Su tekerleği - Water wheel

Almanya'nın Welzheim kentinde tarihi bir taşma su çarkı

Bir su çarkı a, makine genellikle de, akan ya da güç yararlı formlara düşen su enerjisini dönüştürmek için su değirmeni . Bir su çarkı, bir tekerlekten (genellikle ahşap veya metalden yapılmış) oluşur, bir dizi bıçak veya kova , dış çember üzerinde sürüş arabasını oluşturur.

Su çarkları 20. yüzyıla kadar hala ticari kullanımdaydı, ancak artık ortak kullanımda değiller. Kullanım alanları, un değirmenlerinde öğütülmesi, kağıt yapımı için ahşabın hamur haline getirilmesi , dövme demirin çekiçlenmesi , talaşlı imalat, cevherin ezilmesi ve kumaş üretiminde kullanılmak üzere elyafın dövülmesini içeriyordu .

Bazı su çarkları, akan bir akarsuya set çekildiğinde oluşan bir değirmen havuzundan gelen suyla beslenir . Bir su çarkından akan su için bir kanala değirmen yatağı denir . Değirmen havuzundan su çarkına su getiren yarış bir baş yarıştır ; tekerlekten çıktıktan sonra su taşıyan kişiye genellikle kuyruk rayı denir .

18. yüzyılın ortalarından sonlarına kadar John Smeaton'ın su çarkı üzerine yaptığı bilimsel araştırma, Sanayi Devrimi için çok ihtiyaç duyulan gücü sağlayan verimlilikte önemli artışlara yol açtı .

Su jantlar, daha küçük daha az pahalı ve daha verimli kadar kaydırılan başladı türbin tarafından geliştirilen, Benoît Fourneyron 1827 Türbinler yüksek taşıma kapasitesine sahip olan yılında ilk modeli ile başlayan kafaları veya yükseltiler pratik boyutlu waterwheels yeterliliğini aşan,.

Su çarklarının ana zorluğu, nerede bulunabileceklerini sınırlayan akan suya bağımlılıklarıdır. Modern hidroelektrik barajlar , suyun yokuş aşağı hareketinden faydalandıkları için su çarkının torunları olarak görülebilir.

Türler

Su çarkları iki temel tasarıma sahiptir:

  • dikey akslı yatay tekerlek; veya
  • yatay akslı dikey bir tekerlek.

Sonuncusu, suyun tekerleğe çarptığı yere göre arkadan vuruş (atış-geri), üstten vuruş, göğüs vuruşu, alttan vuruş ve akış çarkları olarak alt bölümlere ayrılabilir. Undershot terimi, suyun çarkın altından geçtiği herhangi bir tekerleğe atıfta bulunabilir, ancak genellikle su girişinin çarkta düşük olduğunu ima eder.

Overshot ve backshot su çarkları tipik olarak mevcut yükseklik farkının birkaç metreden fazla olduğu durumlarda kullanılır. Breastshot tekerlekleri, orta kafalı büyük akışlar için daha uygundur . Undershot ve akış çarkı, az veya hiç kafada büyük akışlar kullanır.

Genellikle ilgili bir değirmen havuzu , su depolamak için bir rezervuar ve dolayısıyla ihtiyaç duyulana kadar enerji vardır. Daha büyük kafalar , aynı miktarda su için daha fazla yerçekimi potansiyel enerjisi depolar, bu nedenle, üstten ve arkadan atış tekerlekleri için rezervuarlar, göğüs atış tekerleklerinden daha küçük olma eğilimindedir.

Yükseklik farkı 2 metreden (6,5 ft) fazla olan ve genellikle küçük bir rezervuarla bağlantılı olan küçük bir derenin olduğu yerlerde, üstten ve geri tepme su çarkları uygundur. Göğüs ve undershot tekerlekleri nehirlerde veya büyük rezervuarlara sahip yüksek hacimli akışlarda kullanılabilir.

Türlerin özeti

Dikey eksen , küvet veya İskandinav değirmenleri olarak da bilinir.
  • Dikey eksenli yatay tekerlek
  • Aks üzerine monte edilmiş bıçaklara bir su jeti çarpıyor
  • Sürüş yüzeyleri – bıçaklar
  • Su – düşük hacim, yüksek kafa
  • Verimlilik – zayıf
Dikey eksenli su değirmeni şeması
Akış ( serbest yüzey olarak da bilinir ). Gemi tekerlekleri bir tür akış tekerleğidir.
  • Yatay akslı dikey tekerlek
  • Tekerleğin alt kısmı akan suya yerleştirilir
  • Sürüş yüzeyleri - bıçaklar - 18. yüzyıldan önce düz, daha sonra kavisli
  • Su – çok büyük hacim, kafa yok
  • Verimlilik – 18. yüzyıldan önce yaklaşık %20 ve daha sonra %50 ila %60
Akış atış su çarkı diyagramı
yetersiz
  • Yatay akslı dikey tekerlek
  • Su, genellikle alt çeyrekte, tekerleğe alçaktan vurur.
  • Sürüş yüzeyleri - bıçaklar - 18. yüzyıldan önce düz, daha sonra kavisli
  • Su – büyük hacimli, düşük kafa
  • Verimlilik – 18. yüzyıldan önce yaklaşık %20 ve daha sonra %50 ila %60
Headrace, tailrace ve su gösteren alttan su çarkı diyagramı
göğüs vuruşu
  • Yatay akslı dikey tekerlek
  • Su, tekerleğe kabaca merkezden, tipik olarak yüksekliğin dörtte biri ile dörtte üçü arasında çarpar.
  • Sürüş yüzeyleri - kovalar - suyun düzgün bir şekilde girmesini sağlamak için dikkatlice şekillendirilmiştir
  • Su – büyük hacimli, orta kafa
  • Verimlilik – %50 ila %60
Headrace, tailrace ve suyu gösteren göğüs atış su çarkı diyagramı
aşırı atış
  • Yatay akslı dikey tekerlek
  • Su, tekerleğin üst kısmına ve aksın önüne çarpar, böylece baş yarıştan uzaklaşır
  • Sürüş yüzeyleri – kovalar
  • Su – düşük hacimli, büyük kafa
  • Verimlilik – %80 ila %90
Headrace, tailrace, su ve dökülmeyi gösteren aşırı su çarkı diyagramı
Backshot (geri adım olarak da bilinir)
  • Yatay akslı dikey tekerlek
  • Su, tekerleğin üst kısmına ve dingilin önüne çarparak baş yarışına doğru geri döner.
  • Sürüş yüzeyleri – kovalar
  • Su – düşük hacimli, büyük kafa
  • Verimlilik – %80 ila %90
Headrace, tailrace, su ve dökülmeyi gösteren backshot su çarkı diyagramı

Dikey eksen

Dikey eksenli su değirmeni

Dikey akslı yatay bir tekerlek.

Genellikle küvet çarkı , İskandinav değirmeni veya Yunan değirmeni olarak adlandırılan yatay çark, modern türbinin ilkel ve verimsiz bir şeklidir. Ancak gerekli gücü sağlıyorsa verimlilik ikinci planda kalır. Genellikle çalışma katının altındaki bir değirmen binasının içine monte edilir. Su çarkının kanatlarına bir su jeti yönlendirilerek dönmelerine neden olur. Bu, genellikle dişlisiz basit bir sistemdir, böylece su çarkının dikey aksı değirmenin tahrik miline dönüşür.

Aktarım

Akış atış su çarkı

Bir akış çarkı, çarkın altındaki kanatlara veya bıçaklara çarpan bir su yolunda su tarafından döndürülen dikey olarak monte edilmiş bir su çarkıdır. Bu tip su çarkı, en eski yatay eksen çarkı türüdür. Su, değirmenler veya tekerlek çukuru tarafından kısıtlanmadığı için serbest yüzey tekerlekleri olarak da bilinirler .

Akış tekerlekleri, diğer tekerlek türlerine göre daha ucuz ve yapımı daha basittir ve daha az çevresel etkiye sahiptir. Nehirde büyük bir değişiklik oluşturmazlar. Dezavantajları ise düşük verimlilikleridir, yani daha az güç üretirler ve sadece akış hızının yeterli olduğu yerlerde kullanılabilirler. 18. yüzyılda İngiliz inşaat mühendisi John Smeaton tarafından ölçüldüğü gibi, tipik bir düz tahta undershot çarkı çarka çarpan su akışındaki enerjinin yaklaşık yüzde 20'sini kullanır . Daha modern tekerlekler daha yüksek verimliliğe sahiptir.

Akarsu çarkları, su seviyesindeki bir fark olan kafadan çok az avantaj sağlar veya hiç avantaj sağlamaz.

Yüzer platformlara monte edilen akış çarklarına genellikle kalça çarkları ve değirmene de gemi değirmeni denir . Bazen köprü ayaklarının akış kısıtlamasının akımın hızını arttırdığı köprülerin hemen aşağısına monte edildiler .

Tarihsel olarak çok verimsizdiler, ancak on sekizinci yüzyılda büyük ilerlemeler kaydedildi.

Alttan vuruş tekerleği

Headrace, tailrace ve su gösteren Undershot su çarkı

Alttan çekme çarkı, alt çeyrekte çarka çarpan düşük bir savaktan gelen su tarafından döndürülen yatay bir aksı olan dikey olarak monte edilmiş bir su çarkıdır. Enerji kazancının çoğu suyun hareketinden ve nispeten az kafadan gelir. Akış tekerlekleri için çalışma ve tasarım açısından benzerdirler.

Undershot terimi bazen ilgili ancak farklı anlamlarla kullanılır:

  • suyun tekerleğin altından geçtiği tüm tekerlekler
  • suyun alt çeyrekte girdiği tekerlekler.
  • küreklerin bir akışın akışına yerleştirildiği tekerlekler. Yukarıdaki akışa bakın.

Bu, en eski dikey su çarkı türüdür.

göğüs atış tekerleği

Headrace, tailrace ve su gösteren göğüs atış su çarkı

Göğüs vuruşu kelimesi çeşitli şekillerde kullanılır. Bazı yazarlar bu terimi, suyun yaklaşık olarak saat 10 konumunda, diğerleri saat 9 konumunda ve diğerleri çeşitli yükseklikler için girdiği tekerleklerle sınırlandırır. Bu makalede, su girişinin alt kısmın önemli ölçüde üzerinde ve üst kısmın önemli ölçüde altında, tipik olarak orta yarının olduğu tekerlekler için kullanılır.

Şunlarla karakterize edilirler:

  • su girerken türbülansı en aza indirmek için dikkatlice şekillendirilmiş kovalar
  • su girerken havanın kaçmasına izin vermek için yanlarında delikler bulunan havalandırılmış kovalar
  • Aşağı doğru ilerledikçe kovalardaki suyu tutmaya yardımcı olan, tekerlek yüzeyine yakından uyan bir duvar "önlüğü"

Hem kinetik (hareket) hem de potansiyel (yükseklik ve ağırlık) enerjiden yararlanılır.

Tekerlek ve duvar arasındaki küçük boşluk, çöpün tekerlek ve apron arasında sıkışmasını ve potansiyel olarak ciddi hasara yol açmasını önlemek için göğüs atış tekerleğinin iyi bir çöp rafına (İngiliz İngilizcesinde 'ekran') sahip olmasını gerektirir.

Göğüs vuruşlu çarklar, üstten vuruşlu ve arkadan vuruşlu çarklardan daha az verimlidir, ancak yüksek akış hızlarını ve dolayısıyla yüksek gücü idare edebilirler. Kuzey Amerika Doğu Kıyısının Düşme Hattında bulunanlar gibi sabit, yüksek hacimli akışlar için tercih edilirler . Breastshot tekerlekleri Amerika Birleşik Devletleri'nde en yaygın tiptir ve sanayi devrimini güçlendirdiği söylenir.

Aşırı atış tekerleği

Headrace, tailrace, su ve dökülme gösteren aşırı su çarkı

Tekerleğin tepesinden hemen geçen su giren kovalar tarafından döndürülen dikey olarak monte edilmiş bir su çarkının aşıldığı söylenir. Terim bazen hatalı olarak, suyun tekerleğin arkasına indiği arkadan çekim tekerleklerine uygulanır.

Tipik bir aşırı atış tekerleği, suyun üst kısmındaki tekerleğe ve dingilin biraz ötesine yönlendirilir. Su, tekerleğin o tarafındaki kovalarda toplanır ve onu diğer "boş" taraftan daha ağır hale getirir. Ağırlık çarkı döndürür ve çark kovaları ters çevirmeye yetecek kadar döndüğünde su kuyruk suyuna akar. Overshot tasarımı çok verimlidir, %90'a ulaşabilir ve hızlı akış gerektirmez.

Tekerleğe giren suyun kinetik enerjisinin küçük bir katkısı olsa da, neredeyse tüm enerji kuyruk yarışına indirilen suyun ağırlığından elde edilir. Diğer tekerlek tiplerinden daha büyük kafalara uygundurlar, bu nedenle engebeli arazi için idealdirler. Ancak bile en büyük su çarkı, Laxey Wheel içinde Man Adası , sadece yaklaşık 30 metre (100 ft) bir kafa kullanır. Dünyanın en büyük baş türbinleri, Bieudron Hidroelektrik Santrali içinde İsviçre , 1869 m (6132 ft) hakkında kullanmaktadır.

Overshot tekerlekleri, diğer tekerlek türlerine kıyasla daha büyük bir kafa gerektirir, bu da genellikle kafa yarışının yapımında önemli yatırım anlamına gelir. Bazen suyun tekerleğe son yaklaşımı, uzun olabilen bir kanal veya cebri boru boyuncadır.

Backshot tekerleği

Headrace, tailrace, su ve dökülmeyi gösteren backshot su çarkı

(Aynı zamanda bir backshot tekerlek pitchback ) su sadece tekerleğin zirvesinden önce sokulur üstten su tekerleğin bir çeşittir. Birçok durumda, tekerleğin tabanının, onu daha verimli hale getiren kuyruk yuvasındaki su ile aynı yönde hareket etmesi avantajına sahiptir. Aynı zamanda, su seviyesinin çarkın dibinin altına batabileceği sel koşullarında, bir aşın tekerlekten daha iyi performans gösterir. Çark çukurundaki su çark üzerinde oldukça yükselene kadar dönmeye devam edecektir. Bu, tekniği özellikle akışta önemli farklılıklar yaşayan akışlar için uygun hale getirir ve kuyruk yarışının boyutunu, karmaşıklığını ve dolayısıyla maliyetini azaltır.

Bir arkadan atış tekerleğinin dönüş yönü, bir göğüs atış tekerleğininkiyle aynıdır, ancak diğer açılardan, üstten atış tekerleğine çok benzer. Aşağıya bakınız.

hibrit

Aşırı atış ve arkadan atış

Finch Foundry'nin su çarklarından biri.

Bazı tekerlekler üstte ve altta arkaya dönüktür, bu nedenle potansiyel olarak her iki türün en iyi özelliklerini birleştirir. Fotoğraf , İngiltere, Devon'daki Finch Foundry'deki bir örneği göstermektedir . Baş yarışı, üstteki ahşap yapıdır ve soldaki bir dal, tekerleğe su sağlar. Su çarkın altından tekrar dereye çıkar.

tersine çevrilebilir

Anderson Mill of Texas inilmesi, backshot ve su iki kaynaklarını kullanarak üstten su olduğunu. Bu, tekerleğin yönünün tersine çevrilmesine izin verir.

Özel bir tür aşırı atış/geri atış çarkı, ters çevrilebilir su çarkıdır. Bunun zıt yönlerde çalışan iki takım bıçağı veya kovası vardır, böylece suyun hangi tarafa yönlendirildiğine bağlı olarak her iki yönde de dönebilir. Madencilik endüstrisinde çeşitli cevher taşıma araçlarına güç sağlamak için ters çevrilebilir tekerlekler kullanıldı . Tekerleğin yönünü değiştirerek, variller veya cevher sepetleri bir şaft veya eğimli bir düzlemde yukarı veya aşağı indirilebilir. Tekerleğin aksında genellikle bir kablo makarası veya zincir sepet bulunurdu. Tekerleği durdurabilmek için tekerleğin fren ekipmanına sahip olması önemlidir (fren tekerleği olarak bilinir). Tersinir bir su çarkının bilinen en eski çizimi Georgius Agricola'ya aittir ve 1556 yılına aittir .

Tarih

Tüm makinelerde olduğu gibi, su yükseltme cihazlarında döner hareket, salınımlı olandan daha verimlidir. Güç kaynağı açısından, su çarkları ya insan, hayvan gücü ya da su akımının kendisi tarafından döndürülebilir. Su çarkları, dikey veya yatay aks ile donatılmış iki temel tasarıma sahiptir. İkinci tip, suyun tekerlek küreklerine çarptığı yere bağlı olarak, üstten, göğüsten ve alttan atışlı tekerlekler olarak alt bölümlere ayrılabilir. Su çarklarının iki ana işlevi, tarihsel olarak, sulama amaçlı su kaldırma ve özellikle tahılın öğütülmesiydi. Yatay dingilli değirmenlerde, güç aktarımı için dikey dingilli değirmenlerin ihtiyaç duymadığı bir dişli sistemi gereklidir.

Batı dünyası

Greko-Romen dünyası

Eski Yunanlılar su çarkını icat ve birlikte olduğumuzu Romalılar , ilk neredeyse tüm formların içinde kullanmak ve işlevler watermilling yaptığı başvuruya dahil yukarıda açıklanan. Teknolojik atılım, MÖ 3. ve 1. yüzyıllar arasındaki teknik olarak gelişmiş ve bilimsel olarak düşünülen Helenistik dönemde gerçekleşti.

su kaldırma
Rio Tinto madenlerinde bulunan tekerlek dizisi

Bölmeli su çarkı, bölmeli gövdeli çark ( Latince tympanum ) ve bölmeli ağızlı çark veya ayrı, bağlı kaplara sahip bir jant olmak üzere iki temel biçimde gelir . Tekerlekler, ya üzerine basan erkekler tarafından ya da bir sakia dişlisi vasıtasıyla hayvanlar tarafından döndürülebilirdi . Kulak zarı büyük bir boşaltma kapasitesine sahipken, suyu ancak kendi yarıçapının yüksekliğinden daha azına kaldırabiliyordu ve döndürmek için büyük bir tork gerektiriyordu. Bu yapısal eksiklikler, daha yüksek bir kaldırma ile daha az ağır bir tasarım olan bölmeli bir jant ile tekerlek tarafından giderildi.

Suyla çalışan, bölmeli bir tekerleğe yapılan en eski edebi referans , Yunan mühendis Philo of Byzantion'un (yaklaşık MÖ 280-220) teknik incelemesi Pneumatica'da (bölüm 61) görülür. Philo , Parasceuastica'sında (91.43−44), kuşatma mayınlarını batırmak için bu tür tekerleklerin, düşmanın yok edilmesine karşı bir savunma önlemi olarak kullanılmasını tavsiye eder. Bölmelendirilmifl tekerlekler boşaltma için seçim aracı olmuştur görünmektedir kuru havuzlar içinde İskenderiye hükümdarlığı altında Ptolemy IV (221-205 BC). MÖ 3. ila 2. yüzyıla ait birkaç Yunan papirüsü bu tekerleklerin kullanımından bahseder, ancak daha fazla ayrıntı vermez. Cihazın Eski Yakın Doğu'da İskender'in fethinden önce var olmaması, sulama uygulamalarına ilişkin zengin doğu ikonografisinde belirgin yokluğundan anlaşılabilir. Dönemin diğer su kaldırma cihazları ve pompalarından farklı olarak, bölmeli çarkın icadı herhangi bir Helenistik mühendise dayandırılamaz ve MÖ 4. yüzyılın sonlarında İskenderiye metropolünden uzakta kırsal bir bağlamda yapılmış olabilir.

Rio Tinto madenlerinden drenaj çarkı

Bölmeli bir tekerleğin en eski tasviri, MÖ 2. yüzyıla tarihlenen Ptolemaik Mısır'daki bir mezar resmindendir . Burada da ilk kez onaylanan bir sakia dişlisi aracılığıyla tekerleği süren bir çift boyunduruk öküzünü gösteriyor . Yunan sakia dişli sistemi, "modern Mısır cihazlarının neredeyse aynı olduğu" noktasına kadar tamamen gelişmiş olarak gösterilmiştir. O zamanlar en aktif Yunan araştırma merkezi olan İskenderiye Müzesi'ndeki bilim adamlarının buluşuna dahil olmuş olabilecekleri varsayılmaktadır . MÖ 48'deki İskenderiye Savaşı'ndan bir bölüm, Sezar'ın düşmanlarının tuzağa düşmüş Romalıların pozisyonunda yüksek yerlerden deniz suyu dökmek için dişli çarkları nasıl kullandıklarını anlatır.

MS 300 civarında, noria nihayet ahşap bölmeler, açık çerçeveli bir tekerleğin dışına bağlanan ucuz seramik kaplarla değiştirildiğinde tanıtıldı.

Romalılar , modern İspanya gibi yerlerde bulunan devasa Roma döneminden kalma su çarkları ile madencilik projelerinde su çarklarını yaygın olarak kullandılar . Onlar vardı ters üstten su su tekerlekleri derin yeraltı madenlerini susuzlaştırma için tasarlanmış. Vitruvius tarafından ters su çarkı ve Arşimet vidası da dahil olmak üzere bu tür birkaç cihaz tanımlanmıştır . Birçok modern madencilik sırasında bulundu bakır de madenlerde Rio Tinto içinde İspanya'da , böylece maden haznesinden 80 fit hakkında asansör suya olarak birbiri üzerine yığılmış 16 tür tekerlekleri kapsayan bir sistem. Böyle bir çarkın bir kısmı , 1930'larda madenin kısa bir süreliğine yeniden açıldığı Güney Galler'deki bir Roma altın madeni olan Dolaucothi'de bulundu . Yüzeyin yaklaşık 160 fit altında bulundu, yani Rio Tinto'da keşfedilenle benzer bir dizinin parçası olmalı. Son zamanlarda yaklaşık MS 90'a tarihlendirilen karbon ve yapıldığı ahşap derin madenden çok daha eski olduğu için, derin çalışmaların belki 30-50 yıl sonra faaliyete geçmiş olması muhtemeldir. Geniş bir şekilde ayrılmış konumlardaki kapalı yeraltı galerilerinde bulunan bu drenaj çarkı örneklerinden, su çarkları inşa etmenin yeteneklerinin oldukça iyi olduğu ve bu tür dikey su çarklarının endüstriyel amaçlar için yaygın olarak kullanıldığı açıktır.

su değirmeni
Vitruvius'un altı tekerlekli su değirmeni (yeniden yapılanma)

İngiliz teknoloji tarihçisi MJT Lewis , Yunan teknisyen Pergeli Apollonius'un çalışmasından elde edilen dolaylı kanıtları dikkate alarak , dikey dingilli su değirmeninin görünümünü MÖ 3. yüzyılın başlarına ve yatay dingilli su değirmeninin MÖ 240 civarına tarihlendirir, tayin edilen buluş yerleri olarak Bizans ve İskenderiye ile . Yunan coğrafyacı Strabon (yaklaşık M.Ö. 64–MS 24) tarafından MÖ 71'den önce Pontus kralı Mithradates VI Eupator'un sarayında bir su değirmeninin var olduğu bildirilir , ancak tam yapısı metinden çıkarılamaz (XII, 3 , 30C 556).

Dişli bir su değirmeninin ilk net tanımı, sakia dişli sisteminin bir su değirmenine uygulandığını söyleyen MÖ 1. yüzyılın sonlarında Romalı mimar Vitruvius'u sunar. Vitruvius'un anlatımı, su değirmeninin nasıl ortaya çıktığını göstermesi bakımından özellikle değerlidir, yani, dişli çark ve su çarkının ayrı Yunan buluşlarının su gücünden yararlanmak için tek bir etkili mekanik sistemde birleştirilmesiyle. Vitruvius'un su çarkı, kanatlarının akan suyun hızıyla çalıştırılabilmesi için alt ucu su yoluna daldırılmış olarak tanımlanır (X, 5.2).

Roma Sema Hierapolis kereste fabrikasında , Küçük Asya bir breastshot çarkı tarafından desteklenmektedir,

Yaklaşık aynı zamanlarda, aşırı hız çarkı ilk kez Antipater of Selanik'in , onu emek tasarrufu sağlayan bir araç olarak öven bir şiirinde ortaya çıkar (IX, 418.4–6). Motif, su çarkının dönüşünü gök kubbedeki yıldızların hareketine benzeten Lucretius (MÖ 99–55) tarafından da ele alınmıştır (V 516). Üçüncü yatay eksenli tip, göğüsten gelen su çarkı, Orta Galya'da MS 2. yüzyılın sonlarına doğru arkeolojik kanıtlar haline geldi . Kazılan Roma su değirmenlerinin çoğu, inşa edilmesi daha karmaşık olmasına rağmen dikey akslı su çarkından çok daha verimli olan bu çarklardan biriyle donatılmıştı. MS 2. yüzyılda Barbegal su değirmeni kompleksinde, bir dizi on altı aşınmış tekerlek, "antik dünyada bilinen en büyük mekanik güç konsantrasyonu" olarak adlandırılan bir proto-endüstriyel tahıl fabrikası olan yapay bir su kemeri tarafından beslendi.

In Roma Kuzey Afrika dikey akslı açılı bıçaklar bir su dolu, dairesel şaft dibinde yüklenen ile donatılmış waterwheels nerede, 300 AD etrafında birkaç tesisat bulundu. Çukura teğetsel olarak giren değirmen yarışından gelen su, tamamen batık çarkın gerçek su türbinleri gibi hareket etmesini sağlayan dönen bir su sütunu yarattı , bugüne kadar bilinen en eskisi.

Navigasyon
De Rebus Bellicis'in 15. yüzyıldan kalma bir kopyasından öküz gücüyle çalışan Roma çarklı tekne

Değirmencilik ve su toplamada kullanımının yanı sıra, eski mühendisler kürekli su çarkını otomatlar ve navigasyon için kullandılar. Vitruvius (X 9.5–7) , türünün ilk örneği olan bir gemi kilometre sayacı olarak çalışan çok dişli çark çarklarını tanımlar . Tahrik aracı olarak çarklardan ilk söz , anonim Romalı yazarın öküz güdümlü çarklı bir savaş gemisini anlattığı , 4. ve 5. yüzyıl askeri incelemesi De Rebus Bellicis'ten (bölüm XVII) gelmektedir.

Erken Ortaçağ Avrupası

Eski su teker teknoloji gibi yeni belgesel türlerinde görünümü Erken Ortaçağ döneminde azalmadan devam yasal kodları , manastır charter değil, aynı zamanda menâkıbnâmede değirmenler ve tekerleklere referanslar keskin bir artış ile eşlik etti.

Bir gelgit değirmenindeki en eski dikey çark , İrlanda , Waterford yakınlarındaki 6. yüzyıldaki Killoteran'dan , böyle bir değirmende bilinen ilk yatay çark ise İrlanda Küçük Adası'ndan (c. 630). Ortak bir İskandinav veya Yunan değirmeninde kullanıma gelince, bilinen en eski yatay tekerlekler, İrlanda Ballykilleen'de, c. 636.

Tarafından tahrik erken kazılan su çarkı gelgit gücü oldu Nendrum Manastırı değirmen içinde Kuzey İrlanda 619 olası bir önceki değirmen tarihleri rağmen, 787 tarihlenen Tide değirmenler genellikle Avrupa ve Amerika'da hem de iyi bir gelgit aralığı ile nehir ağızlarında ortak oldu undershot tekerlekleri kullanarak.

Uzhhorod , Ukrayna Halk Mimarisi ve Yaşamı Müzesi'ndeki küçük bir köy değirmenine güç sağlayan su çarkı

Özellikle Cistercian manastırları , birçok çeşit su değirmenine güç sağlamak için su çarklarını yaygın olarak kullandılar. Çok büyük bir su çarkının erken bir örneği , İspanya'nın Aragon bölgesindeki bir manastır manastırı olan 13. yüzyılın başlarındaki Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda'da hala mevcut olan çarktır . Grist değirmenleri (mısır için) kuşkusuz en yaygın olanıydı, ancak ayrıca, emek yoğun diğer birçok görevi yerine getirmek için kereste fabrikaları, dolum değirmenleri ve değirmenler de vardı. Su çarkı , Sanayi Devrimi'ne kadar buhar motoruyla rekabet halinde kaldı . 8. ila 10. yüzyıllar arasında İspanya'ya bir dizi sulama teknolojisi getirildi ve böylece Avrupa'ya tanıtıldı. Bu teknolojilerden biri, temel olarak suyu kaldırmak için çevre birimlerinde kovalarla donatılmış bir tekerlek olan Noria'dır. Bu makalenin ilerleyen bölümlerinde bahsedilen alttan su çarkına benzer. Köylülerin su değirmenlerini daha verimli bir şekilde çalıştırmasını sağladı. Thomas Glick'in Orta Çağ Valencia'sında Sulama ve Toplum adlı kitabına göre , Noria muhtemelen İran'da bir yerden geldi . Yüzyıllar boyunca, teknolojiyi Romalılardan benimseyen Araplar tarafından İspanya'ya getirilmeden önce kullanılmıştır. Böylece Noria'nın İber yarımadasındaki dağılımı "istikrarlı İslami yerleşim alanına uygundur". Bu teknolojinin köylülerin yaşamı üzerinde derin bir etkisi vardır. Noria'yı inşa etmek nispeten ucuzdur. Böylece köylülerin Avrupa'da toprağı daha verimli bir şekilde ekmelerini sağladı. Birlikte ile İspanyollar , teknoloji yayıldı Yeni Dünya içinde Meksika ve Güney Amerika'da şu İspanyol genişleme

İngiliz fabrikalarının Domesday envanteri c. 1086

Normandiyalı William tarafından toplanan ve genellikle " Domesday " veya Doomsday araştırması olarak adlandırılan meclis , üç bin farklı yere yayılmış altı binden fazla değirmeni içeren İngiltere'deki tüm potansiyel olarak vergilendirilebilir mülklerin bir envanterini çıkardı.

Konumlar

Seçilen su çarkı tipi, konuma bağlıydı. Genel olarak, yalnızca küçük hacimlerde su ve yüksek şelaleler mevcut olsaydı, bir değirmenci, bir taşma çarkı kullanmayı tercih ederdi . Karar, kovaların küçük bir su hacmini bile yakalayabilmesi ve kullanabilmesi gerçeğinden etkilenmiştir. Küçük şelaleli büyük hacimli sular için, bu tür koşullara daha fazla adapte olduğundan ve inşa edilmesi daha ucuz olduğundan, alttan çekme çarkı kullanılırdı. Bu su kaynakları bol olduğu sürece verimlilik sorunu önemsiz kaldı. 18. yüzyıla gelindiğinde, artan güç talebi ve sınırlı su mahalli ile birleştiğinde, verimlilik planına vurgu yapıldı.

ekonomik etki

11. yüzyıla gelindiğinde, Avrupa'nın suyun sömürülmesinin yaygın olduğu bölgeleri vardı. Su çarkının Batılıların bakış açısını aktif olarak şekillendirdiği ve sonsuza dek değiştirdiği anlaşılmaktadır. Avrupa, su çarkının ortaya çıkmasıyla insan ve hayvan kas emeğinden mekanik emeğe geçmeye başladı. Ortaçağcı Lynn White Jr., cansız güç kaynaklarının yayılmasının, Batı'nın iktidara, işe, doğaya ve her şeyden önce teknolojiye yönelik yeni bir tutumun ortaya çıkışının güzel bir kanıtı olduğunu iddia etti.

Su gücünden yararlanmak, 11. yüzyıldan başlayarak tarımsal üretkenlik, gıda fazlaları ve büyük ölçekli kentleşmede kazanımlar sağladı. Su gücünün kullanışlılığı, Avrupa deneylerini rüzgar ve gelgit değirmenleri gibi diğer güç kaynaklarıyla motive etti. Su çarkları şehirlerin, daha özel olarak kanalların inşasını etkiledi. Bu erken dönemde geliştirilen dere sıkışması ve kanal inşası gibi teknikler, Avrupa'yı hidrolik odaklı bir yola soktu, örneğin su temini ve sulama teknolojisi çarkın besleme gücünü değiştirmek için birleştirildi. Feodal devletin artan ihtiyaçlarını karşılayan büyük ölçüde teknolojik yeniliğin ne ölçüde olduğunu gösteren bir örnek .

Su çarkının uygulamaları

Cevher damgası değirmeni (oluktan cevher alan işçinin arkasında). Kaynaktan Georg Agricola sitesindeki de yeniden metallica (1556)

Su değirmeni, tahıl öğütmek, ekmek için un, bira için malt veya yulaf lapası için kaba un üretmek için kullanıldı. Çekiçli değirmenler, çekiçleri çalıştırmak için çarkı kullandı. Bir tip, kumaş yapımında kullanılan doldurma değirmeniydi . Gezi çekiç da yapmak için kullanılan ferforje ve kullanışlı şekiller halinde demir çalışmak için başka türlü emek yoğun olan bir aktiviteyi. Su çarkı ayrıca kağıt yapımında kullanıldı , malzemeyi bir hamur haline getirdi. 13. yüzyılda, Avrupa genelinde çekiçleme için kullanılan su değirmenleri, erken çelik üretiminin verimliliğini artırdı. Baruttaki ustalığın yanı sıra su gücü, 15. yüzyıldan itibaren Avrupa ülkelerine dünya çapında askeri liderlik sağladı.

17. ve 18. yüzyıl Avrupası

Millwrights, 18. yüzyıl Avrupa'sından çok önce su çarklarında iş başında olan iki kuvvet, itme ve ağırlık arasında ayrım yaptı. 16. yüzyıldan kalma bir tarım yazarı olan Fitzherbert, "tekerleğin yanı sıra suyun ağırlığıyla da Strengthe [impuls] ile druieth" yazdı. Leonardo da Vinci ayrıca su gücünü tartıştı ve "[suyun] darbesinin ağırlık olmadığını, ancak neredeyse kendi gücüne eşit bir ağırlık gücünü harekete geçirdiğini" belirtti. Bununla birlikte, iki kuvvetin, ağırlık ve itmenin gerçekleştirilmesi bile, ikisinin avantajları ve dezavantajları konusunda kafa karışıklığı devam etti ve ağırlığın üstün verimliliği konusunda net bir anlayış yoktu. 1750'den önce hangi gücün baskın olduğundan emin değildi ve her iki gücün de birbirleri arasında eşit ilhamla hareket ettiği yaygın olarak biliniyordu. Su çarkı, doğa yasalarıyla, özellikle de kuvvet yasalarıyla ilgili soruları ateşledi . Evangelista Torricelli'nin su çarkları üzerindeki çalışması, Galileo'nun düşen cisimler üzerindeki çalışmasının bir analizini kullandı; başının altındaki bir delikten filizlenen bir suyun hızı, bir damla suyun aynı yükseklikten serbestçe düşerken elde ettiği hıza tam olarak eşdeğerdi.

Endüstriyel Avrupa

Lady Isabella Wheel , Laxey, Man Adası, maden pompalarını kullanıyordu

Su çarkı, Britanya'da sanayileşmenin ilk aşamalarının arkasındaki itici güçtü. Suyla çalışan pistonlu cihazlar, tetik çekiçlerinde ve yüksek fırın körüklerinde kullanıldı. Richard Arkwright'ın su çerçevesi, bir su çarkı ile güçlendirildi.

Birleşik Krallık'ta inşa edilen en güçlü su çarkı, Manchester yakınlarındaki 100 hp Quarry Bank Mill su çarkıydı. Yüksek göğüs tasarımı, 1904'te kullanımdan kaldırıldı ve birkaç türbinle değiştirildi. Şimdi restore edilmiş ve halka açık bir müzedir.

İngiltere anakarasındaki en büyük çalışan su çarkı 15.4 m (51 ft) çapa sahiptir ve Caernarfon'daki De Winton şirketi tarafından yapılmıştır. Bu içinde yer almaktadır Dinorwic atölye içinde Llanberis Ulusal Arduvaz Müzesi , Kuzey Galler .

Dünyanın en büyük çalışma su çarkı olan Laxey Wheel (olarak da bilinen Lady Isabella köyünde) Laxey , Man Adası . 72 fit 6 inç (22.10 m) çapında ve 6 fit (1.83 m) genişliğindedir ve Manx Ulusal Mirası tarafından korunmaktadır .

Sanayi Devrimi sırasında su türbinlerinin geliştirilmesi, su çarklarının popülaritesinin azalmasına neden oldu. Türbinlerin ana avantajı, başlığı bağlama kabiliyetinin türbin çapından çok daha büyük olması, oysa bir su çarkı, çapından daha büyük bir başlığı etkin bir şekilde kullanamamasıdır. Su çarklarından modern türbinlere geçiş yaklaşık yüz yıl sürdü.

Kuzey Amerika

Portland Basin Canal Warehouse'da jant dişlisine sahip süspansiyon tekerleği

Su çarkları, Amerika Birleşik Devletleri'nin gelişimi sırasında kereste fabrikalarına, öğütme değirmenlerine ve diğer amaçlara güç vermek için kullanıldı. Colorado , McCoy'da 1922'de inşa edilen 40 fit (12 m) çapındaki su çarkı , Colorado Nehri'nden sulama için suyu kaldıran birçok araçtan hayatta kalanlardan biridir .

İki erken iyileştirme, süspansiyon tekerlekleri ve jant dişlileriydi. Süspansiyon tekerlekleri, bir bisiklet tekerleği ile aynı şekilde yapılmıştır, jant, göbekten gelen gerilim altında desteklenmiştir - bu, ağır jant tellerinin sıkıştırıldığı eski tasarımdan daha büyük daha hafif tekerleklere yol açmıştır. Jant-dişli, tekerleğin jantına veya örtüsüne çentikli bir tekerlek eklenmesini gerektirdi. Bir saplama dişlisi, jant dişlisini kavradı ve bağımsız bir hat mili kullanarak gücü değirmene aldı. Bu, akstaki dönme stresini ortadan kaldırdı ve böylece daha hafif olabildi ve ayrıca güç aktarma organının konumunda daha fazla esneklik sağladı. Şaft dönüşü, daha az güç kaybına yol açan tekerleğin dönüşünden ayarlandı. Thomas Hewes tarafından öncülük edilen ve William Armstrong Fairburn tarafından rafine edilen bu tasarımın bir örneği , Portland Basin Canal Warehouse'daki 1849 restore edilmiş çarkta görülebilir .

Amerika'nın Kuzeybatısı ve Alaska'da kullanılan ve somonu nehirlerin akışından kaldıran balık çarkları biraz ilgiliydi .

Çin

İki tip hidrolik Destekli zincir pompa gelen Tiangong Kaiwu tarafından yazılmış 1637, Dynasty Ansiklopedici , şarkı Yingxing (1587-1666).

Çin su çarkları neredeyse kesin olarak ayrı bir kökene sahiptir, çünkü daha öncekilerde her zaman yatay su çarkları vardır. En azından MS 1. yüzyılda olarak, Çin ve Doğu Han Hanedanlığı piston-değirmenlerde ve iktidara tahıl ezmek için su çarkları kullanıyorlardı körük dövme demir cevheri içine dökme demir .

Huan Tan tarafından MS 20 civarında ( Wang Mang'ın gaspı sırasında) Xin Lun olarak bilinen metinde , Fu Xi olarak bilinen efsanevi mitolojik kralın , eğime dönüşen havan tokmağından sorumlu olduğunu belirtir. Daha sonra hammer ve gezi çekiç cihazı (bkz gezi çekiç ). Yazar mitolojik Fu Xi'den bahsetmesine rağmen, yazısının bir pasajı, su çarkının MS 1. yüzyılda Çin'de yaygın olarak kullanıldığına dair ipucu verir ( Wade-Giles hecelemesi):

Fu Hsi, çok kullanışlı olan havanı ve havanı icat etti ve daha sonra, vücudun tüm ağırlığının tilt-çekici ( tui ) üzerinde yürümek için kullanılabilecek şekilde akıllıca geliştirildi , böylece verimliliği on kat artırdı. zamanlar. Daha sonra hayvanların gücü -eşekler, katırlar, öküzler ve atlar- makinelerle uygulandı ve su gücü de dövülmek için kullanıldı, böylece fayda yüz kat arttı.

Yıl 31 AD, mühendis ve Vali arasında Nanyang , Du Shi (d. 38), iktidara su çarkı ve makine karmaşık kullanımını uygulamalı körüğü ait yüksek fırın oluşturmak için dökme demir . Du Shi'den, Geç Han'ın Kitabında ( Hou Han Shu ) kısaca şöyle bahsedilir (Wade-Giles yazımında):

Chien-Wu saltanatının yedinci yılında (MS 31) Tu Shih, Nanyang Valisi olarak atandı. Cömert bir adamdı ve politikaları barışçıldı; zalimleri yok etti ve (görevinin) itibarını tesis etti. Planlamada iyiydi, sıradan insanları severdi ve emeklerini kurtarmak isterdi. (Demir) tarım aletlerinin dökümü için su gücüyle çalışan bir resiprokatör ( shui phai ) icat etti . Döküm ve eritme yapanlar, kömür ateşlerini patlatmak için zaten körüklere sahipti ve şimdi onlara, onu çalıştırmak için suyun akışını ( chi shui ) kullanmaları talimatı verildi ... Böylece insanlar az emek için büyük fayda sağladılar. 'Su ile çalışan) körükleri' uygun buldular ve yaygın olarak benimsediler.

Çin'deki su çarkları, olağanüstü kullanımın yanı sıra bunun gibi pratik kullanımlar buldu. Çinli mucit Zhang Heng (78-139) bir astronomik alet dönen içinde hareket gücünü uygulamak için tarihte ilk oldu armillary küre bir su çarkı kullanılarak,. Mekanik mühendisi Ma Jun (c. 200-265) Cao Wei kez güç bir su çarkı kullanılan bir büyük mekanik kukla yapmaktadır Wei Emperor Ming ( r. 226-239).

Hindistan

Hindistan'daki su değirmeninin erken tarihi belirsizdir. MÖ 4. yüzyıla kadar uzanan antik Hint metinleri , yorumların arahatta-ghati-yanta (tekerlekli makine takılı) olarak açıkladığı cakkavattaka (dönen tekerlek) terimine atıfta bulunur . Bu temelde, Joseph Needham makinenin bir noria olduğunu öne sürdü . Ancak Terry S. Reynolds, "Hint metinlerinde kullanılan terimin belirsiz olduğunu ve su ile çalışan bir cihazı açıkça belirtmediğini" savunuyor. Thorkild Schiøler, "bu pasajların suyla çalışan bir su kaldırma tekerleği yerine bir tür sırt veya elle çalıştırılan su kaldırma cihazına atıfta bulunmasının daha muhtemel olduğunu" savundu.

Yunan tarihi geleneğine göre, Hindistan, MS 4. yüzyılın başlarında, belirli bir Metrodoros'un "aralarında [Brahmanlar] o zamana kadar bilinmeyen su değirmenleri ve hamamları" tanıttığı zaman, Roma İmparatorluğu'ndan su değirmenleri aldı. Mahsuller için sulama suyu, bazıları suyun yükseldiği nehirdeki akımın gücüyle çalıştırılan su kaldırma çarkları kullanılarak sağlandı. Su çarkının ilk edebi, arkeolojik ve resimli kanıtı Helenistik dünyada ortaya çıkmasına rağmen, bu tür su yükseltme cihazı , Pacey'e göre daha sonraki Roma İmparatorluğu veya Çin'deki kullanımından önce, eski Hindistan'da kullanıldı .

1150 civarında, gökbilimci Bhaskara Achārya su yükselten tekerlekleri gözlemledi ve böyle bir tekerleğin akıntıyı yenilemek için yeterli suyu kaldırdığını, etkili bir şekilde sürekli hareket eden bir makine hayal etti . Hindistan'da su işlerinin yapımı ve su teknolojisinin yönleri Arapça ve Farsça eserlerde anlatılmaktadır . Ortaçağda, Hint ve İran sulama teknolojilerinin yayılması, ekonomik büyümeyi satın alan ve aynı zamanda maddi kültürün büyümesine yardımcı olan gelişmiş bir sulama sistemine yol açtı.

İslam dünyası

Arap mühendisler, eski Yakın Doğu'nun hidrolik toplumlarının su teknolojisini devraldı; 7. yüzyılda su çarkını benimsemişler, Basra bölgesinde bir kanal kazısında bu döneme ait bir su çarkı kalıntısı bulmuşlar. Suriye'deki Hama , artık kullanılmasalar da, Asi Nehri üzerindeki büyük tekerleklerinin bir kısmını hala koruyor . En büyüklerinden birinin çapı yaklaşık 20 metredir (66 ft) ve kenarı 120 bölmeye bölünmüştür. Operasyonda hala başka tekerlek de bulunur Murcia içinde İspanya'da La Nora ve orijinal tekerlek çelik tek almıştır rağmen, Mağribi sırasında sistem Endülüs'teki aksi neredeyse değişmez. Bazı ortaçağ İslami bölmeli su çarkları, suyu 30 metreye (100 ft) kadar kaldırabilir. Râzî sitesindeki Kitâbu'l-Havi 10. yüzyılda tarif edilen Noria saatte kadar 153,000 olarak litre (34,000 ith gal / s), ya da bir dakika (560 ith gal / dakika başına 2.550 litreye kadar kaldırabilir Irak ). Bu, Doğu Asya'daki saatte 288.000 litreye (63.000 imp gal/sa) veya dakikada 4.800 litreye (1.100 imp gal/dk) kadar kaldırabilen modern noria'ların üretimiyle karşılaştırılabilir .

Djambi'de su çarkı , Sumatra , c. 1918

İslam dünyasında su değirmenlerinin endüstriyel kullanımları 7. yüzyıla kadar uzanırken, yatay tekerlekli ve dikey tekerlekli su değirmenleri 9. yüzyılda yaygın olarak kullanılmaya başlandı. İslam dünyasında değirmenler , hullers , kereste fabrikaları , gemi fabrikaları , damga değirmenleri , çelik fabrikaları , şeker değirmenleri ve gelgit değirmenleri dahil olmak üzere çeşitli endüstriyel su değirmenleri kullanıldı . 11. yüzyılda, İslam dünyasında boyunca her il den operasyonda bu endüstriyel su değirmenlerini vardı Endülüs'teki ve Kuzey Afrika için Ortadoğu ve Orta Asya . Müslüman Christian mühendisleri de kullanılan krank ve su türbinleri , vites değirmenleri ve suda yetiştirme makineleri ve baraj değirmenleri ve su toplama makineleri için ek enerji sağlamak için kullanılan bir su kaynağı ile çıkanlır. Dolum fabrikaları ve çelik fabrikaları, 12. yüzyılda İslami İspanya'dan Hıristiyan İspanya'ya yayılmış olabilir. Endülüs'te 11. ve 13. yüzyıllar arasında inşa edilen büyük fabrika komplekslerinde endüstriyel su değirmenleri de kullanıldı .

İslam dünyasının mühendisleri, bir su çarkından maksimum verimi elde etmek için çeşitli çözümler geliştirdiler. Bir çözüm bunları monte etmek idi iskele arasında köprüler artan akış yararlanmak. Başka bir çözüm, orta akımda demirleyen gemilerin yanlarına monte edilen su çarklarıyla çalışan bir tür su değirmeni olan gemi değirmeniydi . Bu teknik boyunca uygulanmıştır Dicle ve Fırat 10. yüzyıldan kalma içinde nehirler Irak büyük shipmills yapılmış, tik ve demir 10 üretebilir ton arasında mısır unu her gün tahıl ambarı içinde Bağdat . Volan bir tahrik makinesine bir tahrik cihazının enerji sağlanmasını düzeltmek için kullanılan bir mekanizma, ibn Bassal tarafından icat edilmiştir ( fl. 1038-1075) ve Endülüs'ünde ; saqiya ( zincir pompa ) ve noria'da volanın kullanımına öncülük etmiştir . 13. yüzyıldaki mühendis El Cezeri ve 16. yüzyıldaki Takiyüddin mühendisleri , teknolojik incelemelerinde birçok yaratıcı su yükseltme makinesini tanımladılar. Ayrıca çeşitli su saatleri ve otomatlar da dahil olmak üzere çeşitli cihazlara güç sağlamak için su çarkları kullandılar .

Modern gelişmeler

Hidrolik tekerlek

Göğüs atış tekerleğinin yeni bir gelişimi, otomatik düzenleme sistemlerini etkin bir şekilde birleştiren bir hidrolik tekerlektir. Aqualienne bir örnektir. Bu 37 kW ve 20 m'lik bir elektrik 200 kW arasında üretir 3 3.5 m (3 ile 11 ft) bir 1 kafası (710 cu ft) waterflow. Eski su değirmenlerinin sahalarında elektrik üretmek için tasarlanmıştır.

Yeterlik

Overshot (ve özellikle backshot) tekerlekleri en verimli tiptir; bir backshot çelik tekerlek, en gelişmiş ve iyi yapılandırılmış türbinler dışında hepsinden daha verimli olabilir (yaklaşık %60) . Bazı durumlarda, bir türbin yerine aşırı atışlı bir tekerlek tercih edilir.

Gelişimi hidrolik türbin , geliştirilmiş verim ile tekerlekler (>% 67), mevcut üreticilerin su tekerlek montajı, ya da terk üreticilerin yeniden geliştirilmesi için alternatif bir yol açtı.

Bir tekerleğin gücü

Tekerleğe sağlanan enerjinin iki bileşeni vardır:

  • Kinetik enerji - çarka girdiğinde suyun ne kadar hızlı hareket ettiğine bağlıdır
  • Potansiyel enerji – çarka giriş ve çarktan çıkış arasındaki suyun yüksekliğindeki değişime bağlıdır

Kinetik enerji, eşdeğer bir kafaya, hız kafasına dönüştürülerek ve gerçek kafaya eklenerek açıklanabilir. Durgun su için hız yüksekliği sıfırdır ve iyi bir yaklaşımla yavaş hareket eden su için ihmal edilebilir ve ihmal edilebilir. Kuyruk yarışındaki hız hesaba katılmaz çünkü mükemmel bir tekerlek için su sıfır hız gerektiren sıfır enerji ile ayrılır. Bu imkansızdır, su çarktan uzaklaşmak zorundadır ve verimsizliğin kaçınılmaz bir sebebidir.

Güç enerji akış oranı ile belirlenir edilen teslim ne kadar hızlı olduğunu. Roma'nın eski eşek ya da köle gücüyle çalışan quen'in bir beygir gücünün yaklaşık yarısını oluşturduğu , yatay su çarkının bir beygir gücünün yarısından biraz fazlasını oluşturduğu, altta kalan dikey su çarkının yaklaşık üç beygir gücü ürettiği ve ortaçağın kırk ila altmış beygir gücüne kadar üretilen aşırı su çarkı.

Miktarlar ve birimler

  • yeterlik
  • yoğunluk ve su (1000 kg / 3 )
  • kanalın kesit alanı (m 2 )
  • tekerlek çapı (m)
  • güç (W)
  • mesafe (m)
  • yerçekimi kuvveti (9,81 m/s 2 = 9,81 N/kg)
  • kafa (m)
  • basınç yüksekliği , su seviyelerindeki fark (m)
  • hız kafası (m)
  • hız düzeltme faktörü. Düz kanallar için 0.9.
  • hız (m/s)
  • hacimsel debi (m 3 /s)
  • zaman (lar)

Ölçümler

Bir su çarkının basma yüksekliği ve akış hızını ölçmek için parametreler

Basınç yüksekliği, baş yarış ve kuyruk yarış su yüzeyleri arasındaki yükseklik farkıdır. Hız yüksekliği, basınç yükünün ölçüldüğü yerdeki kafa yatağındaki suyun hızından hesaplanır. Hız (hız) , yüzen bir nesneyi ölçülen bir mesafe boyunca zamanlayarak, pooh çubukları yöntemiyle ölçülebilir. Yüzeydeki su, dibe ve yanlara daha yakın olan sudan daha hızlı hareket eder, bu nedenle aşağıdaki formüldeki gibi bir düzeltme faktörü uygulanmalıdır.

Hacim debisini ölçmenin birçok yolu vardır . En basitlerinden ikisi:

  • Kesit alanından ve hızdan. Aynı yerde ölçülmeleri gerekir, ancak bu, baş veya kuyruk yarışlarında herhangi bir yerde olabilir. İçinden tekerlekle aynı miktarda su geçmesi gerekir.
  • Hacimsel debiyi kova ve kronometre yöntemiyle ölçmek bazen uygulanabilir.

formüller

Miktar formül
Güç
Etkili kafa
hız kafası
Hacim akış hızı
Su hızı (hız)

Genel kurallar

Göğüs ve aşırı

Miktar yaklaşık formül
Güç (%70 verimlilik varsayılarak)
Optimum dönüş hızı rpm

Geleneksel undershot tekerlekler

Miktar yaklaşık formül
Güç (%20 verimlilik varsayılarak)
Optimum dönüş hızı rpm

Hidrolik tekerlek parçası reaksiyon türbini

Buna paralel bir gelişme de, çarkın merkezine bir savak yerleştiren ancak su akışına açılı kanatlar kullanan hidrolik çark/parça reaksiyon türbinidir. WICON-Stem Basınç Makinesi (SPM) bu akıştan yararlanır. Tahmini verimlilik %67.

İngiltere'deki Southampton Üniversitesi İnşaat Mühendisliği ve Çevre Okulu, her iki Hidrolik tekerlekli makine türünü araştırdı ve hidrolik verimliliklerini tahmin etti ve iyileştirmeler önerdi, örneğin Döner Hidrolik Basınç Makinesi. (Tahmini maksimum verimlilik %85).

Bu tip su çarkları, kısmi yüklerde / değişken akışlarda yüksek verimliliğe sahiptir ve çok düşük yüksekliklerde, < 1 m (3 ft 3 inç) çalışabilir. Doğrudan tahrikli Eksenel Akılı Kalıcı Mıknatıslı Alternatörler ve güç elektroniği ile birlikte, düşük düşü hidroelektrik enerji üretimi için uygun bir alternatif sunarlar .

Notlar

^ Noktalı gösterim. Miktarın üzerindeki bir nokta, bunun bir oran olduğunu gösterir. Diğerinde saniyede ne kadar veya saniyede ne kadar. Bu makalede q bir suhacmidir ve saniyedeki su hacmidir. q, su miktarında olduğu gibi, hız için v ile karıştırılmaması için kullanılır.

Ayrıca bakınız

Sulama için suyu kaldıran cihazlar için
Arazi drenajı için suyu kaldıran cihazlar

Referanslar

bibliyografya

  • Soto Gary, Su Çarkı . cilt 163. No. 4. (Ocak, 1994), s. 197
  • al-Hassani, STS, Woodcock, E. ve Saoud, R. (2006) 1001 buluş : dünyamızda Müslüman mirası , Manchester : Bilim Teknoloji ve Medeniyet Vakfı, ISBN  0-9552426-0-6
  • Alan. 18 Nisan 2008. Undershot Su Çarkı. http://www.builditsolar.com/Projects/Hydro/UnderShot/WaterWheel.htm adresinden alındı
  • Döner, K.; Waelkens, M.; Deckers, J. (2002), "Sagalassos Bölgesindeki Su Değirmenleri: Kaybolan Bir Antik Teknoloji", Anadolu Araştırmaları , Anadolu Araştırmaları, Cilt. 52, 52 , s. 1–17, doi : 10.2307/3643076 , JSTOR  3643076 , S2CID  163811541
  • Glick, TF (1970) Ortaçağ Valencia'da Sulama ve toplum , Cambridge, MA: Harvard University Press'in Belknap Press, ISBN  0-674-46675-6
  • Greene, Kevin (2000), "Antik Dünyada Teknolojik Yenilik ve Ekonomik İlerleme: MI Finley Yeniden Düşünüldü ", The Economic History Review , 53 (1), s. 29–59, doi : 10.1111/1468-0289.00151
  • Hill, DR (1991) "Medieval Yakın Doğu'da Makine Mühendisliği", Scientific American , 264 (5:Mayıs), s. 100–105
  • Lucas, AR (2005). "Antik ve Ortaçağ Dünyalarında Endüstriyel Değirmencilik: Ortaçağ Avrupa'sında Bir Sanayi Devrimi İçin Kanıt Üzerine Bir Araştırma". Teknoloji ve Kültür . 46 (1): 1–30. doi : 10.1353/tech.2005.0026 . S2CID  109564224 .
  • Lewis, MJT (1997) Millstone ve Hammer: su gücünün kökenleri , Hull Press Üniversitesi, ISBN  0-85958-657-X
  • Morton, WS ve Lewis, CM (2005) Çin: Tarih ve Kültürü , 4. Baskı, New York: McGraw-Hill, ISBN  0-07-141279-4
  • Murphy, Donald (2005), Killoteran, Co. Waterford'da N-25 Waterford By-Pass Projesinin Bir Parçası Olarak Bir Değirmen Kazıları (PDF) , İrlanda'da Estuarine/ Alluvial Archeology. En İyi Uygulamaya Doğru, University College Dublin ve National Roads Authority
  • Needham, J. (1965) Çin'de Bilim ve Medeniyet – Cilt. 4: Fizik ve fiziksel teknoloji – Bölüm 2: Makine mühendisliği , Cambridge University Press, ISBN  0-521-05803-1
  • Nuernbergk, DM (2005) Wasserräder mit Kropfgerinne: Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse , Detmold : Schäfer, ISBN  3-87696-121-1
  • Nuernbergk, DM (2007) Wasserräder mit Freihang: Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen , Detmold : Schäfer, ISBN  3-87696-122-X
  • Pacey, A. (1991) Dünya Medeniyetinde Teknoloji: Bin Yıllık Tarih , 1. MIT Press ed., Cambridge, Massachusetts : MIT, ISBN  0-262-66072-5
  • Oleson, John Peter (1984), Yunan ve Roma Mekanik Su Kaldırma Cihazları: Bir Teknolojinin Tarihi , Toronto Üniversitesi Yayınları, ISBN 978-90-277-1693-4
  • Quaranta Emanuele, Revelli Roberto (2015), "Bir göğüs suyu çarkı için performans özellikleri, güç kayıpları ve mekanik güç tahmini", Energy , Energy, Elsevier, 87 : 315–325, doi : 10.1016/j.energy.2015.04.079
  • Oleson, John Peter (2000), "Water-Lifting", Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, 2 , Leiden: Brill, pp. 217–302, ISBN 978-90-04-11123-3
  • Reynolds, TS (1983) Yüz Adamdan Daha Güçlü: Dikey Su Çarkının Tarihi , Johns Hopkins'in teknoloji tarihindeki çalışmaları: Yeni Seri 7 , Baltimore: Johns Hopkins University Press, ISBN  0-8018-2554-7
  • Schioler, Thorkild (1973), Roma ve İslami Su Kaldırma Tekerlekleri , Odense University Press, ISBN 978-87-7492-090-8
  • Shannon, R. 1997. Su Çarkı Mühendisliği. http://permaculturewest.org.au/ipc6/ch08/shannon/index.html adresinden alındı .
  • Siddiqui, Iqtidar Husain (1986). "Öncesi Babür Zamanlarında Hindistan'da Su İşleri ve Sulama Sistemi". Doğu'nun Ekonomik ve Sosyal Tarihi Dergisi . 29 (1): 52-77. doi : 10.1163/156852086X00036 .
  • Sison, l. (1965) İngiliz Su Değirmenleri , Londra: Batsford, 176 s.
  • Wikander, Örjan (1985), "Erken Su Değirmenleri için Arkeolojik Kanıt. Bir Ara Rapor", Teknoloji Tarihi , 10 , s. 151–179
  • Wikander, Örjan (2000), "Su Değirmeni", Wikander, Örjan (ed.), Handbook of Ancient Water Technology , Technology and Change in History, 2 , Leiden: Brill, pp. 371–400, ISBN 978-90-04-11123-3
  • Wilson, Andrew (1995), "Kuzey Afrika'da Su Gücü ve Yatay Su Çarkının Gelişimi", Journal of Roman Archeology , 8 , s. 499–510
  • Wilson, Andrew (2002), "Machines, Power and the Ancient Economy", The Journal of Roman Studies , [Society for the Promotion of Roman Studies, Cambridge University Press], 92 , s. 1–32, doi : 10.2307/3184857 , JSTOR  3184857 , S2CID  154629776

Dış bağlantılar