Dette er en fremragende artikel som er værd at læse.

vandmølle

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Oberschlächtiges vandhjul i friluftsmuseet Neuhausen ob Eck
Undershot vandhjul ved Rhinenfaldet i Neuhausen (Schweiz)
Savværk (til venstre) og kornmølle (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 potentiel eller kinetisk energi af 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 imidlertid 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 sådanne 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 overskydende 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 . [1]
“Great Laxey Wheel”, Europas største vandhjul med en diameter på 22 m
Det store vandhjul på National Slate Museum i Wales
Overhjul i Roeder -tunnelen i Rammelsberg , Harz

Opfindelsen af vandhjulet af græske ingeniører i det 4. / 3. århundrede. Århundrede f.Kr. Chr. Repræsenterede en milepæl i udviklingen af ​​teknologi, da mekanisk energi kunne gøres brugbar ved brug af vandkraft. [2] [3] I begyndelsen blev vandhjul brugt til kunstvanding i landbruget, som et skovlhjul til løft af 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 minedrift 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. [4] Han viser 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 over 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 kørekunsten og løft af det vand, der sivede ind i gruberne i form af den vandkunst, minearbejdere brugte.

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, det "store hjul" 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 omkring 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 skabt 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. Der bruges forskellige vandhjul afhængigt af stigningen og højdeforskellen mellem indløb og udløb.

Uanset dette skelnes der mellem et mobilhjul og et skovlhjul.

  • Cellehjul består af beholdere (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. [5] 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. [5]
  • 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 afgrødefløden ligge så tæt som muligt på skovlen (se fig. "Mellemstort vandhjul"). Dette design er også kendt som en skruetrækker eller stilthjul. [5]

Billederne "overskudt vandhjul" og "mellemstort vandhjul" viser et cellehjul, illustrationen "undershot waterwheel" viser et padlehjul.

Europas største overskydende 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 ). Faldhøjden er normalt mellem tre og ti meter. [5] Overshot vandhjul har været kendt siden 1200 -tallet. [5]

I modsætning til en vandmølle behøver et overskydende 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 køres med 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 system består i at udvide den øvre grøft til et reservoir . Vandhjulet er i umiddelbar nærhed bag dammen. I denne type system styres vandgennemstrømningen til hjulet af en hjulport, som er placeret for enden af ​​kanalen.

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:

med ydelse 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.

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. [6]

Et vandhjul står dog over for 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
( Genopbygning , Clausthal-Zellerfeld )

Fejehjulet er et specielt design. Det udsættes kun for overskydende tryk og har to knivringe anbragt 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 afbildning af et fejerhjul, der kendes i dag, stammer fra Georgius Agricola fra år 1556. I 1800 -tallet blev der stadig brugt stålfejerhjul i de saksiske malmbjerge. I Freiberg Revier er et originalt fejerhjul (omkring 1850) bevaret i hjulrummet i Abraham -akslen . [7]

Skema af et mellemstort vandhjul

Mellemslagtet og tilbageslagtet vandhjul

10 meter højt center-eget hjul med ekstern gearfælg af Portland Basin Canal Warehouse på Ashton Canal, Greater Manchester , England
Mittelschlächiges vandhjul: Stütings mølle i Belecke

Middelhøjde vandhjul påvirkes i omtrent navhøjde ("ramt af vandet") og bruger vandets strømning og vægt, dvs. stød og tryk, i lige stor grad. [5] De kan bygges som et mobilhjul 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, som deler vandet i flere delstråler (normalt tre) og fodrer 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. Manualen til Bergmaschinen-Mechanik, bind 2 ( Julius Weisbach , 1836) beregner effektiviteten af ​​et "veldesignet" overskudt vandhjul for et eksempel: omkring 0,852. [8] Weisbach giver formlen til beregning af effektiviteten på side 107. Det bør være lige så gyldigt for overskydende som for mellemhjul og bagslag til 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 vandhjulet Mittelschlächtigen) 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. [5]

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. [5] 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 klinger 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 som f.eks B. slag- eller halehammere (= hammer -smedje) drives direkte. De fleste drivmotorer kræver flertrinsgear ( kontraaksler ) for at levere de nødvendige hastigheder. Dette begunstigede brugen af ​​møller over vandhjulet.

Differentiering i henhold til 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 . [9] Med stanghjul er knivene fastgjort mellem to ringe (indre og ydre "ring" på indersiden og ydersiden af ​​bladet til venstre og højre). I tilfælde af skruetrækkerhjul sidder knivene ofte på korte arme, der stikker radialt ud fra fælgen og er normalt fastgjort med en ring (fælg). Strukturen af Zuppinger hjul ville derfor være en skrue hjul . Stanghjulene, der almindeligvis 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.

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 nærmer sig ved 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 ". [10] Alle tre er klassificeret som Undershot -vandhjul.

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)). [11] Poncelet opfandt det 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. [12]

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 underliggende 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, som vandet tilbyder fra dens kinetiske energi gennem strømningshastigheden , baseret på det tværsnitsareal, der påvirkes af vandhjulet , kan beregnes som følger:

Ydelsen af et dybt vandhjul kan beregnes som følger:

Vandstrømmen ( Vanddensitet i kg / m³) udøver en kraft (i Newtons ) på bladene med tværsnitsarealet (i m²), som kan beregnes ud fra strømningens dynamiske tryk på bladet:

Træk -koefficienten er et dimensionsløst tal og kan udledes af 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 gennemsnitlige trækkoefficient er derfor mindre end det, der kan aflæses i de sædvanlige tabeller. I denne henseende repræsenterer excentrisk styrede hjulklinger en mulig forbedring, men er vedligeholdelseskrævende og forårsager yderligere tab ved at køre den excentriske kontrol, så de ikke får fremgang.

Den effektive hastighed til dynamisk tryk beregnes ud fra flodens strømningshastighed , reduceret med overfladehastigheden på vandhjulet :

Vandhjulets ydeevne (i watt) beregnes ud fra

  • kraftproduktet med vandhjulets overfladehastighed
eller.
  • kraftproduktet med vandhjulets vinkelhastighed og radius af vandhjulet :

Man kan løse dette ligningssystem ved at tilføje kraften der har foretrukket dynamisk hastighed og overfladehastigheden på vandhjulet elimineres, opnår man ligningen for vandhjulets ydeevne:

Ydeevnen er optimal med:

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:

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 af udførelsen af vandhjulet og udførelsen af floden, hvis ligheden indeks introduceres:


Diese Beziehung wird in der folgenden Grafik veranschaulicht:

Wirkungsgrad eines tiefschlächtigen Wasserrades als Funktion des Geschwindigkeitsquotienten und in Abhängigkeit von dem Parameter

Der Wirkungsgrad erscheint zwar relativ gering im Verhältnis zu dem durch einen Unterwasserpropeller (Unterwasserwindrad) erreichbaren Wirkungsgrad von ≈60 % nach dem Gesetz von Betz (dieses ist für einen Unterwasserpropeller anwendbar, da Betz von einem nicht kompressiblen Medium ausging).

Das ist darauf zurückzuführen, dass ein tiefschlächtiges Wasserrad eine einfache Arbeitsmaschine ist, die einen Strömungswiderstand und damit eine Reibung in Arbeit konvertiert. Strömungsmaschinen wie Propeller oder Windräder dagegen wandeln den Druckunterschied von angeströmten Tragflächen in ein maximales Drehmoment mal Drehzahl um. Durch eine geschickte Wahl des Profils können so wesentlich effizientere Arbeitsmaschinen konstruiert werden. In Kulissen geführte mittel- oder unterschlächtige Wasserräder können als eine Abart von Verdrängungsmaschinen (die Zellenwand als eine Art Kolben) angesehen werden und arbeiten durch die Zwangsführung des Wassers effektiver, sind aber sehr anfällig für Reibungsverluste aus eingeschlepptem Treibgut und sind daher wartungsintensiv. Ferner muss Treibgut als Abfall entsorgt werden, darf also nicht einfach unterhalb wieder ins Gewässer eingebracht werden, was erhebliche Kosten verursacht.

Trotzdem kann ein tiefschlächtiges Wasserrad ein geeigneter Generator zur Gewinnung von Strom aus der kinetischen Energie von Flüssen sein, da dieses eben

  • relativ unempfindlich gegen den Einfluss von Treibgut ist und
  • folglich geringe Wartungskosten anfallen, die die Wirtschaftlichkeit anderer Flusskraftwerke erheblich beeinträchtigen können.

Das Energieangebot aus dem Fluss muss also nicht möglichst hoch sein, sondern möglichst kosteneffizient genutzt werden. Dafür ist ein tiefschlächtiges Wasserrad gut geeignet.

Als Wasserbauwerk ausgeführtes tiefschlächtiges Wasserrad

Wasserschöpfräder bei Möhrendorf

Das tiefschlächtige Wasserrad kommt mit dem natürlichen Gefälle des Gewässers aus. Anders als beim unterschlächtigen Wasserrad gibt es hier keine Kulisse, die dieses in eine Art Kolbenmaschine verwandelt. Das Rad wird allein durch den Strömungswiderstand der Schaufelbretter reibend angetrieben ( Herleitung der Bewegungsgleichung siehe oben ). Der Wirkungsgrad bei tiefschlächtigen Wasserrädern ist maximal, wenn die Umfanggeschwindigkeit des Rades 1/3 der Wassergeschwindigkeit entspricht.

Das Prinzip kommt besonders bei Wasserschöpfrädern zur Anwendung, weil es unempfindlich gegen Beeinträchtigung durch Treibgut und damit robust ist, was in diesem Fall den wichtigsten Vorteil darstellt, der die Wirtschaftlichkeit wesentlich verbessert (aus dem Gewässer entnommenes Treibgut muss in Deutschland als Abfall kostenintensiv beseitigt werden).

Es ist außerdem eng verwandt mit dem Antrieb von Schaufel raddampfern als quasi rechtslaufender Prozess und wurde dort durch den Propeller verdrängt, der einen wesentlich höheren Wirkungsgrad aufweist.

Schwimmendes tiefschlächtiges Wasserrad – Schiffmühle

Schiffsmühle Minden

Bei Schiff(s)mühlen, beide Schreibweisen sind üblich, findet dieses Bauprinzip ebenfalls Anwendung. Hierbei liegt das Schiff fest vertäut im Fluss; das Wasserrad treibt die Mühle auf dem Schiff an. Die Schiffsmühle hat den Vorteil, dass sie mit dem Wasserspiegel aufschwimmt oder absinkt und dadurch immer dieselbe Wassermenge zur Verfügung hat.

Horizontalmühlen

Horizontalmühlen, regional auch Stock- oder Flodermühle genannt, sind durch ein horizontales Wasserrad auf einer vertikalen Welle gekennzeichnet. Das Rad treibt den Mahlstein ohne Getriebe an. Es wird nur kinetische Energie genutzt; die Mühle benötigt daher einen Fluss mit starkem Gefälle. Wegen ihrer einfachen und robusten Bauart und ihrer Eignung für kleine Wassermengen waren Horizontalmühlen insbesondere in wasserarmen und gebirgigen Regionen des Mittelmeerraumes schon früh verbreitet; sie finden sich aber auch unter anderem in Nordeuropa und im Alpenraum.

Sonderformen

Neu errichtete Wasserräder stellen oftmals Sonderformen dar und werden in der Regel zur Stromerzeugung genutzt.

  • Das Turas-Wasserrad ist ein oberschlächtiges, einseitig gelagertes Wasserrad. Es wird in einer vorgefertigten Rahmenkonstruktion, welche mit der Getriebe - und Asynchrongeneratoreinheit bestückt ist, einseitig angeflanscht und durch das Getriebe gelagert. Bei dieser Bauweise entfällt die Wasserradwelle. [13]
  • Das Gravity-Wasserrad ist ein mittelschlächtiges Wasserrad, bei dem zur maximalen Energieerzeugung die Ein- und Auslaufverluste minimiert wurden. Basis sind die Konstruktionsrichtlinien für Zuppinger Wasserräder. Die Form der Schaufeln wird nicht auf maximale Leistung , sondern maximale Jahresarbeit (Jahresarbeit bedeutet in diesem Fall die in einem Jahr durchschnittlich produzierte Energiemenge) hin optimiert. Das Gravity-Wasserrad entspricht dadurch mehr den heutigen Bedürfnissen der Wasserradnutzung zur Energieerzeugung.
  • Das Segmentkranz-Wasserrad ist ein ventiliertes Wasserrad in modularer Bauweise.
  • Die Durchströmturbine stellt im Wesentlichen eine Weiterentwicklung des Wasserrades dar.
  • Die Lamellenturbine basiert auf Prinzip eines unterschlächtigen Wasserrads. [13]
  • Die Wasserdruckmaschine, ist eine Weiterentwicklung des mittelschlächtigen Wasserrades. [13]
  • Die Staudruckmaschine , ist ebenfalls eine Weiterentwicklung des mittelschlächtigen Wasserrades. [14] [13]
  • Die Wasserkraftschnecke , basiert auf dem Prinzip der Archimedischen Schraube . [13]
  • Die Steffturbine arbeitet nach dem Prinzip eines oberschlächtigen Wasserrades. [13]

Bei Le Locle im Schweizer Kanton Neuenburg (NE) befinden sich Europas einzige unterirdische Mühlen, die Höhlenmühlen von Le Locle . In einer mehrstöckigen Höhle wurden im 16. Jahrhundert in einen Wasserfall Wasserräder eingebaut, um eine Getreidemühle und Dresch- und Sägemühlen anzutreiben.

Einsatz zur Stromerzeugung

Einsatzbereiche von Wasserkraftmaschinen im Bereich der Klein- und Kleinstwasserkraft [14]

Das Wasserrad hat im Zuge der Stromerzeugung auf Basis von erneuerbaren Energien eine technische Renaissance erfahren. Wasserräder zeichnen sich durch eine kostengünstige Realisierung in bestehenden Kanälen (z. B. Bewässerungskanälen) aus, wobei die baulichen und technischen Größenbegrenzungen von Wasserrädern (Fallhöhe max. ≈8–10 m, Durchfluss max. ≈10 m³/s) den Einsatz im Bereich der Klein- und Kleinstwasserkraft vorgeben, wie im Diagramm rechts dargestellt. [14]

Wasserräder in Maschinenhallen und Radstuben

Im Bergbau wurden Wasserräder und Kehrräder meist unterirdisch in Radstuben eingebaut. Aber auch zur Förderung von Wasser/Trinkwasser oder Salzsole wurden oberschlächtige oder unterschlächtige Wasserräder in Maschinenhallen/Radstuben eingebaut.

13-m-Wasserräder in Maschinenhalle der Alten Saline Bad Reichenhall zur Förderung von Salzsole mittels Kolbenpumpen
Gebäude (1766) der alten Geraer Wasserkunst , ehemalige Radstube eines unterschlächtigen Wasserrades zum Pumpen von Trinkwasser auf einen Berg

Kombination mit anderen erneuerbaren Energieformen

Bestehende Wasserradanlagen lassen sich durch die Verwendung von Generatoren mit weiteren Energieerzeugern wie Photovoltaik, Kleinwindanlagen und Blockheizkraftwerken kombinieren. Ein Laderegler mit Energiemanagementsystem sorgt für die Regelung und Steuerung der Energieerzeugung und Energieverteilung.

Auch in früheren Jahrhunderten wurden bereits Windkraft und Wasserkraft kombiniert genutzt in Form kombinierter "Wind- und Wassermühlen". Beispiele dafür sind die Hüvener Mühle , die Klostermühle Lahde und die Kilsdonker Mühle in Holland.

Siehe auch

Literatur

  • Konrad Gruter : De aquarum conductibus; molendinis aliisque machinis et aedificiis. 3 Teile, Venedig 1424.
  • Ferdinand Redtenbacher : Theorie und Bau der Wasserräder. 2 Bände, Mannheim 1858.
  • Carl von Bach: Die Wasserräder. 1 Bd. + Atlas, Stuttgart 1886.
  • Wilhelm Müller: Die eisernen Wasserräder. Band 1: Die Zellenräder. Band 2: Die Schaufelräder. Band 3: Atlas. Verlag Veit & Comp, Leipzig 1899.
  • Wilhelm Müller: Die Wasserräder, Berechnung, Konstruktion und Wirkungsgrad. gekürzte Version der Vorgängerbände. Verlag Moritz Schäfer, Leipzig 1929.
  • Heinrich Henne: Die Wasserräder und Turbinen. 1 Bd. + Atlas. Verlag Bernhard Friedrich Voigt, Leipzig 1903.
  • F. Beyrich: Berechnung und Ausführung der Wasserräder. JM Gebhardt's Verlag, Leipzig 1905.
  • CGO Deckert: Die hydraulischen Motoren. (Die Schule des Maschinentechnikers 14) Verlag Moritz Schäfer, Leipzig 1914.
  • K. Albrecht: Wasserräder und Turbinen Teil 2 im 5. Band Motoren 1. aus Uhland's Handbuch für den praktischen Maschinen-Konstrukteur. Verlag W. & S. Loewenthal, Berlin ca. 1915.
  • Wasserrad . In: Meyers Konversations-Lexikon . 4. Auflage. Band 16, Verlag des Bibliographischen Instituts, Leipzig/Wien 1885–1892, S. 427.
  • KW Meerwarth: Experimentelle und theoretische Untersuchungen am oberschlächtigen Wasserrad. Dissertation. TU Stuttgart, 1935.
  • DM Nuernbergk: Wasserräder mit Kropfgerinne – Berechnungsgrundlagen und neue Erkenntnisse. Verlag Moritz Schäfer, Detmold 2005, ISBN 3-87696-121-1 .
  • DM Nuernbergk: Wasserräder mit Freihang – Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen. Verlag Moritz Schäfer, Detmold 2007, ISBN 978-3-87696-122-4 .
  • Richard Brüdern: Wie man Wasserräder baut – ein Beitrag zur Technikgeschichte, Berechnung und Konstruktion von Wasserrädern. Eigenverlag, Hannover 2006, OCLC 255703382 .
  • Axel Feuß: Wasser-, Wind- und Industriemühlen in Hamburg. (= Arbeitshefte zur Denkmalpflege in Hamburg, Themen-Reihe Band 9) Boyens Medien, Heide/Holstein 2007, ISBN 978-3-8042-1234-3 .
  • Klaus Grewe: Die Reliefdarstellung einer antiken Steinsägemaschine aus Hierapolis in Phrygien und ihre Bedeutung für die Technikgeschichte. Internationale Konferenz 13.–16. Juni 2007 in Istanbul. In: Martin Bachmann (Hrsg.): Bautechnik im antiken und vorantiken Kleinasien. (Byzas, Bd. 9) Istanbul 2009, ISBN 978-975-8072-23-1 , S. 429–454. (deutsch, teilw. englisch)
  • Julius Weisbach: Lehrbuch der Ingenieur- und Maschinen-Mechanik, Zweiter Theil: Praktische Mechanik, Verlag Friedrich Vieweg u. Sohn, Braunschweig 1846, Kapitel Vier "Von den vertikalen Wasserrädern" S. 154–243, Strauberad (Abb. 219 u. 220) und Staberad S. 201–202; Kapitel Fünf "Von den horizontalen Wasserrädern" (Turbinen) S. 243–334 (Geometrischer Aufbau und Berechnung vieler verschiedener Wasserräder und Turbinen)

Weblinks

Wiktionary: Mühlrad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Wiktionary: Wasserrad – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons : Wasserräder – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. Tullia Ritti, Klaus Grewe, Paul Kessener: A Relief of a Water-powered Stone Saw Mill on a Sarcophagus at Hierapolis and its Implications. In: Journal of Roman Archaeology. Bd. 20 (2007), S. 138–163 (161).
  2. John Peter Oleson: Greek and Roman Mechanical Water-Lifting Devices: The History of a Technology . University of Toronto Press, 1984, ISBN 90-277-1693-5 , S. 325ff.
  3. John Peter Oleson: Water-Lifting. In: Örjan Wikander: Handbook of Ancient Water Technology, Technology and Change in History. (Technology and change in history 2). Brill, Leiden 2000, ISBN 90-04-11123-9 , S. 217–302.
  4. Alfred Dumreicher: Gesammtüberblick über die Wasserwirthschaft des nordwestlichen Oberharzes. Clausthal 1868. (Erweiterte Neuausgabe: Volkmar Trunz (Hrsg.), 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. Routen: Kleinziegenfelder Tal und Bärental. Umweltstation Weismain des Landkreises Lichtenfels, Weismain/Lichtenfels (Landkreis Lichtenfels), 2000, S. 6.
  6. Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, Zweiter Band: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, S. 108, Wirkungsgrad des oberschlächtigen Wasserrades
  7. Denkmale des Bergbaus in der Montanregion Erzgebirge/Krusnohory, deutsch/tschechisch, Bezirk Karlovy Vary, Tschechien 2014
  8. Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, Zweiter Band: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, S. 107–108: Wirkungsgrad des oberschlächtigen Wasserrades; Wirkungsgrad des mittelschlächtigen Wasserrades S. 111
  9. Julius Weisbach: Lehrbuch der Ingenieur- und Maschinen-Mechanik , Verlag Friedrich Vieweg u. Sohn, Braunschweig 1846, Kapitel Vier "Von den vertikalen Wasserrädern" S. 154–243, S. 201–202: Strauberad (Abb. 219 eisernes und 220 hölzernes Strauberad, S. 201) und Staberad (Abb. 218, S. 199)
  10. Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik, Zweiter Band: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, S. 116–117: Kap.32: Unterschlächtige Wasserräder: Staberäder, Strauberäder und Schiffmühlenräder
  11. Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik , Zweiter Band: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, S. 116–117: Kap.37: Unterschlächtige Wasserräder mit krummen Schaufeln (Ponceletsche Wasserräder)
  12. Julius Weisbach: Handbuch der Bergmaschinen-Mechanik , Zweiter Band: Mathematische Maschinenlehre, Weidmann`sche Buchhandlung Leipzig, 1836, S. 116–117: Kap.37: "Unterschlächtige Wasserräder mit krummen Schaufeln (Ponceletsche Wasserräder)", (Nennung des Wirkungsgrades unterschlächtiger Wasserräder)
  13. a b c d e f Tagungsband der 43. IWASA 2013 Lehrstuhl und Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen; Herausgeber: Univ.-Professor Dr.-Ing. Holger Schüttrumpf (PDF;1,06 MB).
  14. a b c Statusbericht zur Entwicklung der Staudruckmaschine , Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen der TU Graz .