Koło wodne — definicja, budowa i zastosowania
Koło wodne — definicja, budowa i zastosowania: praktyczny przewodnik po historii, typach, zasadach działania oraz wykorzystaniu energii wodnej w przemyśle i ekologii.
Koła wodne używane do napędu łodzi - patrz koło łopatkowe. Koła używane wyłącznie do podnoszenia wody - patrz noria. Dla fabryk lub gałęzi przemysłu napędzanych przez koła wodne zobacz młyn wodny.
Koło wodne to urządzenie hydroenergetyczne, czyli maszyna służąca do pozyskiwania energii mechanicznej z przepływu lub spadu wody. Koła wodne i energia wodna były szeroko stosowane w średniowieczu, napędzając większość przemysłu w Europie, wraz z wiatrakiem. Najczęstszym zastosowaniem koła wodnego było mielenie mąki w młynach, ale inne zastosowania obejmowały prace odlewnicze, obróbkę skrawaniem, tłuczenie i przygotowanie surowców (np. lnu) do produkcji papieru, a także napęd maszyn tartacznych, płuczki i młotów warsztatowych.
Budowa i zasada działania
Typowe koło wodne składa się z dużego, okrągłego korpusu (obręczy) osadzonego na osi oraz szeregu łopatek lub wiaderek rozmieszczonych na obwodzie. Woda działając na łopatki powoduje obrót koła, co zamienia energię potencjalną i kinetyczną wody na ruch obrotowy wału. Ruch ten przenoszony jest dalej przez bezpośrednie połączenie z wałem, przez pasy napędowe lub przez przekładnię zębatą (np. przekładnię pierścieniową) na napęd urządzeń roboczych.
Koła pionowe są zwykle montowane pionowo na poziomej osi — to najpopularniejsza konfiguracja spotykana w młynach. Istnieją też koła montowane poziomo na pionowym wale (tzw. koła poziome lub koła wannowe, ang. tub wheel), które zazwyczaj napędzają obciążenie bezpośrednio, bez dodatkowych przekładni. Kanał doprowadzający wodę do koła nazywa się kanałem napływowym (headrace), a kanał utworzony dla wody po opuszczeniu koła jest powszechnie określany jako "tailrace".
Rodzaje kół wodnych
- Undershot (koło przepływowe) — woda przepływa pod kołem, uderzając w łopatki. Stosowane przy małym spadzie i dużym przepływie; mają stosunkowo niską sprawność.
- Breastshot (koło natarciowe) — woda trafia w środkową część koła; sprawne przy umiarkowanym spadku i przepływie.
- Overshot (koło spływowe) — woda spływa na górną część koła i wykorzystuje głównie energię potencjalną (ciężar wody w wiaderkach); daje najwyższą sprawność w warunkach odpowiedniego spadu.
- Pitchback — odmiana overshot, gdzie woda wpada za osią; pozwala często na lepsze wykorzystanie kierunku przepływu i ułatwia eksploatację.
- Koło wannowe (tub wheel) — cylindryczne koło, do którego woda wpływa przez otwory; stosowane przy specyficznych warunkach napływu i koncentracji energii.
Materiały i konstrukcja
Historycznie koła wykonywano głównie z drewna; w XIX i XX wieku zaczęto stosować żeliwo i stal, co zwiększyło trwałość i nośność. Współczesne rekonstrukcje i małe instalacje często łączą tradycyjne materiały z elementami metalowymi. Główne części to obręcz, szprychy, łopatki/wiaderka, oś (wał), łożyska i układ napędowy (pasy, koła zębate, przekładnie). Ważne są też obudowy, kanały napływowe i odpływowe oraz elementy zabezpieczające przed zanieczyszczeniami i lodem.
Wydajność i dobór
Moc uzyskiwana z koła wodnego zależy od przepływu (Q), wysokości spadu (H) i sprawności układu (η). Ogólnie rzecz biorąc, dla tej samej ilości wody koła overshot są najbardziej efektywne (sprawność może dochodzić do 60–70%), podczas gdy undershot charakteryzują się znacznie niższą sprawnością (rzędu 20–40%). Wybór typu koła zależy od lokalnych warunków hydrologicznych i topograficznych.
Zastosowania i współczesne wykorzystanie
Tradycyjnie koła wodne napędzały młyny, tartaki i warsztaty rzemieślnicze. Dziś, poza rekonstrukcjami historycznymi i obiektami muzealnymi, koła wodne są wykorzystywane w małej skali do wytwarzania energii elektrycznej w mikro-hydroelektrowniach, do napędzania pomp oraz jako atrakcje edukacyjne. W porównaniu z turbinami wodnymi koła są proste i trwałe, ale zwykle wymagają większej przestrzeni i mają niższą gęstość mocy.
Aspekty środowiskowe i eksploatacja
Instalacja koła wodnego wymaga uwzględnienia wpływu na ekosystem rzeki: migrację ryb, przepływy ekologiczne oraz sedimentację. Często stosuje się przepławki dla ryb, sitka i systemy regulacji przepływu. Regularna konserwacja obejmuje kontrolę łożysk, naprawę łopatek, usuwanie zatorów i zabezpieczenie przed korozją czy butwieniem drewna.
Koła wodne pozostają ważnym elementem dziedzictwa technologicznego i praktycznym rozwiązaniem tam, gdzie warunki hydrologiczne umożliwiają efektywne i niskokosztowe wykorzystanie energii wody.
Koło wodne stojące na wysokości 42 stóp zasila Stary Młyn w Berry College w Rome, Georgia.
Historia
Główny artykuł: Młyn wodny
Europa Grecko-Rzymska
Technologia koła wodnego była znana od dawna, ale nie została wprowadzona do powszechnego użytku aż do średniowiecza, kiedy to dotkliwy niedobór siły roboczej sprawił, że maszyny takie jak koło wodne stały się opłacalne. Jednak koła wodne w starożytnym Rzymie i starożytnych Chinach znalazły wiele praktycznych zastosowań w napędzaniu młynów do ubijania zboża i innych substancji. Rzymianie używali zarówno stałych, jak i pływających kół wodnych i wprowadzili energię wodną do innych krajów Imperium Rzymskiego. Rzymianie byli znani z szerokiego wykorzystania kół wodnych w projektach górniczych, a ogromne koła wodne z czasów rzymskich można znaleźć w miejscach takich jak dzisiejsza Hiszpania. W I wieku p.n.e. grecki epigramatyk Antypater z Tesaloniki jako pierwszy odniósł się do koła wodnego.
Starożytne Chiny
Co najmniej w I wieku n.e. Chińczycy z dynastii Han zaczęli używać kół wodnych do rozdrabniania zboża w młynach i do napędzania miechów tłokowych przy wykuwaniu rudy żelaza na żeliwo.
W tekście znanym jako Xin Lun, napisanym przez Huan Tan około 20 r. n.e. (podczas uzurpacji Wang Manga), stwierdza się, że legendarny mitologiczny król znany jako Fu Xi był odpowiedzialny za tłuczek i moździerz, który ewoluował w młot przechylny, a następnie młot potrójny (patrz młot potrójny). Chociaż autor mówi o mitologicznym Fu Xi, fragment jego pisma daje wskazówkę, że koło wodne było w powszechnym użyciu już w I wieku n.e. w Chinach.
W roku 31 n.e. inżynier i prefekt Nanyang, Du Shi, zastosował kompleksowe wykorzystanie koła wodnego i maszyn do napędzania miechów wielkiego pieca do produkcji żeliwa. Koła wodne w Chinach znajdowały zarówno zastosowania praktyczne, jak i niezwykłe. Wynalazca Zhang Heng (78-139) jako pierwszy w historii zastosował siłę napędową do obracania astronomicznego instrumentu sfery armilarnej za pomocą koła wodnego. Inżynier mechanik Ma Jun (200-265) użył kiedyś koła wodnego do zasilania i obsługi dużego mechanicznego teatru lalek dla cesarza Ming z Wei.
Europa średniowieczna i nowożytna
Zwłaszcza klasztory cysterskie szeroko wykorzystywały koła wodne do napędzania różnego rodzaju młynów. Wczesny przykład bardzo dużego koła wodnego zachował się w Real Monasterio de Nuestra Senora de Rueda z początku XIII wieku, klasztorze cystersów w regionie Aragonii w Hiszpanii. Młyny do mielenia zboża były bez wątpienia najbardziej rozpowszechnione, ale istniały również tartaki, młyny do obróbki drewna i młyny do wielu innych pracochłonnych zadań. Koło wodne pozostało konkurencyjne w stosunku do silnika parowego aż do czasów rewolucji przemysłowej.
Głównym problemem kół wodnych była ich nierozłączność z wodą. Oznaczało to, że młyny często musiały być zlokalizowane z dala od skupisk ludności i z dala od zasobów naturalnych. Młyny wodne były jednak nadal w użyciu komercyjnym aż do XX wieku.
Koła Overshot i pitchback są odpowiednie tam, gdzie jest mały strumień z różnicą wysokości większą niż 2 metry, często w połączeniu z małym zbiornikiem wodnym. Koła Breastshot i undershot mogą być stosowane na rzekach lub przy dużych przepływach objętościowych z dużymi zbiornikami.
· 
Koło wodne Breastshot
· 
koło wodne podstrzałowe
· 
Koło wodne o ruchu obrotowym
Najpotężniejszym kołem wodnym zbudowanym w Wielkiej Brytanii było koło wodne Quarry Bank Mill Waterwheel o mocy 100 KM w pobliżu Manchesteru. Koło to, o dużej mocy, zostało wycofane z użytku w 1904 roku i zastąpione kilkoma turbinami. Obecnie jest odrestaurowane i stanowi muzeum dostępne dla zwiedzających.
Nowoczesne zapory wodne mogą być postrzegane jako potomkowie koła wodnego, ponieważ one również wykorzystują ruch wody w dół zbocza do obracania koła.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest koło wodne?
O: Koło wodne to maszyna, która pozyskuje energię z przepływu wody.
P: Jakie było najczęstsze zastosowanie kół wodnych w średniowieczu?
O: Najpopularniejszym zastosowaniem kół wodnych było mielenie mąki w młynach.
P: Jakie były inne zastosowania kół wodnych?
O: Inne zastosowania kół wodnych obejmowały prace odlewnicze, obróbkę skrawaniem i ubijanie lnu na papier.
P: Jak zbudowane jest koło wodne?
Koło wodne składa się z dużego drewnianego lub metalowego koła z łopatkami lub wiadrami umieszczonymi na zewnętrznej obręczy tworzącej powierzchnię napędową.
P: Jak montowane są pionowe koła wodne?
O: Pionowe koła wodne są montowane pionowo na poziomej osi i mogą przenosić moc przez oś lub za pośrednictwem przekładni pierścieniowej i zazwyczaj pasów napędowych lub kół zębatych.
P: Jak montowane są poziome koła wodne?
Poziome koła wodne są montowane poziomo na pionowym wale i zazwyczaj bezpośrednio napędzają ładunek.
P: Co to jest "tylne koło"?
O: "Rura zwrotna" to kanał, którym płynie woda po opuszczeniu koła.
Przeszukaj encyklopedię