Arhimedov vijak: definicija, delovanje in sodobne uporabe

Arhimedov vijak — definicija, delovanje in sodobne uporabe: črpalke, namakanje in reverzni vijak za proizvodnjo elektrike. Učinkovita in robustna rešitev za nizke padce vode.

Arhimedov vijak je stroj in vrsta črpalke, ki služi za dvigovanje vode z uporabo vijačne (helične) površine znotraj skoraj tesno prilegajočega se valja. Spodnji del vijaka je potopljen v vodo; ob vrtenju se voda ujame v “žepi” med navoji in se premika po navoju proti zgornjemu iztoku, kjer se izliva. Vijak se lahko vrti ročno, z vetrnico ali z motorjem. Pogosto se uporablja za polnjenje namakalnih jarkov, izpiranje tal, odvajanje vode in druge naloge, kjer je potreben zanesljiv prenos vode pri nizkem padcu.

Definicija in osnovno delovanje

Arhimedov vijak je sestavljen iz osrednjega kotalnega stebla okoli katerega je navit en ali več heliknih navojev. Ko se vijak vrti, se med navoji in ovojnim valjem oblikujejo zaprte komore, ki prenašajo vodo navzgor po naklonu vijaka. Učinkovitost delovanja je odvisna od premera vijaka, nagiba, koraka navoja (pitch), hitrosti vrtenja in tesnosti prileganja med vijakom in ovojnim valjem.

Konstrukcija in materiali

Arhimedovi vijaki so lahko izdelani iz različnih materialov, od lesa in jekla do nerjavnega jekla in visokokakovostnih plastik (npr. HDPE). Večji industrijski vijaki imajo premer od nekaj deset centimetrov do več metrov; dolžine in število zavojov se prilagaja glede na zahteve pretočne zmogljivosti in višine dviga. Za višjo odpornost proti obrabi in koroziji se pogosto uporablja nerjaveče jeklo ali obloge iz trpežnih polimerov.

Zgodovina

Arhimed je o tem pisal, ko je bil v Aleksandriji v Egiptu. Ni gotovega dokaza, da je on izumil vijak – podobne naprave so morda uporabljali že prej – vendar se mu izum pripisuje in nosi njegovo ime. Arhimedov vijak se je skozi stoletja uporabljal v kmetijstvu, pri odvodnjavanju in v industriji ter ostaja v uporabi po vsem svetu, tudi v sodobnih izvedbah.

Sodobne uporabe

• Namakanje in polnjenje kanalov ter jarkov.
• Odvodnjavanje kmetijskih površin in poplavna zaščita (nenazadnje v nizko ležečih državah, npr. Nizozemska).
• Pumpanje odpadnih voda, blata in drugih visoko vsebnostnih mešanic (zaradi sposobnosti obdelave umazane vode).
• Transport trdnih snovi in materialov (v nekaterih oblikah kot screw conveyor).
• Sodobne majhne hidroelektrarne: obratni Arhimedov vijak kot turbina, kjer voda, ki se nalije na vrh, vrti vijak in poganja električni generator, ki proizvaja električno energijo. To je primeren sistem za reke z majhnimi padci vode ("nizki vodostaji").

Arhimedov vijak kot turbina (reverzni vijak)

Obstaja tudi nekakšen obratni Arhimedov vijak. Voda, ki se nalije na vrh, vrti vijak. Vrtenje poganja električni generator, ki proizvaja električno energijo. Reverzni vijak ima enake prednosti kot uporaba vijaka za črpanje: z visoko učinkovitostjo lahko obdeluje zelo umazano vodo in zelo različne hitrosti pretoka. Takšne turbine so pogosto cenjene zaradi preprostosti, robustnosti in prijaznosti do rib in drugih vodnih organizmov (minimalno strganje in turbulenca). Učinkovitost vijčnih turbin se običajno giblje v razponu, ki je primerljiv z drugimi nizko-padnimi rešitvami, in je odvisna od dimenzij in pretoka.

Prednosti in omejitve

• Prednosti: enostavna konstrukcija, zanesljivo delovanje, sposobnost obdelave vode z delci in usedlinami, delovanje pri nizkih glavah, prijaznost do rib in okolja, relativno majhno vzdrževanje.
• Omejitve: ni primeren za velike padce (visoke glavne višine), za velike pretočne zmogljivosti zahteva velike premere (prostorska zahtevnost), učinkovitost je odvisna od pravilne geometrije in hitrosti vrtenja.

Načrtovanje in delovanje

Pri načrtovanju vijaka se upošteva želeni pretok, razpoložljiva višinska razlika (glava), prostor za namestitev in narava vode (čistost, delci). Ključni parametri so premer vijaka, naklon (pogosto med 30° in 45°, vendar je lahko tudi manj ali več), korak navoja in hitrost vrtenja. Če je vijak preveč poševno postavljen ali prehitro vrti, lahko pride do večjih izgub in zračnosti v komorah, kar zmanjša učinkovitost.

Namestitev in vzdrževanje

Namestitev zahteva ustrezno oporo, ležaje in tesnenje pri vhodu in izhodu. Zaščita pred večjimi plavajočimi predmeti in usedlinami (npr. rešetke ali grobi filtri) podaljša življenjsko dobo ležajev in zmanjšuje potrebo po vzdrževanju. Redni pregledi ležajev, tesnil in stanja navojev so priporočljivi; pri večjih vijakih je pogosto predvidena dostopna konstrukcija za enostavno čiščenje in popravila.

Okoljski in praktični vidiki

Arhimedov vijak je okolju prijazna rešitev za nizko-padne hidroenergetske projekte, ker povzroča manj poškodb rib in manj turbulenc v primerjavi s klasičnimi turbinami. Zaradi sposobnosti obdelave umazane vode je primeren tudi za komunalne in industrijske aplikacije. Pri izbiri sistema je treba upoštevati vpliv na pretočni režim, tveganja za usedline in potrebe po vzdrževanju.

Skupaj je Arhimedov vijak preprost, robusten in vsestranski stroj, ki je kljub svoji starosti še vedno zelo uporaben v sodobnih in tradicionalnih aplikacijah – tako za dvigovanje vode kot za izkoriščanje energije iz nizkih padcev voda.

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je Arhimedov vijak?

V: Kako deluje Arhimedov vijak?

V: Kakšen je namen Arhimedovega vijaka?

V: Kdo naj bi izumil Arhimedov vijak?

V: Kje je Arhimed pisal o vijaku?

V: Kaj je obratni Arhimedov vijak?

V: Kakšne so prednosti uporabe obratnega Arhimedovega vijaka?

Išči po črki