Śruba Archimedesa — definicja, zasada działania i zastosowania

Śruba Archimedesa — definicja, zasada działania i zastosowania: pompowanie, irygacja i turbiny odwrócone. Praktyczne przykłady, historia i korzyści technologiczne.

Śruba Archimedesa jest maszyną. Jest to rodzaj pompy służącej do podnoszenia wody do góry. Jest to śruba znajdująca się wewnątrz dość ciasno dopasowanego cylindra. Śruba, której dolny koniec znajduje się w wodzie, podnosi wodę do góry, gdzie wylewa się ona z wylewki. Śruba może być obracana ręcznie, za pomocą wiatraka lub silnika. Śruba jest często używana do napełniania rowów irygacyjnych.

Zasada działania

Śruba Archimedesa to proste urządzenie hydromechaniczne o budowie śrubowej (spiralnej). Gdy śruba obraca się wewnątrz cylindra, w przestrzeniach między zwojami spiralnymi tworzą się „kieszenie” wypełnione wodą. Obracanie śruby przesuwa te kieszenie w górę, dzięki czemu woda jest transportowana pod górę bez znacznego mieszania z otoczeniem. Kluczowe elementy wpływające na wydajność to:

• średnica śruby,
• skok (pitch) spirali,
• liczba zwojów i długość śruby,
• prędkość obrotowa (obr./min),
• dopasowanie śruby do cylindra (uszczelnienie i luz),
• spadek geometryczny (wysokość podnoszenia).

Konstrukcja i materiały

Tradycyjna śruba Archimedesa ma prostą budowę: wał z nawiniętą na nim spiralą (płatem) osadzony w rurze lub rękawie. Współczesne wykonania są z metalu (stal nierdzewna w instalacjach zanieczyszczonych), tworzyw sztucznych (PE, PVC) lub kompozytów. W większych instalacjach stosuje się łożysko bierne, uszczelnienia i napęd mechaniczny z przekładnią redukcyjną, by dopasować prędkość obrotową do optymalnej wydajności.

Historia

Archimedes pisał o niej, gdy przebywał w Aleksandrii w Egipcie. Nie wiadomo na pewno, czy rzeczywiście ją wynalazł, ale zawsze przypisuje się to jemu. Śruba Archimedesa była używana od starożytności do podnoszenia wody na potrzeby nawadniania, odwadniania i zasilania młynów wodnych, a jej prostota sprawiła, że przetrwała jako rozwiązanie praktyczne do dziś.

Odmiany i odwrócona śruba

Istnieje również rodzaj odwróconej śruby Archimedesa. Woda wlewana na górę obraca śrubę. Obrót ten napędza generator elektryczny, który wytwarza energię elektryczną. Jest to dobre rozwiązanie dla rzek o niewielkich spadkach wody ("low heads"). Odwrócona śruba ma te same zalety, co wykorzystanie śruby do pompowania: może obsługiwać bardzo brudną wodę i bardzo zróżnicowane prędkości przepływu, z wysoką wydajnością.

W praktyce śruba odwrócona jest stosowana jako turbina w małych elektrowniach rzecznych: wysoka tolerancja zanieczyszczeń i kształt pozwalają na stabilną pracę przy niskich różnicach poziomów (rzędu kilkudziesięciu centymetrów do kilku metrów). Konstrukcje te zwykle zawierają układ hamowania/regulacji obrotów oraz przekładnię do optymalnego dopasowania do generatora.

Zastosowania

• irygacja pól i podnoszenie wody z kanałów,
• odwadnianie terenów rolniczych i osuszanie kopalń,
• przepompownie ścieków i systemy kanalizacyjne (ze względu na odporność na zanieczyszczenia),
• małe elektrownie wodne (odwrócona śruba),
• transport materiałów sypkich w postaci suchych śrub (odmiana mechaniczna śruby transportującej).

Zalety i ograniczenia

Zalety:

• prosta budowa i łatwa obsługa,
• możliwość pracy z wodą zawierającą osady i drobne zanieczyszczenia,
• niska prędkość obrotowa — mniejsze zużycie i hałas,
• stabilna praca przy zmiennych przepływach,
• łatwość montażu i serwisu, także w trudno dostępnych miejscach.

Ograniczenia:

• ograniczona wysokość podnoszenia na jedną sekcję (zwykle do kilku metrów),
• wrażliwość na złe dopasowanie średnicy lub skoku (spadek wydajności przy nieszczelnościach),
• konieczność regularnej konserwacji łożysk i uszczelnień,
• efektywność zależna od właściwego doboru parametrów (średnica, skok, prędkość obrotowa) do warunków pracy.

Parametry i wydajność

Wydajność śruby Archimedesa zależy od geometrii i prędkości obrotowej. Przybliżone zasady doboru:

• większa średnica i większy skok zwiększają objętość przetransportowanej wody na obrót,
• zwiększenie prędkości obrotowej zwiększa przepływ, ale może obniżyć sprawność (większe przecieki i turbulencje),
• typowe sprawności praktyczne dla pomp to 70–85% w optymalnym zakresie pracy; jako turbiny sprawność może być podobna przy niskich spadach, zależnie od projektu.

Montaż i konserwacja

• regularna kontrola i smarowanie łożysk,
• sprawdzanie stanu powłok antykorozyjnych i ewentualna wymiana zużytych elementów,
• usuwanie większych zatorów i pływających odpadów,
• kontrola luzów między śrubą a cylindrem (zbyt duże luzy zwiększają przecieki i obniżają wydajność).

Śruba Archimedesa pozostaje popularnym, trwałym i prostym rozwiązaniem tam, gdzie potrzeba niezawodnego pompowania lub wykorzystania niskich spadków wody. Przy odpowiednim doborze parametrów i regularnej konserwacji może pracować przez wiele lat z niewielkimi kosztami eksploatacji.

Pytania i odpowiedzi

P: Co to jest śruba Archimedesa?

P: Jak działa śruba Archimedesa?

P: Do czego służy śruba Archimedesa?

P: Uważa się, że kto wynalazł śrubę Archimedesa?

P: Gdzie Archimedes pisał o śrubie?

P: Co to jest odwrotna śruba Archimedesa?

P: Jakie są korzyści z zastosowania odwrotnej śruby Archimedesa?

Szukaj według litery