w innych krajach Bliskiego Wschodu, używa się go również w Hercegowinie, gdzie wprowadzili je Turcy. W Wietnamie są stosowane koła o średnicy 10-15 m, zbudowane całkowicie z bambusa.

Europa[14][edytuj]

Koło wodne napędzające młot w kuźnicy. Eksponat Skansenu Maszyn Parowych i Parowozów przy Zabytkowej Kopalni Srebra w Tarnowskich Górach

W Europie koła wodne były dość powszechnie stosowane już w XII w. Początkowo były to niewielkie koła podsiębierne, wykonane w całości z drewna, a w ich stosowaniu przodowały klasztory. Koła te miały z reguły moc od 2 do 4 KM. Z czasem młyny, folusze i tartaki, napędzane kołem wodnym, stały się powszechnym elementem pejzażu wszędzie tam, gdzie osadnictwo miało dostęp do płynącej wody. W ilustrowanych dopiskach do "Zwierciadła saskiego" pochodzących z 1370 r. widzimy już koło wodne nasiębierne[15].

Przez sześć wieków koła wodne spełniały rolę najważniejszych silników w dyspozycji ludzkości. Napędzały tokarnie, wiertarki, szlifierki, a także miechy kuźni i zakładów hutniczych. Zastosowanie w XVI w. kół wodnych do odwadniania kopalń umożliwiło górnictwu rud sięgnięcie do głębiej położonych pokładów. Traktaty z zakresu mechaniki i hydrauliki, jakie pozostawiły nam w spadku wieki XVI-XVIII, zawierają opisy wielu oryginalnych projektów różnych mechanizmów, napędzanych siłą wody. Część z nich została zrealizowana w praktyce.

Jednym z nich była siłownia wodna z XVI w., napędzająca pompy wodociągu londyńskiego. Zbudował ją Duńczyk (lub Niemiec?) Peter Moritz w 1582 r. Składało się na nią pięć wielkich kół podsiębiernych, usytuowanych między filarami jednego z mostów na Tamizie. Obracając się, napędzały one zespół pomp, podających wodę do drewnianego zbiornika, skąd następnie ołowianymi rurami była ona rozprowadzana do poszczególnych odbiorców. Dobowa wydajność pompowni wynosiła do 18 tys. m³ wody na dobę. Pracowała ona przez ok. 250 lat, tak długo, jak istniał most.

Sto lat później, w latach 1681-1682, podobna instalacja powstała we Francji. Służyła do zasilania ogrodów wersalskich. Usytuowana w Marly-le-Roi nad Sekwaną, napędzana była 14 wielkimi kołami wodnymi o średnicy 12 metrów każde. Poruszały one zespół 221 pomp, przepompowywujących wodę z Sekwany do dwóch zbiorników pośrednich. Woda podnoszona była na wysokość 162 m i przesyłana żelaznymi rurami. Uzyskiwana moc była stosunkowo niewielka i wynosiła ok. 80 KM. Koszt całej instalacji natomiast był olbrzymi i wyniósł 100 tys. ówczesnych franków. Funkcjonowała ona do 1817 r., kiedy została zastąpiona nowszym rozwiązaniem.

Koło wodne na Gowienicy w Babigoszczy

Rozwijający się przemysł potrzebował napędów o coraz to większej mocy. Na czoło wysunęły się Wyspy Brytyjskie, gdzie w XVII w. pojawiły się pierwsze maszyny przędzalnicze, a następnie tkackie. Zaczęło się upowszechniać najwydajniejsze koło nasiębierne, które doszło do wielkich rozmiarów, a do jego konstrukcji zaczęto używać metali. Np. w Szkocji pracowało wykonane z żelaza koło nasiębierne o średnicy 21 m i szerokości 3,8 m. Przy spadku wody wynoszącym ok. 20 m i przepływie ok. 1 m³/s obracało się ono z prędkością 1,3 obr./min. Miało moc 190 KM i znaczną sprawność, wynoszącą ok. 75%. Na wyspie Man działało jeszcze większe koło, o średnicy 22 m, dające moc ok. 200 KM.

W latach 70. i 80. XVIII w. w rosyjskich państwowych kopalniach zaczęło brakować rąk do pracy. Problemem stał się zwłaszcza transport urobku szybami i przeróbka rudy. W jednej z nich technik Kuźma Frołow skonstruował więc siłownię, składającą się z czterech wielkich kół wodnych, usytuowanych kolejno na tym samym cieku wodnym. Woda doprowadzana była kanałem długości 3 km ze specjalnie wybudowanego zbiornika zaporowego. Największe z kół miało średnicę 15 m. Dzięki systemowi kierowania wodą koła mogły pracować niezależnie, zaś koło napędzające maszynę wyciągową było zwrotne[16] i posiadało hamulce.

Współczesne zastosowania[edytuj]

Koło hydrauliczne[edytuj]

Koło hydrauliczne to nazwa współczesnego koła wodnego wykorzystywanego do generowania energii elektrycznej. Przykładem komercyjnego wykorzystania koła hydraulicznego jest urządzenie Aqualienne, które generuje prąd o mocy pomiędzy 37 kW and 200 kW przy odpowiednim parciu hydrostatycznym ze strumienia wody o przepływie 20m³/s[17]. Zostało ono zaprojektowane z myślą o zagospodarowaniu byłych miejsc użytkowania kół wodnych.

Wydajność mechaniczna[edytuj]

Zobacz też: turbina Archimedesa

Najwydajniejszym typem kół wodnych (hydraulicznych) są koła nadsiębierne (zwłaszcza o ruchu przeciwnym do kierunku przepływu wody). Mogą one osiągać wydajność 60% - 90%[18][19][20], przewyższając tym samym turbiny wodne. Współczesne koła podsiębierne mogą osiągać wydajność 60 - 75%[20][21][22], a w przypadku kół wodnych Ponceleta nawet 80%[23]. Koła śródsiębierne oparte na konstrukcji Alphonse'a Sagebiena mogą osiągać wydajność do 90%[24][25].

Ciekawostki[edytuj]

  • Pierwsze koło wodne w Polsce zbudowano w 1145[12] roku w Łęczycy. Służyło ono do napędu młyna.
  • W XVI wieku w Polsce pracowało ok. 3000 kół wodnych


Zachowane[edytuj]

W heraldyce[edytuj]

Element koła wodnego w heraldyce:

Zobacz też[edytuj]

Przypisy

  1. Adriana de Miranda (2007), Water architecture in the lands of Syria: the water-wheels, L'Erma di Bretschneider, str. 37–8, ISBN 8882654338
  2. The Perachora Waterworks: Addenda, R. A. Tomlinson, The Annual of the British School at Athens, tom. 71, (1976), str. 147-148
  3. Terry S. Reynolds (2003), Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel, Johns Hopkins University Press, str. 25, ISBN 0801872480
  4. Musson; Robinson (1969). Science and Technology in the Industrial Revolution. University of Toronto Press. s. 69.
  5. Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. s. 34. ISBN 978-0-8018-9141-0.
  6. Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. s. 34. ISBN 978-0-8018-9141-0.
  7. Types of Water Wheels - The Physics of a Water Wheel, ffden-2.phys.uaf.edu [dostęp 2017-09-16] (ang.).
  8. Industrial Hydropower - Mill Times, milltimes.weebly.com [dostęp 2017-09-16].
  9. Design ideas final - chopup, www.powerinthelandscape.co.uk [dostęp 2017-09-16].
  10. Hydropower Research of the Sustainable Energy Research Group, 7 października 2011 [dostęp 2017-09-16] [zarchiwizowane z adresu 2011-10-07].
  11. Types of Waterwheel, www.whitemill.org [dostęp 2017-09-16].
  12. a b Praca zbiorowa: Oxford - Wielka Historia Świata. Średniowiecze. Cesarstwo Niemieckie - Arabowie na półwyspie pirenejskim. T. 17. Poznań: Polskie Media Amer.Com, 2006, s. 176. ISBN 978-83-7425-697-1.
  13. Feldhaus Franz Maria: Maszyny w dziejach ludzkości od czasów najdawniejszych do Odrodzenia, Państwowe Wydawnictwa Techniczne, Warszawa 1958, s. 130-131
  14. Sosiński Rajmund: Z dziejów energetyki, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 1964, s. 23
  15. Feldhaus Franz Maria: op. cit., s. 252
  16. Były to de facto dwa koła o przeciwnie ustawionych łopatkach, zamocowane na wspólnej osi, a wodę na nie podawano ruchomym korytem, przestawianym przez "maszynistę"
  17. Les Aqualiennes® d'H3E-Industries - Comment fonctionne une Aqualienne® ?, www.h3eindustries.com [dostęp 2017-09-16].
  18. G. Müller: WATER WHEELS AS A POWER SOURCE (Pdf), Renewable Energy - Muller, dostęp 16.09.2017
  19. Hydropower Research of the Sustainable Energy Research Group, 7 października 2011 [dostęp 2017-09-16] [zarchiwizowane z adresu 2011-10-07].
  20. a b Ron Shannon, Water Wheel Engineering, permaculturewest.org.au [dostęp 2017-09-16].
  21. Low Head, www.fundamentalform.com [dostęp 2017-09-16].
  22. WaterWheel Factory - Poncelet Waterwheel, www.waterwheelfactory.com [dostęp 2017-09-16].
  23. Terry S. Reynolds, Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel, JHU Press, 31 lipca 2002, s. 261, ISBN 9780801872488 [dostęp 2017-09-16] (ang.).
  24. Terry S. Reynolds, Stronger Than a Hundred Men: A History of the Vertical Water Wheel, JHU Press, 31 lipca 2002, s. 264, ISBN 9780801872488 [dostęp 2017-09-16] (ang.).
  25. The Sagebien Project (pdf) ENERGY INNOVATIONS SMALL GRANT (EISG) PROGRAM. EISG FINAL REPORT [dostep 16.09.2017]