Nhà máy nước: giá trị khám phá, phạm vi, thiết bị và nguyên tắc hoạt động

2024 Tác giả: Henry Conors | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-02-12 14:33

Việc phát minh ra cối xay nước có tầm quan trọng to lớn đối với lịch sử và sự phát triển của công nghệ. Những cấu trúc như vậy đầu tiên được sử dụng để làm tràn nước vào thời La Mã cổ đại, sau đó chúng bắt đầu được sử dụng để lấy bột mì và cho các mục đích công nghiệp khác.

Câu chuyện phát minh

Bánh xe nước được phát minh bởi con người thời cổ đại, nhờ đó con người nhận được một động cơ đơn giản và đáng tin cậy, việc sử dụng chúng đã được mở rộng hàng năm. Ngay từ thế kỷ đầu tiên trước Công nguyên, nhà khoa học La Mã Vitruvius đã mô tả cấu trúc như vậy trong chuyên luận "10 cuốn sách về kiến trúc" của ông. Hoạt động của nó dựa trên chuyển động quay của bánh xe do tác động của dòng nước lên các cánh của nó. Và ứng dụng thực tế đầu tiên của khám phá này là khả năng nghiền hạt.

Lịch sử của cối xay bắt nguồn từ những chiếc cối xay đầu tiên được người cổ đại sử dụng để lấy bột. Những thiết bị như vậy lúc đầu là thủ công, sau đó chúng bắt đầu sử dụng sức mạnh thể chất của nô lệ hoặc động vật để quay bánh bột.

Lịch sử của cối xay nước bắt đầu với việc sử dụng thiết kế của một bánh xe được điều khiển bởi lực của dòng chảy sông để thực hiệnquá trình nghiền ngũ cốc thành bột, và cơ sở cho việc này là sự ra đời của động cơ đầu tiên. Máy móc cổ đại phát triển từ các thiết bị tưới tiêu được gọi là chadufons, được sử dụng để nâng nước từ một con sông để tưới đất và đồng ruộng. Những thiết bị như vậy bao gồm một số muỗng được gắn trên một vành: trong quá trình quay, chúng được nhúng vào nước, múc nó lên và sau khi nhấc lên, chúng lật ngược nó thành một cái máng.

Cách sắp xếp của những chiếc cối xay gió cổ đại

Theo thời gian, người ta bắt đầu xây dựng các nhà máy nước và sử dụng sức mạnh của nước để sản xuất bột mì. Hơn nữa, ở những khu vực bằng phẳng, ở tốc độ dòng chảy của sông thấp, các đập được bố trí để tăng áp lực, do đó đảm bảo tăng mực nước. Để truyền chuyển động cho thiết bị máy nghiền, động cơ giảm tốc đã được phát minh, được làm từ hai bánh xe tiếp xúc với vành.

Sử dụng một hệ thống các bánh xe có đường kính khác nhau, có trục quay song song, các nhà phát minh cổ đại đã có thể chuyển và biến đổi chuyển động có thể hướng đến lợi ích của con người. Hơn nữa, bánh xe lớn hơn phải thực hiện ít vòng quay hơn nhiều lần vì đường kính của nó vượt quá vòng quay thứ hai, nhỏ hơn. Các hệ thống bánh răng đầu tiên bắt đầu được sử dụng cách đây 2 nghìn năm. Kể từ đó, các nhà phát minh và thợ cơ khí đã có thể tạo ra nhiều biến thể của bánh răng, không chỉ sử dụng 2 mà còn nhiều bánh hơn.

Thiết bị của cối xay nước thời cổ đại, được mô tảVitruvius, bao gồm 3 phần chính:

1. Một động cơ bao gồm một bánh xe thẳng đứng có các cánh quay bằng nước.
2. Cơ cấu truyền động là một bánh răng đứng thứ hai (bộ truyền động) quay một bánh răng thứ ba nằm ngang gọi là bánh răng.
3. Cơ cấu truyền động bao gồm hai cối xay: cối trên được dẫn động bởi một bánh răng và được gắn trên trục thẳng đứng của nó. Ngũ cốc làm bột được đổ vào một cái phễu xô nằm phía trên cối xay phía trên.

Bánh xe nước được lắp đặt ở một số vị trí liên quan đến dòng chảy của nước: hạ lưu - trên những con sông có tốc độ dòng chảy cao. Phổ biến nhất là cấu trúc "treo", được lắp đặt trên dòng chảy tự do, ngập trong nước bởi các cánh dưới. Sau đó, họ bắt đầu sử dụng các loại bánh xe nước đâm xuyên từ trung bình trở lên.

Hiệu suất tối đa có thể (hiệu suất=75%) được đưa ra bởi hoạt động của các loại trên cao hoặc khối lượng lớn, được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng các nhà máy nổi "xuồng" chạy trên các sông lớn: Dnepr, Kura, vv

Ý nghĩa của việc phát hiện ra cối xay nước là cơ chế cổ đầu tiên đã được phát minh, sau này có thể được sử dụng cho sản xuất công nghiệp, trở thành một giai đoạn quan trọng trong lịch sử phát triển của công nghệ.

Cấu trúc thủy lực thời trung cổ

Những cối xay nước đầu tiên ở Châu Âu, theo dữ liệu lịch sử, xuất hiện dưới thời trị vì của Charlemagne (năm 340 sau Công Nguyên) ở Đức vàđã được vay mượn từ người La Mã. Đồng thời, các cơ chế như vậy đã được xây dựng trên các con sông của Pháp, nơi vào cuối thế kỷ 11. đã có khoảng 20 nghìn nhà máy. Đồng thời, đã có hơn 5,5 nghìn người trong số họ ở Anh.

Các nhà máy nước trong thời Trung cổ phổ biến khắp Châu Âu, chúng được sử dụng để chế biến các sản phẩm nông nghiệp (nhà máy bột, nhà máy dầu, máy nghiền), để lấy nước từ các mỏ và trong sản xuất luyện kim. Đến cuối thế kỷ 16 đã có 300 nghìn người trong số họ, và vào thế kỷ 18. - 500 nghìn. Đồng thời, họ đã cải tiến kỹ thuật và tăng tốc độ tăng công suất (từ 600 lên 2220 mã lực).

Nghệ sĩ và nhà phát minh nổi tiếng Leonardo da Vinci, trong các ghi chép của mình, cũng đã cố gắng tìm ra những cách mới để sử dụng năng lượng và sức mạnh của nước với sự hỗ trợ của bánh xe. Ví dụ, ông đề xuất thiết kế một chiếc cưa đứng, được thiết lập chuyển động bởi một dòng nước cung cấp cho bánh xe, tức là quá trình này trở nên tự động. Leonardo cũng thực hiện các bản vẽ về một số lựa chọn để sử dụng các công trình thủy lực: đài phun nước, cách thoát nước đầm lầy, v.v.

Một ví dụ nổi bật về nhà máy thủy điện là cơ chế cung cấp nước cho các đài phun nước và cung cấp nước cho các cung điện ở Versailles, Trianon và Marly (Pháp), nơi có một con đập đặc biệt được dựng trên sông. Sông Seine. Từ bể chứa, nước được cung cấp dưới áp lực tới 14 bánh xe xuyên đáy có kích thước 12 m, họ nâng nó với sự hỗ trợ của 221 máy bơm lên độ cao 162 m đến hệ thống dẫn nước, từ đó chảy đến các cung điện và đài phun nước. Lượng nước cung cấp hàng ngày là 5 nghìn m3^3.

Cách hoạt động của cối xay nước

Thiết kế của một cối xay như vậy vẫn không thay đổi trong nhiều thế kỷ. Vật liệu chính để xây dựng là gỗ, từ đó làm chuồng, bánh xe và trục quay. Kim loại chỉ được sử dụng trong một số bộ phận: trục xe, ốc vít, giá đỡ. Đôi khi, chuồng được xây bằng đá.

Các loại máy xay sử dụng năng lượng nước:

1. Xoay - xây trên sông núi chảy xiết. Theo thiết kế, chúng tương tự như các tuabin hiện đại: các cánh quạt được làm trên một bánh xe thẳng đứng ở một góc so với đế, khi dòng nước rơi xuống sẽ xảy ra chuyển động quay, từ đó cối xay di chuyển.
2. Bánh xe, trong đó bánh xe "nước" tự quay. Hai loại được chế tạo - với trận chiến dưới và chiến trên.

Nước từ đập chảy đến nhà máy trên cao, sau đó nó được dẫn dọc theo máng dẫn đến bánh xe có rãnh, quay theo trọng lượng của nó. Khi sử dụng chiến đấu phía dưới, một thiết kế có các lưỡi được sử dụng, được thiết lập để chuyển động khi ngâm trong dòng nước. Để nâng cao hiệu quả công việc, một con đập thường được sử dụng, chỉ chặn một phần sông, được gọi là boon.

Hình bên dưới mô tả thiết bị của một cối xay nước bằng gỗ điển hình: chuyển động quay đến từ ổ phía dưới (bánh xe) [6], ở phía trên có một gầu (bunker) [1] để đựng ngũ cốc và một máng [2], đưa nó vào cối xay [3]. Bột tạo thành rơi vào khay [4], và sau đó tràn vào túi hoặc túi [5].

Điều chỉnh nguồn cung cấp ngũ cốc được thực hiện bởi một máy phân phối, một hộp đặc biệt có lỗ ảnh hưởng đến độ mịn của bột nghiền. Sau khi nhận được nó, nó phải được sàng lọc qua một cái rây đặc biệt được lắp phía trên cái rương, cái rây này dao động bằng một cơ chế nhỏ.

Một số máy xay nước không chỉ được sử dụng để xay ngũ cốc mà còn dùng để bóc hạt kê, kiều mạch hoặc yến mạch, từ đó làm ra ngũ cốc. Những chiếc máy như vậy được gọi là máy phân nhóm. Các chủ doanh nghiệp đã sử dụng cấu trúc nhà máy để giã kéo, để làm vải nỉ trong nhà, để chải len, v.v.

Xây dựng nhà máy ở Nga

Trong biên niên sử cổ đại của Nga, việc đề cập đến guồng nước và cối xay xuất hiện từ thế kỷ thứ 9. Ban đầu, chúng chỉ được sử dụng để nghiền ngũ cốc, được đặt biệt danh là "bột mì" và "bánh mì". Năm 1375, Hoàng tử Podolsky Korpatovich đã cấp cho tu viện Dominica quyền xây dựng một nhà máy ngũ cốc theo một hiến chương. Và vào năm 1389, một tòa nhà như vậy đã được để lại cho vợ của Hoàng tử Dmitry Donskoy theo ý muốn.

Ở Veliky Novgorod, một tài liệu về vỏ cây bạch dương đề cập đến việc xây dựng một nhà máy có từ thế kỷ 14. Biên niên sử Pskov của thế kỷ 16. kể về việc xây dựng một công trình kiến trúc như vậy trên sông Volkhov, mà toàn bộ người dân địa phương đã tham gia. Một con đập đã được xây dựng để chặn một phần của con sông, nhưng nó đã bị sập do lũ lụt nghiêm trọng.

Trên địa hình bằng phẳng, các nhà máy nước ở Nga được xây dựng với bánh xe trên cao. Trong các thế kỷ 14-15. các thiết bị quay cuồng bắt đầu xuất hiện trong đóbánh xe được đặt nằm ngang trên một trục thẳng đứng.

Những thiết kế này được xây dựng bởi các bậc thầy tự học mà không có bất kỳ bản vẽ và sơ đồ nào. Hơn nữa, họ không chỉ sao chép các cấu trúc đã được dựng lên, mà mỗi lần họ đều thêm vào thiết bị của mình những cải tiến của riêng mình. Ngay cả dưới thời của Peter Đại đế, các bậc thầy từ các nước châu Âu đã bắt đầu đến Nga, những người đã thể hiện kỹ năng và kiến thức của họ trong lĩnh vực này.

Một trong những cộng sự của Peter, kỹ sư nổi tiếng William Genin, người đã xây dựng 12 nhà máy lớn ở Urals, có thể đảm bảo hoạt động của họ từ các nhà máy điện thủy lực. Sau đó, năng lượng nước được các chuyên gia sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng các doanh nghiệp khai thác và gia công kim loại trên khắp nước Nga.

Vào đầu thế kỷ 18, khoảng 3 nghìn nhà máy hoạt động trên khắp lãnh thổ, sử dụng hệ thống thủy lực để vận hành sản xuất. Đây là các xí nghiệp luyện kim, xưởng cưa, giấy, dệt và các xí nghiệp khác.

Khu phức hợp nổi tiếng và độc đáo nhất để cung cấp năng lượng cho nhà máy khai thác và nấu chảy được xây dựng vào năm 1787 bởi kỹ sư K. D. Frolov tại mỏ Zmeinogorsk, nơi không có chất tương tự nào trên thế giới. Nó bao gồm một con đập, các công trình lấy nước, từ đó nước đi qua các mỏm ngầm vào một kênh hở (dài 535 m) đến một nhà máy, nơi bánh xe của xưởng cưa quay. Xa hơn nữa, nước chảy qua kênh ngầm tiếp theo đến guồng quay của máy nâng quặng từ mỏ, sau đó đến kênh thứ ba và thứ tư. Cuối cùng, nó chảy qua một đoạn đường dài hơn 1 km trở lại sông bên dưới con đập, tổng đường đi của nó là hơn 2 km,đường kính của bánh xe lớn nhất là 17 m, tất cả các công trình được xây dựng từ vật liệu địa phương: đất sét, gỗ, đá và sắt. Khu phức hợp đã hoạt động thành công hơn 100 năm, nhưng chỉ có con đập của mỏ Zmeinogorsky là tồn tại cho đến ngày nay.

Nghiên cứu trong lĩnh vực thủy lực cũng được thực hiện bởi nhà khoa học nổi tiếng M. V. Lomonosov, người đã đưa những suy nghĩ khoa học của mình vào thực tiễn, tham gia thành lập một xí nghiệp kính màu dựa trên hoạt động của một hệ thống thủy lực có ba bánh xe.. Các công trình nghiên cứu của hai viện sĩ người Nga khác - D. Bernoulli và L. Euler - đã thu hút được tầm quan trọng của thế giới trong việc sử dụng các định luật về thủy động lực học và kỹ thuật thủy lực, đồng thời đặt nền tảng lý thuyết của những ngành khoa học này.

Sử dụng năng lượng nước ở phương Đông

Việc sử dụng guồng nước ở Trung Quốc lần đầu tiên được mô tả chi tiết trong cuốn sách của Sunn Yingxing vào năm 1637. Nó mô tả chi tiết việc sử dụng chúng cho sản xuất luyện kim. Các cấu trúc của Trung Quốc thường nằm ngang, nhưng công suất của chúng đủ cao để sản xuất bột mì và kim loại.

Việc sử dụng năng lượng nước lần đầu tiên được bắt đầu vào những năm 30. N. e., sau khi một quan chức Trung Quốc phát minh ra cơ chế chuyển động qua lại dựa trên bánh xe nước.

Ở Trung Quốc cổ đại, hàng trăm nhà máy đã được xây dựng, nằm dọc theo các con sông, nhưng vào thế kỷ thứ 10. chính phủ bắt đầu cấm họ vì cản trở giao thông đường sông. Việc xây dựng các nhà máy dần dần được mở rộng ở các nước lân cận: Nhật Bản và Ấn Độ, ở Tây Tạng.

Bánh xe nước ở các nước Hồi giáo

Quốc giaPhương Đông, nơi mọi người tôn xưng đạo Hồi, phần lớn là lãnh thổ có khí hậu rất nóng. Từ xa xưa, việc cung cấp nước thường xuyên đã rất quan trọng. Các hệ thống dẫn nước được xây dựng để cung cấp nước cho các thành phố và để nâng cao nước từ sông, các nhà máy đã được xây dựng, họ gọi là "norias".

Theo các nhà sử học, những công trình kiến trúc như vậy đầu tiên đã được dựng lên cách đây 5 nghìn năm ở Syria và các quốc gia khác. Trên sông Orontes, một trong những nơi sâu nhất trong nước, việc xây dựng thang máy phổ biến dưới dạng các bánh xe khổng lồ của các nhà máy nước, có thể múc nước bằng nhiều lưỡi và cung cấp cho hệ thống dẫn nước.

Một ví dụ sinh động về cấu trúc như vậy là thang máy của thành phố Hama, đã tồn tại đến thời đại của chúng ta, việc xây dựng có từ thế kỷ 13. Họ vẫn tiếp tục làm việc cho đến ngày nay, vừa là vật trang trí vừa là điểm nhấn của thành phố.

Việc sử dụng thủy điện trong các ngành công nghiệp khác nhau

Ngoài sản xuất bột mì, phạm vi hoạt động của các nhà máy nước còn mở rộng sang các loại hình công nghiệp sau:

• để melioration và cung cấp nước cho cây trồng trên đồng ruộng;
• xưởng cưa sử dụng sức nước để chế biến gỗ;
• luyện kim và gia công kim loại;
• trong khai thác để chế biến đá hoặc các loại đá khác;
• trong nhà máy dệt và len;
• để nâng nước từ mỏ, v.v.

Một trong những ví dụ lâu đời nhất về việc sử dụngnăng lượng nước - một xưởng cưa ở Hierapolis (Thổ Nhĩ Kỳ), các cơ chế của nó được phát hiện trong các cuộc khai quật và có niên đại vào thế kỷ thứ 6. N. đ.

Ở một số nước Châu Âu, các nhà khảo cổ học đã phát hiện ra tàn tích của những cối xay cũ từ thời La Mã Cổ đại, được sử dụng để nghiền thạch anh có chứa vàng được khai thác trong mỏ.

Khu phức hợp lớn nhất sử dụng sức mạnh của nước được xây dựng, theo dữ liệu lịch sử, vào thế kỷ thứ nhất. ở miền nam nước Pháp với tên gọi Barbegal, nơi có 16 bánh xe nước cung cấp năng lượng cho 16 nhà máy bột mì, do đó cung cấp bánh mì cho thành phố Alert gần đó. Mỗi ngày, 4,5 tấn bột mì được sản xuất tại đây.

Một tổ hợp nhà máy tương tự trên đồi Janiculum cung cấp nguồn cung cấp ở khu 3 c. thành phố Rome, được Hoàng đế Aurelian đánh giá cao.

Tự tay tạo cấu trúc nước

Một yếu tố kiến trúc như bánh xe nước đã trở nên phổ biến cùng với hồ bơi, thác nước hoặc đài phun nước. Tất nhiên, những cấu trúc như vậy thực hiện một chức năng trang trí hơn là một chức năng thực tế. Mỗi chủ sở hữu có kỹ năng làm việc với các bộ phận bằng gỗ đều có thể tự tay mình xây dựng một nhà máy nước.

Nên chọn kích thước bánh xe ít nhất là 1,5 m, nhưng không quá 10 m, tùy thuộc vào diện tích mặt bằng. Nhà máy cũng được lựa chọn theo mục đích tương lai của nó: một tòa nhà để chứa hàng tồn kho, một khu vui chơi cho trẻ em và trang trí lãnh thổ.

Sản xuất các bộ phận:

• làm cơ sở cho bánh xe nước, bạn có thể lấy một chiếc xe đạp hoặc một cái cây bị đổ, có gắn các lưỡi dao vào đó; ở Trung tâmnó phải có một đường ống để nó xoay;
• thành phẩm được gắn trên các ổ trục trên 2 giá đỡ là dầm gỗ sồi, góc kim loại, gạch;
• đầu bánh xe phải phù hợp với máng dẫn nước chảy qua các cánh quạt; nó được đưa từ vòi có bơm hoặc đến sau mưa;
• tất cả các bộ phận nên được xử lý để tăng tuổi thọ: bằng gỗ - đánh vecni, kim loại - sơn chống ăn mòn;
• để thoát nước, đặt kênh theo hướng luống hoặc sang thùng chứa khác;
• ở giai đoạn cuối cùng, tòa nhà được trang trí bằng các yếu tố trang trí.

Đặt một nhà máy nước trang trí ở nông thôn sẽ là một bổ sung thẩm mỹ tuyệt vời cho cảnh quan.

Cối xay gió lịch sử nổi tiếng

Nhà máy nước hoạt động lớn nhất "Lady Isabella" nằm gần làng Lexie trên Đảo Man ở Biển Ailen. Công trình kiến trúc này được xây dựng vào năm 1854 bởi kỹ sư tự học Robert Casement để vinh danh vợ của tổng thống đốc địa phương, và mục đích của việc xây dựng nó là để bơm nước ngầm từ một mỏ địa phương để khai thác tài nguyên thiên nhiên (kẽm, chì, v.v..).

Kênh được đặt đặc biệt, qua đó nước từ sông núi chảy qua cầu và được cấp vào để quay một bánh xe có đường kính 22 m, hiện vẫn được coi là lớn nhất thế giới, nhờ đó mà nhiều du khách đã đã thành côngnăm.

Một trong những điểm tham quan ban đầu của Pháp là một nhà máy nước cũ nằm gần thành phố Vernon (Pháp). Sự độc đáo của nó nằm ở việc nó nằm trên 2 trụ của một cây cầu đá cũ từng nối hai bờ sông Seine. Hiện chưa rõ chính xác ngày xây dựng của nó, tuy nhiên, theo một số nguồn tin, nó được xây dựng trong thời kỳ chống đối Richard the Lionheart và có tầm quan trọng chiến lược. Năm 1883, nghệ sĩ nổi tiếng Claude Monet đã làm bất tử cô trên một trong những bức tranh sơn dầu của ông.

Việc tạo ra máy nghiền nước là một bước quan trọng trong lịch sử phát triển công nghệ, vì nó được coi là thiết kế đầu tiên có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau để chế biến nông sản và các sản phẩm khác, là bước đầu tiên của máy sản xuất trên thế giới.