Rueda de agua - Water wheel

Una histórica rueda de agua sobrecargada en Welzheim , Alemania
El sonido de la rueda hidráulica Otley, en el Museo de Ciencia e Industria de Manchester

Una rueda de agua es una máquina para convertir la energía del agua que fluye o cae en formas útiles de energía, a menudo en un molino de agua . Una rueda hidráulica consiste en una rueda (generalmente construida de madera o metal), con una serie de palas o cubos dispuestos en el borde exterior que forman el automóvil de conducción.

Las ruedas hidráulicas todavía se usaban comercialmente hasta bien entrado el siglo XX, pero ya no son de uso común. Los usos incluían la molienda de harina en molinos , trituración de madera en pulpa para la fabricación de papel , martillado de hierro forjado , mecanizado, trituración de minerales y triturado de fibras para su uso en la fabricación de telas .

Algunas ruedas hidráulicas se alimentan con agua de un estanque de molino, que se forma cuando se represa una corriente que fluye . Un canal para el agua que fluye hacia o desde una rueda de agua se llama carrera de molino . La carrera que lleva el agua del estanque del molino a la rueda de agua es una carrera de cabeza ; el que lleva agua después de haber dejado la rueda se conoce comúnmente como rampa de cola .

A mediados y finales del siglo XVIII , la investigación científica de John Smeaton sobre la rueda hidráulica condujo a aumentos significativos en la eficiencia al suministrar energía muy necesaria para la Revolución Industrial .

Ruedas de agua comenzó a ser desplazado por el más pequeño, menos costoso y más eficiente de la turbina , desarrollado por Benoît Fourneyron , comenzando con su primer modelo en 1827. Las turbinas son capaces de manejar altas cabezas , o elevaciones , que exceden la capacidad de las ruedas hidráulicas-prácticos de tamaño.

La principal dificultad de las ruedas hidráulicas es su dependencia del agua corriente, lo que limita su ubicación. Las represas hidroeléctricas modernas pueden considerarse descendientes de la rueda hidráulica, ya que también aprovechan el movimiento del agua cuesta abajo.

Tipos

Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos:

  • una rueda horizontal con un eje vertical; o
  • una rueda vertical con un eje horizontal.

Este último se puede subdividir de acuerdo con el lugar donde el agua golpea la rueda en ruedas de tiro de fondo (inclinación hacia atrás), tiro de pecho, tiro inferior y ruedas de corriente. El término "underhot" puede referirse a cualquier rueda donde el agua pasa por debajo de la rueda, pero por lo general implica que la entrada de agua es baja en la rueda.

Las ruedas hidráulicas de rebote y rebote se utilizan normalmente cuando la diferencia de altura disponible es de más de un par de metros. Ruedas Breastshot son más adecuadas para grandes flujos con un moderado cabeza . La rueda inferior y la rueda de flujo utilizan grandes caudales con poca o ninguna cabeza.

A menudo hay un estanque de molino asociado , un depósito para almacenar agua y, por lo tanto, energía hasta que se necesite. Las cabezas más grandes almacenan más energía potencial gravitacional para la misma cantidad de agua, por lo que los depósitos de las ruedas de rebote y contratiro tienden a ser más pequeños que los de las ruedas de golpe de pecho.

Las ruedas hidráulicas de rebote y cabeceo son adecuadas donde hay un pequeño arroyo con una diferencia de altura de más de 2 metros (6,5 pies), a menudo en asociación con un pequeño depósito. Las ruedas Breastshot y Underhot se pueden utilizar en ríos o caudales de gran volumen con grandes depósitos.

Resumen de tipos

Eje vertical también conocido como molinos de tina o nórdicos.
  • Rueda horizontal con eje vertical
  • Un chorro de agua golpea las cuchillas montadas en el eje.
  • Superficies de conducción: cuchillas
  • Agua: volumen bajo, cabeza alta
  • Eficiencia - pobre
Diagrama del molino de agua de eje vertical
Stream (también conocido como superficie libre ). Las ruedas de barco son un tipo de rueda de corriente.
  • Rueda vertical con eje horizontal
  • La parte inferior de la rueda se coloca en agua corriente.
  • Superficies de conducción - cuchillas - planas antes del siglo XVIII, curvas a partir de entonces
  • Agua: volumen muy grande, sin espuma
  • Eficiencia: alrededor del 20% antes del siglo XVIII y más tarde del 50 al 60%
Diagrama de la rueda hidráulica de chorro de agua
Underhot
  • Rueda vertical con eje horizontal
  • El agua golpea la rueda hacia abajo, generalmente en el cuarto inferior.
  • Superficies de conducción - cuchillas - planas antes del siglo XVIII, curvas a partir de entonces
  • Agua: gran volumen, baja carga
  • Eficiencia: alrededor del 20% antes del siglo XVIII y más tarde del 50 al 60%
Diagrama de la rueda hidráulica inferior que muestra la carrera de cabeza, la de cola y el agua
Pecho
  • Rueda vertical con eje horizontal
  • El agua golpea la rueda aproximadamente en el centro, típicamente entre un cuarto y tres cuartos de la altura.
  • Superficies de conducción (cubos) cuidadosamente formadas para garantizar que el agua entre sin problemas
  • Agua: gran volumen, volumen moderado
  • Eficiencia: 50 a 60%
Diagrama de la rueda hidráulica de Breastshot que muestra la carrera de cabeza, la de cola y el agua
Overshot
  • Rueda vertical con eje horizontal
  • El agua golpea cerca de la parte superior de la rueda y delante del eje, de modo que se aleja de la carrera de la cabeza.
  • Superficies de conducción: cangilones
  • Agua: volumen bajo, cabeza grande
  • Eficiencia: 80 a 90%
Diagrama de la rueda hidráulica sobrecargada que muestra la carrera de cabeza, la de cola, el agua y el derrame
Backshot (también conocido como pitchback)
  • Rueda vertical con eje horizontal
  • El agua golpea cerca de la parte superior de la rueda y antes del eje, de modo que gira hacia la carrera de la cabeza.
  • Superficies de conducción: cangilones
  • Agua: volumen bajo, cabeza grande
  • Eficiencia: 80 a 90%
Diagrama de la rueda hidráulica de retroceso que muestra la carrera de cabeza, la de cola, el agua y el derrame

Eje vertical

Molino de agua de eje vertical

Una rueda horizontal con un eje vertical.

Comúnmente llamada rueda de tina , molino nórdico o molino griego , la rueda horizontal es una forma primitiva e ineficiente de la turbina moderna. Sin embargo, si entrega la potencia requerida, la eficiencia es de importancia secundaria. Por lo general, se monta dentro de un edificio de molino debajo del piso de trabajo. Se dirige un chorro de agua a las paletas de la rueda hidráulica, haciendo que giren. Este es un sistema simple, generalmente sin engranajes, de modo que el eje vertical de la rueda hidráulica se convierte en el eje de transmisión del molino.

Arroyo

Noria de chorro de agua

Una rueda de agua es una rueda de agua montada verticalmente que es rotada por el agua en un curso de agua golpeando paletas o palas en la parte inferior de la rueda. Este tipo de rueda hidráulica es el tipo más antiguo de rueda de eje horizontal. También se conocen como ruedas de superficie libre porque el agua no está restringida por las carreras de molinos o el foso de las ruedas.

Las ruedas Stream son más baratas y sencillas de construir, y tienen menos impacto medioambiental que otro tipo de rueda. No constituyen un cambio importante del río. Sus desventajas son su baja eficiencia, lo que significa que generan menos energía y solo pueden usarse donde el caudal sea suficiente. Una rueda inferior de tabla plana típica utiliza aproximadamente el 20 por ciento de la energía en el flujo de agua que golpea la rueda según lo medido por el ingeniero civil inglés John Smeaton en el siglo XVIII. Las ruedas más modernas tienen una mayor eficiencia.

Las ruedas de corriente obtienen poca o ninguna ventaja de la cabeza, una diferencia en el nivel del agua.

Las ruedas de corriente montadas en plataformas flotantes a menudo se denominan ruedas de cadera y el molino como molino de barco . A veces se montaban inmediatamente aguas abajo de los puentes donde la restricción de flujo de los pilares del puente aumentaba la velocidad de la corriente.

Históricamente fueron muy ineficientes, pero se lograron avances importantes en el siglo XVIII.

Rueda inferior

Rueda hidráulica de abajo que muestra la carrera hacia la cabeza, la carrera de cola y el agua

Una rueda inferior es una rueda hidráulica montada verticalmente con un eje horizontal que el agua hace girar desde un vertedero bajo que golpea la rueda en el cuarto inferior. La mayor parte de la ganancia de energía proviene del movimiento del agua y comparativamente poca de la cabeza. Son similares en funcionamiento y diseño a las ruedas de flujo.

El término infracción a veces se usa con significados relacionados pero diferentes:

  • todas las ruedas donde el agua pasa debajo de la rueda
  • ruedas por donde entra el agua en el cuarto inferior.
  • ruedas donde se colocan paletas en el flujo de un arroyo. Vea el flujo de arriba.

Este es el tipo más antiguo de rueda hidráulica vertical.

Rueda de pecho

Noria de agua Breastshot que muestra la carrera de cabeza, la carrera de cola y el agua

La palabra pecho se utiliza de diversas formas. Algunos autores restringen el término a ruedas donde el agua entra aproximadamente a las 10 en punto, otros a las 9 en punto y otros para un rango de alturas. En este artículo, se utiliza para ruedas en las que la entrada de agua está significativamente por encima de la parte inferior y significativamente por debajo de la parte superior, normalmente la mitad central.

Se caracterizan por:

  • cubos cuidadosamente formados para minimizar la turbulencia cuando el agua entra
  • cubos ventilados con agujeros en el lateral para permitir que el aire escape cuando el agua entra
  • un "delantal" de mampostería que se ajusta estrechamente a la cara de la rueda, que ayuda a contener el agua en los cubos a medida que avanzan hacia abajo

Se utilizan tanto la energía cinética (movimiento) como la potencial (altura y peso).

El pequeño espacio entre la rueda y la mampostería requiere que una rueda de pecho tenga un buen estante para basura ('pantalla' en inglés británico) para evitar que los escombros se atasquen entre la rueda y el faldón y puedan causar daños graves.

Las ruedas Breastshot son menos eficientes que las ruedas overshot y backshot, pero pueden manejar altos índices de flujo y, en consecuencia, alta potencia. Se prefieren para flujos constantes de alto volumen, como los que se encuentran en la línea de caída de la costa este de América del Norte. Las ruedas Breastshot son el tipo más común en los Estados Unidos de América y se dice que impulsaron la revolución industrial.

Rueda de sobreimpulso

Noria de agua sobrecargada que muestra la carrera de carga, la carrera de cola, el agua y el derrame

Se dice que una rueda de agua montada verticalmente que gira cuando el agua entra en cubos justo después de la parte superior de la rueda está sobrepasada. El término se aplica a veces, erróneamente, a las ruedas traseras, donde el agua baja detrás del volante.

Una rueda de sobreimpulso típica tiene el agua canalizada hacia la rueda en la parte superior y un poco más allá del eje. El agua se acumula en los cubos de ese lado de la rueda, haciéndola más pesada que el otro lado "vacío". El peso hace girar la rueda y el agua fluye hacia el agua de la cola cuando la rueda gira lo suficiente como para invertir los cubos. El diseño de sobreimpulso es muy eficiente, puede alcanzar el 90% y no requiere un flujo rápido.

Casi toda la energía se obtiene del peso del agua que se baja a la pista de cola, aunque la energía cinética del agua que entra en la rueda puede hacer una pequeña contribución. Se adaptan a cabezas más grandes que el otro tipo de rueda, por lo que son ideales para terrenos montañosos. Sin embargo, incluso la rueda de agua más grande, la Laxey Wheel en la Isla de Man , solo utiliza una altura de alrededor de 30 m (100 pies). Las turbinas principales más grandes del mundo, la central hidroeléctrica de Bieudron en Suiza , utilizan aproximadamente 1.869 m (6.132 pies).

Las ruedas Overshot requieren una cabeza grande en comparación con otros tipos de ruedas, lo que generalmente significa una inversión significativa en la construcción de la carrera de la cabeza. A veces, el acercamiento final del agua a la rueda es por un canal o compuerta , que puede ser largo.

Rueda de retroceso

Rueda hidráulica de retroceso que muestra la carrera de cabeza, la de cola, el agua y el derrame

Una rueda de retroceso (también llamada inclinación hacia atrás ) es una variedad de rueda de retroceso donde el agua se introduce justo antes de la cima de la rueda. En muchas situaciones, tiene la ventaja de que la parte inferior de la rueda se mueve en la misma dirección que el agua en la pista de cola, lo que la hace más eficiente. También funciona mejor que una rueda sobrecargada en condiciones de inundación cuando el nivel del agua puede sumergir la parte inferior de la rueda. Continuará girando hasta que el agua en el hueco de la rueda suba bastante alto en la rueda. Esto hace que la técnica sea particularmente adecuada para corrientes que experimentan variaciones significativas en el flujo y reduce el tamaño, la complejidad y, por lo tanto, el costo de la carrera de cola.

La dirección de rotación de una rueda de tiro trasero es la misma que la de una rueda de pecho, pero en otros aspectos es muy similar a la rueda de tiro trasero. Vea abajo.

Híbrido

Overshot y backshot

Una de las ruedas de agua de Finch Foundry.

Algunas ruedas se sobrepasan en la parte superior y en la parte inferior en la parte inferior, combinando potencialmente las mejores características de ambos tipos. La fotografía muestra un ejemplo en Finch Foundry en Devon, Reino Unido. La pista principal es la estructura de madera del techo y una rama a la izquierda suministra agua a la rueda. El agua sale de debajo de la rueda y vuelve al arroyo.

Reversible

El Anderson Mill of Texas está subestimado, retrocedido y superado utilizando dos fuentes de agua. Esto permite invertir la dirección de la rueda.

Un tipo especial de rueda de rebote / rebote es la rueda hidráulica reversible. Tiene dos juegos de cuchillas o cubos que se mueven en direcciones opuestas, de modo que puede girar en cualquier dirección dependiendo de qué lado se dirija el agua. En la industria minera se utilizaron ruedas reversibles para impulsar diversos medios de transporte de mineral. Al cambiar la dirección de la rueda, los barriles o cestas de mineral podrían elevarse o bajarse por un eje o plano inclinado. Por lo general, había un tambor de cable o una canasta de cadena en el eje de la rueda. Es fundamental que la rueda cuente con un equipo de frenado para poder detener la rueda (lo que se conoce como rueda de frenado). El dibujo más antiguo conocido de una rueda hidráulica reversible fue de Georgius Agricola y data de 1556.

Historia

Como en toda maquinaria, el movimiento rotatorio es más eficiente en los dispositivos de elevación de agua que en los oscilantes. En términos de fuente de energía, las ruedas hidráulicas se pueden girar por la fuerza humana o animal o por la propia corriente de agua. Las ruedas hidráulicas vienen en dos diseños básicos, equipados con un eje vertical u horizontal. El último tipo se puede subdividir, dependiendo de dónde golpee el agua con las paletas de las ruedas, en ruedas de sobreimpulso, de pecho y de bajo alcance. Las dos funciones principales de las ruedas hidráulicas fueron históricamente la extracción de agua con fines de riego y la molienda, en particular de grano. En el caso de los molinos de eje horizontal, se requiere un sistema de engranajes para la transmisión de potencia, que los molinos de eje vertical no necesitan.

mundo occidental

Mundo grecorromano

Los antiguos griegos inventaron la rueda hidráulica y fueron, junto con los romanos , los primeros en usarla en casi todas las formas y funciones descritas anteriormente, incluida su aplicación para el molido de agua. El avance tecnológico se produjo en el período helenístico técnicamente avanzado y científico entre los siglos III y I a.C.

Levantamiento de agua
Secuencia de ruedas encontradas en minas de Rio Tinto

La rueda hidráulica compartimentada se presenta en dos formas básicas, la rueda con cuerpo compartimentado ( tímpano latino ) y la rueda con borde compartimentado o un borde con contenedores adjuntos separados. Las ruedas pueden ser giradas por hombres que pisan su exterior o por animales por medio de un engranaje sakia . Si bien el tímpano tenía una gran capacidad de descarga, podía levantar el agua solo a menos de la altura de su propio radio y requería un gran par de torsión para girar. Estas deficiencias de construcción fueron superadas por la rueda con una llanta compartimentada que era un diseño menos pesado con una elevación más alta.

La primera referencia literaria a una rueda compartimentada accionada por agua aparece en el tratado técnico Pneumatica (capítulo 61) del ingeniero griego Filón de Bizancio (ca. 280-220 a. C.). En su Parasceuastica (91.43-44), Philo aconseja el uso de tales ruedas para sumergir las minas de asedio como medida defensiva contra el debilitamiento del enemigo. Las ruedas compartimentadas parecen haber sido el medio preferido para drenar los diques secos en Alejandría bajo el reinado de Ptolomeo IV (221-205 a. C.). Varios papiros griegos de los siglos III al II a.C. mencionan el uso de estas ruedas, pero no dan más detalles. La inexistencia del dispositivo en el Antiguo Cercano Oriente antes de la conquista de Alejandro se puede deducir de su pronunciada ausencia de la rica iconografía oriental sobre las prácticas de riego. Sin embargo, a diferencia de otros dispositivos de elevación de agua y bombas de la época, la invención de la rueda compartimentada no se puede atribuir a ningún ingeniero helenístico en particular y puede haber sido realizada a finales del siglo IV a.C.en un contexto rural lejos de la metrópoli de Alejandría.

Rueda de drenaje de las minas de Rio Tinto

La primera representación de una rueda compartimentada es de una pintura de una tumba en el Egipto ptolemaico que data del siglo II a. C. Muestra un par de bueyes con yugo conduciendo la rueda a través de un engranaje sakia , que también está aquí por primera vez atestiguado. El sistema de engranajes sakia griego ya se muestra completamente desarrollado hasta el punto de que "los dispositivos egipcios modernos son prácticamente idénticos". Se supone que los científicos del Museo de Alejandría , en ese momento el centro de investigación griego más activo, pueden haber estado involucrados en su invención. Un episodio de la guerra de Alejandría en el 48 a. C. cuenta cómo los enemigos de César emplearon ruedas hidráulicas con engranajes para verter agua de mar desde lugares elevados en la posición de los romanos atrapados.

Alrededor del 300 d.C., finalmente se introdujo la noria cuando los compartimentos de madera fueron reemplazados por vasijas de cerámica de bajo costo que estaban atadas al exterior de una rueda de marco abierto.

Los romanos utilizaron ruedas hidráulicas de forma extensiva en proyectos mineros , con enormes ruedas hidráulicas de la época romana que se encuentran en lugares como la España actual . Eran ruedas hidráulicas sobredimensionadas invertidas diseñadas para deshidratar minas subterráneas profundas. Vitruvio describe varios de estos dispositivos , incluida la rueda hidráulica de rebasamiento inverso y el tornillo de Arquímedes . Muchos fueron encontrados durante la minería moderna en las minas de cobre de Rio Tinto en España , un sistema que involucra 16 ruedas de este tipo apiladas una encima de la otra para levantar agua a unos 80 pies del sumidero de la mina. Parte de una rueda de este tipo se encontró en Dolaucothi , una mina de oro romana en el sur de Gales en la década de 1930, cuando la mina se reabrió brevemente. Se encontró a unos 160 pies debajo de la superficie, por lo que debe haber sido parte de una secuencia similar a la descubierta en Rio Tinto. Recientemente se le ha fechado por carbono alrededor del año 90 d. C., y dado que la madera de la que se hizo es mucho más antigua que la mina profunda, es probable que los trabajos profundos estuvieran en funcionamiento quizás 30-50 años después. A partir de estos ejemplos de ruedas de drenaje que se encuentran en galerías subterráneas selladas en lugares muy separados, se desprende claramente que la construcción de ruedas hidráulicas estaba dentro de sus capacidades, y tales ruedas hidráulicas verticales se utilizan comúnmente para fines industriales.

Molienda de agua
Molino de agua con ruedas inferiores de Vitruvio (reconstrucción)

Teniendo en cuenta la evidencia indirecta del trabajo del técnico griego Apolonio de Perge , el historiador británico de la tecnología MJT Lewis fecha la aparición del molino de agua de eje vertical a principios del siglo III a.C., y el molino de agua de eje horizontal alrededor del 240 a.C. con Bizancio y Alejandría como lugares asignados de invención. Un molino de agua es reportado por el geógrafo griego Estrabón (ca. 64 aC-24) que han existido en algún momento antes de 71 aC en el palacio de la Pontiano rey Mitrídates VI Eupator , pero su construcción exacta no se puede extraer del texto (XII, 3 , 30 C 556).

La primera descripción clara de un molino de agua con engranajes la ofrece el arquitecto romano Vitruvio de finales del siglo I a.C., quien habla del sistema de engranajes sakia como aplicado a un molino de agua. El relato de Vitruvio es particularmente valioso porque muestra cómo surgió el molino de agua, es decir, mediante la combinación de las invenciones griegas separadas del engranaje dentado y la rueda hidráulica en un sistema mecánico eficaz para aprovechar la energía del agua. Se describe que la rueda hidráulica de Vitruvio está sumergida con su extremo inferior en el curso de agua para que sus paletas puedan ser impulsadas por la velocidad del agua corriente (X, 5.2).

Esquema del aserradero romano de Hierápolis , Asia Menor , impulsado por una rueda de pecho

Aproximadamente al mismo tiempo, la rueda rebasada aparece por primera vez en un poema de Antípatro de Tesalónica , que la alaba como un dispositivo que ahorra trabajo (IX, 418.4-6). El motivo también lo retoma Lucrecio (ca. 99-55 a. C.) que compara la rotación de la noria con el movimiento de las estrellas en el firmamento (V 516). El tercer tipo de eje horizontal, la rueda hidráulica de pecho, aparece como evidencia arqueológica a finales del siglo II d.C.en el contexto de la Galia central . La mayoría de los molinos de agua romanos excavados estaban equipados con una de estas ruedas que, aunque más complejas de construir, eran mucho más eficientes que la rueda hidráulica de eje vertical. En el complejo de molinos de agua de Barbegal del siglo II d.C. , un acueducto artificial alimentaba una serie de dieciséis ruedas sobrecargadas, una fábrica de cereales protoindustrial a la que se ha hecho referencia como "la mayor concentración conocida de potencia mecánica en el mundo antiguo".

En el norte de África romana , se encontraron varias instalaciones de alrededor del año 300 d.C. donde se instalaron ruedas hidráulicas de eje vertical equipadas con palas en ángulo en la parte inferior de un eje circular lleno de agua. El agua de la carrera del molino que entró tangencialmente al pozo creó una columna de agua arremolinada que hizo que la rueda completamente sumergida actuara como verdaderas turbinas de agua , las más antiguas conocidas hasta la fecha.

Navegación
Barco romano con ruedas de paletas de buey de una copia del siglo XV de De Rebus Bellicis

Además de su uso en la molienda y la elevación de agua, los ingenieros antiguos aplicaron la rueda hidráulica a paletas para autómatas y en la navegación. Vitruvio (X 9.5-7) describe ruedas de paletas de engranajes múltiples que funcionan como un odómetro de barco , el más antiguo de su tipo. La primera mención de las ruedas de paletas como medio de propulsión proviene del tratado militar de los siglos IV-V De Rebus Bellicis (capítulo XVII), donde el autor romano anónimo describe un buque de guerra con ruedas de paletas impulsado por bueyes.

Europa medieval temprana

La tecnología antigua de las ruedas hidráulicas continuó sin cesar en el período medieval temprano, donde la aparición de nuevos géneros documentales, como los códigos legales , las cartas monásticas , pero también la hagiografía, se acompañó de un fuerte aumento en las referencias a los molinos de agua y las ruedas.

La primera rueda vertical en un molino de mareas es de Killoteran del siglo VI cerca de Waterford , Irlanda , mientras que la primera rueda horizontal conocida en un molino de este tipo es de la Little Island irlandesa (c. 630). En cuanto al uso en un molino nórdico o griego común, las ruedas horizontales más antiguas conocidas se excavaron en el Ballykilleen irlandés, que data de c. 636.

La primera rueda de agua excavada impulsada por la energía de las mareas fue el molino del Monasterio de Nendrum en Irlanda del Norte, que data del 787, aunque un posible molino anterior data del 619. Los molinos de mareas se volvieron comunes en los estuarios con un buen rango de mareas en Europa y América en general. utilizando ruedas inferiores.

Rueda de agua que alimenta un pequeño molino de aldea en el Museo de Arquitectura y Vida Folklóricas, Uzhhorod , Ucrania

Los monasterios cistercienses , en particular, hicieron un uso extensivo de ruedas hidráulicas para impulsar molinos de agua de muchos tipos. Un ejemplo temprano de una rueda hidráulica muy grande es la rueda aún existente en el Real Monasterio de Nuestra Señora de Rueda de principios del siglo XIII , un monasterio cisterciense en la región española de Aragón . Los molinos de molienda (para maíz) eran sin duda los más comunes, pero también había aserraderos, batanes y molinos para cumplir muchas otras tareas intensivas en mano de obra. La rueda hidráulica siguió siendo competitiva con la máquina de vapor hasta bien entrada la Revolución Industrial . Alrededor del siglo VIII al X, se introdujeron en España una serie de tecnologías de riego y, por lo tanto, se introdujeron en Europa. Una de esas tecnologías es la Noria, que es básicamente una rueda equipada con cubos en los periféricos para levantar agua. Es similar a la rueda hidráulica inferior que se menciona más adelante en este artículo. Permitió a los campesinos impulsar los molinos de agua de manera más eficiente. Según el libro de Thomas Glick, Irrigación y sociedad en la Valencia medieval , la Noria probablemente se originó en algún lugar de Persia . Se ha utilizado durante siglos antes de que la tecnología fuera llevada a España por los árabes que la habían adoptado de los romanos. Así, la distribución de la Noria en la península Ibérica "se ajusta a la zona de asentamiento islámico estabilizado". Esta tecnología tiene un efecto profundo en la vida de los campesinos. El Noria es relativamente barato de construir. Por lo tanto, permitió a los campesinos cultivar la tierra de manera más eficiente en Europa. Junto con los españoles , la tecnología se extendió al Nuevo Mundo en México y Sudamérica tras la expansión española.

Inventario Domesday de molinos ingleses c. 1086

La asamblea convocada por Guillermo de Normandía , comúnmente conocida como la encuesta " Domesday " o Doomsday, hizo un inventario de todas las propiedades potencialmente gravables en Inglaterra, que incluía más de seis mil molinos repartidos en tres mil ubicaciones diferentes.

Ubicaciones

El tipo de rueda hidráulica seleccionada dependía de la ubicación. Por lo general, si solo se dispusiera de pequeños volúmenes de agua y grandes cascadas, un constructor de molinos optaría por utilizar una rueda giratoria . La decisión estuvo influenciada por el hecho de que los baldes podían atrapar y utilizar incluso un pequeño volumen de agua. Para grandes volúmenes de agua con pequeñas cascadas se habría utilizado la rueda inferior, ya que estaba más adaptada a tales condiciones y era más barata de construir. Mientras estos suministros de agua fueran abundantes, la cuestión de la eficiencia seguía siendo irrelevante. En el siglo XVIII, con el aumento de la demanda de energía junto con los locales de agua limitados, se hizo hincapié en el esquema de eficiencia.

Influencia económica

En el siglo XI, había partes de Europa donde la explotación del agua era algo común. Se entiende que la rueda de agua ha moldeado activamente y cambiado para siempre la perspectiva de los occidentales. Europa comenzó a transitar del trabajo muscular humano y animal al trabajo mecánico con la llegada de la rueda hidráulica. La medievalista Lynn White Jr. sostuvo que la propagación de fuentes de poder inanimadas era un testimonio elocuente del surgimiento en Occidente de una nueva actitud hacia el poder, el trabajo, la naturaleza y, sobre todo, la tecnología.

El aprovechamiento de la energía hidráulica permitió ganancias en la productividad agrícola, los excedentes de alimentos y la urbanización a gran escala que comenzó en el siglo XI. La utilidad de la energía hidráulica motivó experimentos europeos con otras fuentes de energía, como molinos de viento y mareomotrices. Las ruedas hidráulicas influyeron en la construcción de ciudades, más específicamente canales. Las técnicas que se desarrollaron durante este período inicial, como el bloqueo de arroyos y la construcción de canales , pusieron a Europa en un camino centrado hidráulicamente , por ejemplo, se combinó la tecnología de suministro de agua y riego para modificar la potencia de suministro de la rueda. Ilustrando hasta qué punto hubo un alto grado de innovación tecnológica que satisfizo las crecientes necesidades del estado feudal .

Aplicaciones de la rueda hidráulica

Molino de sello de mineral (detrás del trabajador que saca el mineral de la tolva). De Georg Agricola 's De Re Metallica (1556)

El molino de agua se usaba para moler granos, produciendo harina para pan, malta para cerveza o harina gruesa para papilla. Los molinos de martillos usaban la rueda para operar martillos. Un tipo era el batán , que se utilizaba para la confección de telas. El martillo de viaje también se usó para hacer hierro forjado y para trabajar el hierro en formas útiles, una actividad que por lo demás requería mucha mano de obra. La rueda hidráulica también se utilizó en la fabricación de papel , batiendo el material hasta convertirlo en pulpa. En el siglo XIII, los molinos de agua utilizados para martillar en toda Europa mejoraron la productividad de la primera fabricación de acero. Junto con el dominio de la pólvora, la energía hidráulica proporcionó a los países europeos en todo el mundo el liderazgo militar desde el siglo XV.

Europa de los siglos XVII y XVIII

Millwrights distinguió entre las dos fuerzas, impulso y peso, trabajando en ruedas hidráulicas mucho antes de la Europa del siglo XVIII. Fitzherbert, un escritor agrícola del siglo XVI, escribió "agita la rueda tanto con el peso del agua como con la fuerza [impulso]". Leonardo da Vinci también habló sobre el poder del agua, señalando que "el golpe [del agua] no es peso, sino que excita un poder de peso, casi igual a su propio poder". Sin embargo, incluso al darse cuenta de las dos fuerzas, el peso y el impulso, permaneció la confusión sobre las ventajas y desventajas de las dos, y no hubo una comprensión clara de la eficiencia superior del peso. Antes de 1750, no estaba seguro de qué fuerza era dominante y se entendía ampliamente que ambas fuerzas operaban con la misma inspiración entre sí. La rueda hidráulica provocó preguntas sobre las leyes de la naturaleza, específicamente las leyes de la fuerza . El trabajo de Evangelista Torricelli sobre ruedas hidráulicas utilizó un análisis del trabajo de Galileo sobre cuerpos que caen, que la velocidad del agua que brota de un orificio debajo de su cabeza era exactamente equivalente a la velocidad que adquiere una gota de agua al caer libremente desde la misma altura.

Europa industrial

Lady Isabella Wheel , Laxey, Isla de Man, utilizada para impulsar bombas de mina

La rueda hidráulica fue una fuerza impulsora detrás de las primeras etapas de industrialización en Gran Bretaña. Se utilizaron dispositivos alternativos accionados por agua en martillos de disparo y fuelles de altos hornos. La estructura de agua de Richard Arkwright fue impulsada por una rueda hidráulica.

La rueda hidráulica más poderosa construida en el Reino Unido fue la rueda hidráulica Quarry Bank Mill de 100 hp cerca de Manchester. Un diseño de tiro alto, fue retirado en 1904 y reemplazado por varias turbinas. Ahora ha sido restaurado y es un museo abierto al público.

La rueda hidráulica de trabajo más grande de Gran Bretaña continental tiene un diámetro de 15,4 m (51 pies) y fue construida por la empresa De Winton de Caernarfon. Se encuentra dentro de los talleres Dinorwic del National Slate Museum en Llanberis , Gales del Norte .

La rueda de agua en funcionamiento más grande del mundo es Laxey Wheel (también conocida como Lady Isabella ) en el pueblo de Laxey , Isla de Man . Tiene 72 pies y 6 pulgadas (22,10 m) de diámetro y 6 pies (1,83 m) de ancho y es mantenido por Manx National Heritage .

El desarrollo de turbinas hidráulicas durante la Revolución Industrial condujo a una disminución de la popularidad de las ruedas hidráulicas. La principal ventaja de las turbinas es que su capacidad para aprovechar la cabeza es mucho mayor que el diámetro de la turbina, mientras que una rueda hidráulica no puede aprovechar de manera efectiva una cabeza mayor que su diámetro. La migración de las ruedas hidráulicas a las turbinas modernas tomó alrededor de cien años.

Norteamérica

La rueda de suspensión con engranaje de llanta en Portland Basin Canal Warehouse

Las ruedas hidráulicas se utilizaron para alimentar aserraderos, molinos y para otros fines durante el desarrollo de los Estados Unidos. La rueda de agua de 40 pies (12 m) de diámetro en McCoy, Colorado , construida en 1922, es una de las muchas que extrajeron agua para riego del río Colorado .

Dos de las primeras mejoras fueron las ruedas de suspensión y el cambio de llanta. Las ruedas de suspensión están construidas de la misma manera que una rueda de bicicleta, la llanta se sostiene bajo tensión desde el buje, lo que conduce a ruedas más grandes y ligeras que el diseño anterior donde los radios pesados ​​estaban bajo compresión. El engranaje de la llanta implicaba agregar una rueda con muescas a la llanta o cubierta de la rueda. Un piñón acopló el engranaje de la llanta y llevó la potencia al molino utilizando un eje de línea independiente. Esto eliminó la tensión de rotación del eje que, por lo tanto, podría ser más liviano, y también permitió una mayor flexibilidad en la ubicación del tren de fuerza. La rotación del eje se incrementó con respecto a la de la rueda, lo que provocó una menor pérdida de potencia. Un ejemplo de este diseño iniciado por Thomas Hewes y refinado por William Armstrong Fairburn se puede ver en la rueda restaurada de 1849 en el Portland Basin Canal Warehouse .

Algo relacionado estaban las ruedas de pescado utilizadas en el noroeste de Estados Unidos y Alaska, que sacaban el salmón del flujo de los ríos.

porcelana

Dos tipos de bombas de cadena de accionamiento hidráulico del Tiangong Kaiwu de 1637, escritas por el enciclopedista de la dinastía Ming , Song Yingxing (1587-1666).

Es casi seguro que las ruedas hidráulicas chinas tienen un origen diferente, ya que las primeras existían invariablemente ruedas hidráulicas horizontales. Por lo menos en el siglo I d.C., los chinos de la dinastía Han del Este usaban ruedas hidráulicas para triturar granos en molinos y accionar los fuelles del pistón para forjar mineral de hierro en hierro fundido .

En el texto conocido como Xin Lun escrito por Huan Tan alrededor del año 20 d.C. (durante la usurpación de Wang Mang ), se afirma que el legendario rey mitológico conocido como Fu Xi fue el responsable del mortero y el mortero, que evolucionó hacia la inclinación. -martillo y luego dispositivo de martillo de disparo (ver martillo de disparo ). Aunque el autor habla del mitológico Fu Xi, un pasaje de su escritura da una pista de que la rueda de agua se usaba ampliamente en el siglo I d.C. en China ( ortografía Wade-Giles ):

Fu Hsi inventó el mortero, que es tan útil, y más tarde se mejoró hábilmente de tal manera que todo el peso del cuerpo podría usarse para pisar el martillo basculante ( tui ), aumentando así la eficiencia diez veces. Posteriormente se aplicó el poder de los animales, asnos, mulos, bueyes y caballos, mediante maquinaria, y se utilizó también la fuerza del agua para machacar, de modo que el beneficio se multiplicó por cien.

En el año 31 d.C., el ingeniero y prefecto de Nanyang , Du Shi (m. 38), aplicó un uso complejo de la rueda hidráulica y la maquinaria para accionar los fuelles del alto horno para crear hierro fundido . Du Shi se menciona brevemente en el Libro de Han Posterior ( Hou Han Shu ) de la siguiente manera (en ortografía Wade-Giles):

En el séptimo año del período de reinado de Chien-Wu (31 d.C.), Tu Shih fue designado Prefecto de Nanyang. Era un hombre generoso y sus políticas eran pacíficas; destruyó a los malhechores y estableció la dignidad (de su cargo). Bueno en la planificación, amaba a la gente común y deseaba ahorrar su trabajo. Inventó un reciprocador de energía hidráulica ( shui phai ) para la fundición de implementos agrícolas (de hierro). Aquellos que fundían y echaban ya tenían los fuelles para hacer estallar sus fuegos de carbón, y ahora se les instruyó para usar el chorro de agua ( chi shui ) para operarlo ... Así la gente obtuvo un gran beneficio por poco trabajo. Encontraron que los 'fuelles (alimentados por agua)' eran convenientes y lo adoptaron ampliamente.

Las ruedas hidráulicas en China encontraron usos prácticos como este, así como un uso extraordinario. El inventor chino Zhang Heng (78-139) fue el primero en la historia en aplicar la fuerza motriz al rotar el instrumento astronómico de una esfera armilar , mediante el uso de una rueda de agua. El ingeniero mecánico Ma Jun (c. 200-265) de Cao Wei utilizó una vez una rueda hidráulica para accionar y operar un gran teatro de marionetas mecánicas para el emperador Ming de Wei ( r. 226-239).

India

La historia temprana del molino de agua en la India es oscura. Los textos indios antiguos que datan del siglo IV a. C. se refieren al término cakkavattaka (rueda giratoria), que los comentarios explican como arahatta-ghati-yanta (máquina con potenciómetros adjuntos). Sobre esta base, Joseph Needham sugirió que la máquina era una noria . Terry S. Reynolds, sin embargo, sostiene que "el término utilizado en los textos indios es ambiguo y no indica claramente un dispositivo impulsado por agua". Thorkild Schiøler argumentó que es "más probable que estos pasajes se refieran a algún tipo de dispositivo de elevación de agua operado manualmente o por la banda de rodadura, en lugar de una rueda de elevación de agua impulsada por agua".

Según la tradición histórica griega, la India recibió molinos de agua del Imperio Romano a principios del siglo IV d.C. cuando un tal Metrodoros introdujo "molinos de agua y baños, desconocidos entre ellos [los brahmanes] hasta entonces". El agua de riego para los cultivos se proporcionó mediante el uso de ruedas elevadoras de agua, algunas impulsadas por la fuerza de la corriente en el río del que se extraía el agua. Este tipo de dispositivo de elevación de agua se utilizó en la antigua India , anterior, según Pacey, a su uso en el posterior Imperio Romano o China, aunque la primera evidencia literaria, arqueológica y pictórica de la rueda de agua apareció en el mundo helenístico.

Alrededor de 1150, el astrónomo Bhaskara Achārya observó ruedas elevadoras de agua e imaginó una rueda de este tipo levantando suficiente agua para reponer la corriente que la impulsa, efectivamente, a una máquina de movimiento perpetuo . La construcción de obras hidráulicas y los aspectos de la tecnología del agua en la India se describen en obras árabes y persas . Durante la época medieval, la difusión de las tecnologías de riego indias y persas dio lugar a un sistema de riego avanzado que compró el crecimiento económico y también ayudó en el crecimiento de la cultura material.

Mundo islámico

Los ingenieros árabes se hicieron cargo de la tecnología del agua de las sociedades hidráulicas del antiguo Cercano Oriente; adoptaron la rueda hidráulica ya en el siglo VII, la excavación de un canal en la región de Basora descubrió restos de una rueda hidráulica que data de este período. Hama en Siria aún conserva algunas de sus grandes ruedas , en el río Orontes , aunque ya no se utilizan. Uno de los más grandes tenía un diámetro de unos 20 metros (66 pies) y su borde estaba dividido en 120 compartimentos. Otra rueda que todavía está en funcionamiento se encuentra en Murcia en España , La Nora, y aunque la rueda original ha sido reemplazada por una de acero, el sistema morisco durante al-Andalus prácticamente no ha cambiado. Algunas ruedas hidráulicas compartimentadas islámicas medievales podían levantar agua hasta 30 metros (100 pies). Al-Razi 's Kitab al-Hawi en el siglo 10 describe una noria en Irak que podría levantar tanto como 153.000 litros por hora (34.000 imp gal / h), o 2.550 litros por minuto (560 imp gal / min ). Esto es comparable a la producción de las norias modernas en el este de Asia , que pueden levantar hasta 288.000 litros por hora (63.000 imp gal / h) o 4.800 litros por minuto (1.100 imp gal / min).

Rueda de agua en Djambi , Sumatra , c. 1918

Los usos industriales de los molinos de agua en el mundo islámico se remontan al siglo VII, mientras que los molinos de agua de ruedas horizontales y verticales eran de uso generalizado en el siglo IX. Se utilizaron una variedad de molinos de agua industriales en el mundo islámico, incluidos molinos , descascaradoras , aserraderos , aserraderos , molinos de sellos , molinos de acero , molinos de azúcar y molinos de mareas . En el siglo XI, todas las provincias del mundo islámico tenían estos molinos de agua industriales en funcionamiento, desde al-Andalus y el norte de África hasta Oriente Medio y Asia central . Los ingenieros musulmanes y cristianos también utilizaron cigüeñales y turbinas de agua , engranajes en molinos de agua y máquinas de levantamiento de agua , y presas como fuente de agua, que se utilizan para proporcionar energía adicional a los molinos de agua y las máquinas de levantamiento de agua. Las batatas y las acerías pueden haberse extendido desde la España islámica a la España cristiana en el siglo XII. También se emplearon molinos de agua industriales en grandes complejos fabriles construidos en al-Andalus entre los siglos XI y XIII.

Los ingenieros del mundo islámico desarrollaron varias soluciones para lograr el máximo rendimiento de una rueda hidráulica. Una solución fue montarlos en pilares de puentes para aprovechar el aumento del flujo. Otra solución fue el molino de barcos, un tipo de molino de agua impulsado por ruedas hidráulicas montadas en los costados de los barcos amarrados en medio de la corriente. Esta técnica se empleó a lo largo de los ríos Tigris y Éufrates en el Iraq del siglo X , donde grandes molinos de barcos hechos de teca y hierro podían producir 10 toneladas de harina de maíz todos los días para el granero en Bagdad . El mecanismo del volante , que se utiliza para suavizar la entrega de potencia de un dispositivo de accionamiento a una máquina accionada, fue inventado por Ibn Bassal ( fl. 1038-1075) de Al-Andalus ; fue pionero en el uso del volante en la saqiya ( bomba de cadena ) y noria. Los ingenieros Al-Jazari en el siglo XIII y Taqi al-Din en el siglo XVI describieron muchas máquinas ingeniosas para elevar agua en sus tratados tecnológicos. También emplearon ruedas de agua para alimentar una variedad de dispositivos, incluidos varios relojes de agua y autómatas .

Desarrollos modernos

Rueda Hidraulica

Un desarrollo reciente de la rueda de pecho es una rueda hidráulica que incorpora efectivamente sistemas de regulación automática. La Aqualienne es un ejemplo. Genera entre 37 kW y 200 kW de electricidad a partir de un flujo de agua de 20 m 3 (710 pies cúbicos) con una altura de 1 a 3,5 m (3 a 11 pies). Está diseñado para producir electricidad en los sitios de antiguos molinos de agua.

Eficiencia

Las ruedas de sobreimpulso (y en particular de rebote) son el tipo más eficiente; una rueda de acero de refuerzo puede ser más eficiente (alrededor del 60%) que todas las turbinas, excepto las más avanzadas y bien construidas . En algunas situaciones, es preferible una rueda sobrecargada a una turbina.

El desarrollo de las turbinas hidráulicas con su eficiencia mejorada (> 67%) abrió un camino alternativo para la instalación de ruedas hidráulicas en molinos existentes, o el redesarrollo de molinos abandonados.

El poder de una rueda

La energía disponible para la rueda tiene dos componentes:

  • Energía cinética : depende de qué tan rápido se mueve el agua cuando entra en la rueda.
  • Energía potencial : depende del cambio en la altura del agua entre la entrada y la salida de la rueda.

La energía cinética se puede explicar convirtiéndola en una altura equivalente, la altura de velocidad, y agregándola a la altura real. Para aguas tranquilas, la altura de velocidad es cero y, en una buena aproximación, es insignificante para agua en movimiento lento y puede ignorarse. La velocidad en la carrera de cola no se tiene en cuenta porque para una rueda perfecta el agua saldría con energía cero, lo que requiere velocidad cero. Eso es imposible, el agua tiene que alejarse de la rueda y representa una causa ineludible de ineficacia.

La potencia es la rapidez con la que se entrega esa energía, que está determinada por el caudal. Se ha estimado que el antiguo burro o molinillo de Roma impulsado por esclavos producía aproximadamente la mitad de un caballo de fuerza , la rueda hidráulica horizontal creaba un poco más de la mitad de un caballo de fuerza, la rueda hidráulica vertical inferior producía alrededor de tres caballos de fuerza y ​​la rueda hidráulica medieval rueda hidráulica sobrecargada producía hasta cuarenta a sesenta caballos de fuerza.

Cantidades y unidades

  • eficiencia
  • densidad del agua (1000 kg / m 3 )
  • área de la sección transversal del canal (m 2 )
  • diámetro de la rueda (m)
  • potencia (W)
  • distancia (m)
  • fuerza de gravedad (9,81 m / s 2 = 9,81 N / kg)
  • cabeza (m)
  • altura de presión , la diferencia en los niveles de agua (m)
  • cabeza de velocidad (m)
  • factor de corrección de velocidad. 0.9 para canales suaves.
  • velocidad (m / s)
  • caudal volumétrico (m 3 / s)
  • tiempo (s)

Mediciones

Parámetros para medir la altura y el caudal de una rueda hidráulica.

La altura de presión es la diferencia de altura entre las superficies de agua de la carrera de la cabeza y la carrera de la cola. La altura de la velocidad se calcula a partir de la velocidad del agua en la carrera de la cabeza en el mismo lugar desde donde se mide la altura de presión. La velocidad (velocidad) se puede medir mediante el método de los palitos de pooh, cronometrando un objeto flotante sobre una distancia medida. El agua en la superficie se mueve más rápido que el agua más cerca del fondo y los lados, por lo que se debe aplicar un factor de corrección como en la siguiente fórmula.

Hay muchas formas de medir el caudal volumétrico . Dos de los más simples son:

  • Del área de la sección transversal y la velocidad. Deben medirse en el mismo lugar, pero puede ser en cualquier parte de las carreras de cabeza o cola. Debe tener la misma cantidad de agua que la rueda.
  • A veces es posible medir el caudal volumétrico mediante el método del cubo y el cronómetro.

Fórmulas

Cantidad Fórmula
Poder
Cabeza eficaz
Cabeza de velocidad
Caudal volumétrico
Velocidad del agua (velocidad)

Reglas de juego

Pecho y rebasado

Cantidad Fórmula aproximada
Potencia (asumiendo una eficiencia del 70%)
Velocidad de rotación óptima rpm

Ruedas inferiores tradicionales

Cantidad Fórmula aproximada
Potencia (asumiendo un 20% de eficiencia)
Velocidad de rotación óptima rpm

Turbina de reacción de parte de rueda hidráulica

Un desarrollo paralelo es la turbina de reacción de rueda / pieza hidráulica que también incorpora un vertedero en el centro de la rueda, pero utiliza palas en ángulo con el flujo de agua. La máquina de presión de vástago WICON (SPM) aprovecha este flujo. Eficiencia estimada 67%.

La Escuela de Ingeniería Civil y Medio Ambiente de la Universidad de Southampton en el Reino Unido ha investigado ambos tipos de máquinas de ruedas hidráulicas y ha estimado su eficiencia hidráulica y ha sugerido mejoras, es decir, la máquina de presión hidráulica rotativa. (Eficiencia máxima estimada 85%).

Este tipo de ruedas hidráulicas tienen una alta eficiencia a cargas parciales / flujos variables y pueden funcionar a alturas muy bajas, <1 m (3 pies 3 pulgadas). Combinados con alternadores de imán permanente de flujo axial de accionamiento directo y electrónica de potencia, ofrecen una alternativa viable para la generación de energía hidroeléctrica de baja carga .

Notas

^ Notación punteada. Un punto encima de la cantidad indica que es una tarifa. En otras, cuánto por segundo o cuánto por segundo. En este artículo, q es un volumen de agua yes un volumen de agua por segundo. q, como en cantidad de agua, se usa para evitar confusiones con v para la velocidad.

Ver también

Para dispositivos para levantar agua para riego.
Dispositivos para levantar agua para drenaje de tierras

Referencias

Bibliografía

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enlaces externos