Wasserraddesign für Wasserkraft

Wasserkraft ist eine Technologie, die die kinetische Energie von sich bewegendem Wasser in mechanische oder elektrische Energie umwandelt, und eines der frühesten Geräte, das verwendet wurde, um die Energie von sich bewegendem Wasser in nutzbare Arbeit umzuwandeln, war das Wasserrad-Design. p>

Das Design von Wasserrädern hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, wobei einige Wasserräder vertikal ausgerichtet sind, einige horizontal und einige mit komplizierten Riemenscheiben und Zahnrädern, aber sie sind alle so konzipiert, dass sie die gleiche Funktion erfüllen, und das heißt auch, “umwandeln die lineare Bewegung des Wasser in eine Drehbewegung versetzen, die verwendet werden kann, um jedes mit ihm verbundene Maschinenteil über eine rotierende Welle anzutreiben”.

Typisches Wasserrad-Design

Frühes Wasserrad-Designwaren ziemlich primitive und einfache Maschinen, die aus einem vertikalen Holzrad mit Holzschaufeln oder Eimern bestanden, die gleichmäßig um ihren Umfang herum befestigt waren und alle auf einer horizontalen Welle getragen wurden, wobei die Kraft des darunter fließenden Wassers das Rad in tangentialer Richtung gegen die Schaufeln drückte. p>

Diese vertikalen Wasserräder waren dem früheren horizontalen Wasserraddesign der alten Griechen und Ägypter weit überlegen, weil sie effizienter arbeiten konnten, indem sie die hydrokinetische Energie des sich bewegenden Wassers in mechanische Kraft umwandelten. Riemenscheiben und Getriebe wurden dann am Wasserrad angebracht, was eine Richtungsänderung einer rotierenden Welle von horizontal zu vertikal ermöglichte, um Mühlsteine ​​zu betreiben, Holz zu sägen, Erz zu zerkleinern, zu stanzen und zu schneiden usw.

Arten des Wasserraddesigns

Die meisten Wasserräder sind auch als Wassermühlen oder einfach Wasserräder bekannt, sind vertikal montierte Räder, die sich um eine horizontale Achse drehen, und diese Arten von Wasserrädern werden nach der Art und Weise klassifiziert, in der das Wasser relativ zur Radachse auf das Rad aufgebracht wird. Wie zu erwarten, sind Wasserräder relativ große Maschinen, die sich mit niedrigen Winkelgeschwindigkeiten drehen und aufgrund von Reibungsverlusten und unvollständiger Füllung der Eimer usw. einen geringen Wirkungsgrad haben.

Die Wirkung des Wassers, das gegen die Schaufeln oder Schaufeln der Räder drückt, entwickelt ein Drehmoment an der Achse, aber indem das Wasser von verschiedenen Positionen auf dem Rad auf diese Schaufeln und Schaufeln gerichtet wird, können die Rotationsgeschwindigkeit und ihre Effizienz verbessert werden. Die beiden häufigsten Arten von Wasserradkonstruktionen sind das "Unterschlächtige Wasserrad" und das “oberschlächtige Wasserrad”.

Das unterschlächtige Wasserrad

Design des unterschlächtigen Wasserrads

Das Unterschlächtige Wasserrad-Design, auch bekannt als “Stromrad” war die am häufigsten verwendete Art von Wasserrad, die von den alten Griechen und Römern entworfen wurde, da es die einfachste, billigste und am einfachsten zu konstruierende Art von Rad ist.

Bei dieser Art von Wasserradkonstruktion wird das Rad einfach direkt in einen schnell fließenden Fluss gestellt und von oben gestützt. Die Bewegung des Wassers darunter erzeugt eine Druckwirkung gegen die eingetauchten Paddel am unteren Teil des Rads, wodurch es sich nur in einer Richtung relativ zur Richtung des Wasserflusses drehen kann.

Diese Art der Wasserradkonstruktion wird im Allgemeinen in flachen Gebieten ohne natürliches Gefälle des Landes oder dort verwendet, wo der Wasserfluss ausreichend schnell fließt. Verglichen mit den anderen Wasserraddesigns ist diese Art von Design sehr ineffizient, da nur 20 % der potenziellen Energie des Wassers verwendet werden, um das Rad tatsächlich zu drehen. Außerdem wird die Energie des Wassers nur einmal zum Drehen des Rades verwendet und fließt dann mit dem Rest des Wassers ab.

Ein weiterer Nachteil des unterschlächtigen Wasserrads ist, dass es große Wassermengen benötigt, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen . Daher werden unterschlächtige Wasserräder meist an Flussufern aufgestellt, da kleinere Bäche oder Bäche nicht genügend potentielle Energie im bewegten Wasser haben.

Eine Möglichkeit, die Effizienz eines unterschlächtigen Wasserrads leicht zu verbessern, besteht darin, einen Prozentsatz des Wassers im Fluss entlang eines schmalen Kanals oder Kanals umzuleiten, sodass 100 % des umgeleiteten Wassers zum Drehen des Rads verwendet werden. Um dies zu erreichen, muss das unterschlächtige Rad schmal sein und sehr genau in den Kanal passen, um zu verhindern, dass das Wasser an den Seiten entweicht, oder indem entweder die Anzahl oder Größe der Paddel erhöht wird.

Das oberschlächtige Wasserrad

Design des oberschlächtigen Wasserrads

Das Oberschlächtige Wasserrad-Design ist die häufigste Art von Wasserrad-Design. Das oberschlächtige Wasserrad ist in seiner Konstruktion und Konstruktion komplizierter als das vorherige unterschlächtige Wasserrad, da es Eimer oder kleine Fächer verwendet, um das Wasser sowohl aufzufangen als auch zu halten.

Diese Eimer füllen sich mit Wasser, das durch eine Druckrohrleitung oben auf das Rad fließt. Das Gravitationsgewicht des Wassers in den vollen Eimern bewirkt, dass sich das Rad um seine Mittelachse dreht, während die leeren Eimer auf der anderen Seite des Rades leichter werden.

Diese Art von Wasserrad nutzt die Schwerkraft, um die Leistung zu verbessern sowie das Wasser selbst, daher sind oberschlächtige Wasserräder viel effizienter als unterschlächtige Konstruktionen, da fast das gesamte Wasser und sein Gewicht zur Erzeugung von Ausgangsleistung verwendet werden. Die Wasserenergie wird jedoch nach wie vor nur einmal zum Drehen des Rades verwendet und fließt dann mit dem restlichen Wasser ab.

Oberschlächtige Wasserräder werden über einem Fluss oder Bach aufgehängt und im Allgemeinen an den Seiten von Hügeln gebaut, um eine Wasserversorgung von oben mit einer niedrigen Fallhöhe (der vertikale Abstand zwischen dem Wasser oben und dem Fluss oder Bach unten) von zwischen 5 zu gewährleisten -20 Meter. Ein kleiner Damm oder Wehr kann gebaut und verwendet werden, um das Wasser zur Spitze des Rades zu leiten und zu beschleunigen, wodurch es mehr Energie erhält, aber es ist eher die Wassermenge als seine Geschwindigkeit, die dazu beiträgt, das Rad zu drehen.

Im Allgemeinen werden oberschlächtige Wasserräder so groß wie möglich gebaut, um dem Gravitationsgewicht des Wassers den größtmöglichen Kopfabstand zu geben, um das Rad zu drehen. Wasserräder mit großem Durchmesser sind jedoch aufgrund des Gewichts des Rads und des Wassers komplizierter und teurer in der Konstruktion.

Wenn die einzelnen Eimer mit Wasser gefüllt werden, bewirkt die Gewichtskraft des Wassers, dass sich das Rad in Richtung des Wasserflusses dreht. Je näher der Drehwinkel dem Boden des Rades kommt, desto mehr fließt das Wasser im Eimer in den darunter liegenden Fluss oder Bach, aber das Gewicht der dahinter rotierenden Eimer bewirkt, dass das Rad mit seiner Rotationsgeschwindigkeit fortfährt.

Sobald der Eimer leer ist, dreht er sich um das rotierende Rad herum, bis er wieder oben ankommt und bereit ist, mit mehr Wasser gefüllt zu werden, und der Zyklus wiederholt sich. Einer der Nachteile eines oberschlächtigen Wasserraddesigns besteht darin, dass das Wasser nur einmal verwendet wird, wenn es über das Rad fließt.

Das Pitchback-Wasserrad-Design

Pitchback-Wasserrad-Design

Das Pitchback Waterwheel Designist eine Variation des vorherigen oberschlächtigen Wasserrads, da es auch das Gravitationsgewicht des Wassers nutzt, um das Rad zu drehen, aber es nutzt auch den Fluss des darunter liegenden Abwassers, um einen zusätzlichen Schub zu geben. Bei dieser Art von Wasserradkonstruktion wird ein Zulaufsystem mit niedriger Förderhöhe verwendet, das das Wasser in der Nähe der Oberseite des Rads von einem darüber liegenden Pentrog liefert.

Im Gegensatz zum oberschlächtigen Wasserrad, das das Wasser direkt über das Rad leitete, wodurch es sich in Richtung des Wasserflusses drehte, leitet das Pitchback-Wasserrad das Wasser vertikal nach unten durch einen Trichter und in den darunter liegenden Eimer, wodurch sich das Rad in die entgegengesetzte Richtung dreht Richtung zum Fluss des Wassers oben.

Genau wie beim vorherigen oberschlächtigen Wasserrad bewirkt das Gravitationsgewicht des Wassers in den Eimern, dass sich das Rad dreht, jedoch gegen den Uhrzeigersinn. Wenn sich der Drehwinkel der Unterseite des Rads nähert, entleert sich das in den Eimern eingeschlossene Wasser nach unten. Wenn der leere Eimer am Rad befestigt ist, dreht er sich wie zuvor mit dem Rad weiter, bis er wieder oben ankommt und bereit ist, mit mehr Wasser gefüllt zu werden, und der Zyklus wiederholt sich.

Der Unterschied diesmal ist, dass das aus dem rotierenden Eimer entleerte Abwasser in Richtung des rotierenden Rades abfließt (da es nirgendwo anders hin kann), ähnlich wie beim Prinzip des unterschlächtigen Wasserrads. Der Hauptvorteil des Pitchback-Wasserrads besteht also darin, dass es die Energie des Wassers zweimal nutzt, einmal von oben und einmal von unten, um das Rad um seine Mittelachse zu drehen.

Das Ergebnis ist, dass die Effizienz des Wasserraddesigns stark auf über 80 % der Wasserenergie erhöht wird, da es sowohl durch das Schwergewicht des einströmenden Wassers als auch durch die Kraft oder den Druck des Wassers, das von oben in die Eimer geleitet wird, angetrieben wird sowie der Abwasserstrom, der unten gegen die Eimer drückt. Der Nachteil eines Pitchback-Wasserrads ist jedoch, dass es eine etwas komplexere Wasserversorgungsanordnung direkt über dem Rad mit Rutschen und Pentrögen benötigt.

Das Breastshot-Wasserrad-Design

Breastshot-Wasserrad-Design

Das Breastshot-Wasserrad-Designist ein weiteres vertikal montiertes Wasserrad, bei dem das Wasser etwa auf halber Höhe auf Achshöhe oder knapp darüber in die Eimer eintritt und dann unten in Drehrichtung der Räder abfließt. Im Allgemeinen wird das Brustwasserrad in Situationen verwendet, in denen die Wassersäule nicht ausreicht, um ein oberschlächtiges oder Pitchback-Wasserrad von oben anzutreiben.

Der Nachteil hier ist, dass das Gravitationsgewicht von Das Wasser wird nur für etwa ein Viertel der Umdrehung verwendet, im Gegensatz zu früher, die für die Hälfte der Umdrehung war. Um diese niedrige Fallhöhe zu überwinden, werden die Schaufeln der Wasserräder breiter gemacht, um die erforderliche Menge an potenzieller Energie aus dem Wasser zu extrahieren.

Brustschuss-Wasserräder verwenden ungefähr das gleiche Gravitationsgewicht des Wassers, um das Rad zu drehen, aber da die Kopfhöhe des Wassers etwa halb so hoch ist wie bei einem typischen oberschlächtigen Wasserrad, sind die Eimer viel breiter als frühere Wasserradkonstruktionen, um das Wasservolumen zu erhöhen in den Eimern gefangen.

Der Nachteil dieser Konstruktionsart ist eine Zunahme der Breite und des Gewichts des Wassers, das von jedem Eimer getragen wird. Wie beim Pitchback-Design nutzt das Breastshot-Rad die Energie des Wassers doppelt, da das Wasserrad so konstruiert ist, dass es im Wasser sitzt und das Abwasser die Drehung des Rads unterstützt, wenn es stromabwärts abfließt.

Stromerzeugung mit einem Wasserrad

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In der Vergangenheit wurden Wasserräder zum Mahlen von Mehl, Getreide und anderen mechanischen Aufgaben verwendet. Aber Wasserräder können auch zur Stromerzeugung verwendet werden, ein sogenanntes Hydro Power-System.

Durch den Anschluss eines elektrischen Generators an die rotierende Welle des Wasserrads, entweder direkt oder indirekt über Antriebsriemen und Riemenscheiben, können Wasserräder im Gegensatz zu Solarenergie 24 Stunden am Tag kontinuierlich Strom erzeugen. Wenn das Wasserrad richtig konstruiert ist, kann ein kleines oder “Mikro” Das Wasserkraftsystem kann genug Strom erzeugen, um die Beleuchtung und/oder Elektrogeräte in einem durchschnittlichen Haushalt zu betreiben.

Suchen Sie nach Wasserradgeneratorenentwickelt, um seine optimale Leistung bei relativ niedrigen Geschwindigkeiten zu erzielen. Für kleine Projekte kann ein kleiner Gleichstrommotor als Generator mit niedriger Drehzahl oder als Fahrzeuglichtmaschine verwendet werden, aber diese sind für den Betrieb mit viel höheren Drehzahlen ausgelegt, sodass möglicherweise eine Art Getriebe erforderlich ist. Ein Windturbinengenerator ist ein idealer Wasserradgenerator, da er für den Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit und hoher Leistung ausgelegt ist.

Wenn es in der Nähe Ihres Hauses oder Gartens einen ziemlich schnell fließenden Fluss oder Bach gibt, den Sie nutzen können, dann kann ein kleines Wasserkraftsystem eine bessere Alternative zu anderen Formen erneuerbarer Energiequellen wie „Windenergie“ sein ; oder “Solarenergie” da es viel weniger visuelle Wirkung hat. Ebenso wie Wind- und Solarenergie kann mit einem netzgekoppelten kleinen Wasserrad-Generatorsystem, das an das örtliche Versorgungsnetz angeschlossen ist, jeder Strom, den Sie erzeugen, aber nicht nutzen, an das Elektrizitätsunternehmen zurückverkauft werden.

Im nächsten Tutorial über Wasserkraft werden wir uns die verschiedenen verfügbaren Turbinentypen ansehen, die wir an unserem Wasserraddesign für die Wasserkrafterzeugung anbringen könnten. Für weitere Informationen über das Wasserrad-Design und wie Sie Ihren eigenen Strom mit der Kraft des Wassers erzeugen oder mehr Informationen über Wasserkraft über die verschiedenen verfügbaren Wasserrad-Designs erhalten oder die Vor- und Nachteile der Wasserkraft erkunden können, Dann klicken Sie hier, um noch heute Ihr Exemplar bei Amazon über die Prinzipien und den Aufbau von Wasserrädern zu bestellen, die zur Stromerzeugung verwendet werden können.