Водяная мельница или водяная мельница — это мельница, использующая гидроэнергию . Это конструкция, в которой используется водяное колесо или водяная турбина для управления механическими процессами, такими как фрезерование (шлифование) , прокатка или ковка . Такие процессы необходимы при производстве многих материальных товаров, в том числе муки , пиломатериалов , бумаги , текстиля и многих металлических изделий. Эти водяные мельницы могут включать в себя мельницы , лесопилки , бумажные фабрики , текстильные фабрики , молотковые мельницы , молотковые мельницы, прокатные станы , волочильные станы.
Один из основных способов классификации водяных мельниц - это ориентация колес (вертикальная или горизонтальная): одна приводится в движение вертикальным водяным колесом через зубчатый механизм, а другая оснащена горизонтальным водяным колесом без такого механизма. Первый тип можно разделить, в зависимости от того, где вода попадает на лопасти колеса, на водяные мельницы с недострелом, перелетом, грудью и питчбэком (обратным или обратным выстрелом). Другой способ классифицировать водяные мельницы - по существенному признаку их местоположения: приливные мельницы используют движение прилива; Корабельные мельницы — это водяные мельницы, находящиеся на борту (и составляющие) корабля.
Водяные мельницы влияют на динамику рек в водотоках, где они установлены. Во время работы водяных мельниц каналы имеют тенденцию к осаждению , особенно подпоров. [1] Также в зоне подпора увеличиваются случаи затопления и заиления прилегающих пойм . Однако со временем эти эффекты нивелируются повышением берегов рек. [1] Там, где мельницы были удалены, врез реки увеличивается, а каналы углубляются. [1]
Существует два основных типа водяных мельниц: одна приводится в движение вертикальным водяным колесом через зубчатый механизм, а другая оснащена горизонтальным водяным колесом без такого механизма. Первый тип можно разделить, в зависимости от того, где вода попадает на лопасти колеса, на мельницы с недострелом, перелетом, грудью и обратным ходом.
Греки изобрели два основных компонента водяных мельниц, водяное колесо и зубчатую передачу, и использовали, наряду с римлянами , водяные мельницы с недострелом, недострелом и грудью. [2]
Самые ранние свидетельства о колесе с водяным приводом встречаются в технических трактатах « Пневматика» и «Параскевастика» греческого инженера Филона Византийского (ок. 280–220 гг. до н. э.). [3] Британский историк технологии М. Дж. Т. Льюис показал, что те части механического трактата Филона Византийского, которые описывают водяные колеса и которые ранее считались более поздними арабскими интерполяциями, на самом деле восходят к греческому оригиналу III века до нашей эры . [4] Механизм сакия , уже полностью развитый, впервые засвидетельствован в эллинистической настенной росписи II века до нашей эры в Птолемеевском Египте . [5]
Льюис относит дату изобретения мельницы с горизонтальными колесами к греческой колонии Византии в первой половине III века до нашей эры, а мельницы с вертикальными колесами - к Александрии Птолемеев около 240 г. до н.э. [6]
Греческий географ Страбон сообщает в своей «Географии» о существовании водяной мельницы недалеко от дворца царя Митридата VI Евпатора в Кабире , Малая Азия , до 71 г. до н.э. [7]
У римского инженера Витрувия имеется первое техническое описание водяной мельницы, датированное 40/10 г. до н. э.; Устройство оснащено перекатным колесом , а мощность передается через зубчатый механизм . [8] Он также, кажется, указывает на существование месильных машин с водяным приводом. [9]
Греческий эпиграмматист Антипатр из Фессалоники рассказывает о современной колесной мельнице с овершотом, датируемой примерно 20 г. до н.э./10 г. н.э. [10] Он похвалил его за использование при измельчении зерна и сокращение человеческого труда: [11]
Уберите руку от мельницы, вы, мелющие девушки; даже если петушиное пение предвещает рассвет, спите дальше. Ибо Деметра возложила труд твоих рук на нимф , которые, спрыгнув на самую верхнюю часть колеса, вращают его ось; с окружающими зубцами, [12] он вращает полую гирю нисырийских жерновов . Если мы научимся без труда наслаждаться плодами земли, мы снова вкусим золотой век .
Римский энциклопедист Плиний упоминает в своей «Естественной истории» гидромолоты примерно 70 г. н.э., работавшие на большей части Италии. [13] Есть свидетельства существования валяльной мельницы в 73/74 году нашей эры в Антиохии , Римская Сирия . [14]
Многочисленный мельничный комплекс в Барбегале на юге Франции , построенный во 2 веке нашей эры, был описан как «величайшая из известных концентраций механической энергии в древнем мире ». [15] В нем было 16 водяных колес с овершотом, которые приводили в действие такое же количество мельниц . Мощность мельниц оценивается в 4,5 тонны муки в день, что достаточно для обеспечения хлебом 12 500 жителей, населявших в то время город Арелате . [16] Похожий мельничный комплекс существовал на холме Яникулум , поставки муки которого для населения Рима были оценены императором Аврелианом достаточно важными, чтобы быть включенными в стены Аврелиана в конце 3-го века.
В Ле-Мартр-де-Вейр , Франция, была раскопана колесная мельница конца II века нашей эры . [17]
Водяная каменная лесопилка Иераполиса, построенная в III веке нашей эры , является самой ранней известной машиной, включающей кривошипно - шатунный механизм. [18] Другие лесопилки, также приводимые в движение кривошипно-шатунными механизмами, археологически подтверждены каменными лесопилками с водяным приводом 6-го века нашей эры в Герасе и Эфесе . [19] Литературные ссылки на водяные пилы по мрамору на территории нынешней Германии можно найти в стихотворении Авзония 4-го века нашей эры «Мозелла» . Похоже, что примерно в то же время на них указывает христианский святой Григорий Нисский из Анатолии , демонстрирующий разнообразное использование энергии воды во многих частях Римской империи . [20]
Самая ранняя турбинная мельница была найдена в Хемту и Тестуре , римская Северная Африка , и датируется концом 3-го или началом 4-го века нашей эры. [21] В Марселе , Франция , была обнаружена возможная печь с водяным приводом . [22]
Мельницы обычно использовались для перемалывания зерна в муку (подтверждено Плинием Старшим ), но также применялись промышленные применения для валкования и распиловки мрамора . [23]
Римляне использовали как стационарные, так и плавающие водяные колеса и представили водную энергию в других провинциях Римской империи . Так называемые «греческие мельницы» использовали водяные колеса с горизонтальным колесом (и вертикальным валом). «Римская мельница» имеет вертикальное колесо (на горизонтальном валу). Мельницы в греческом стиле являются более старыми и простыми из двух конструкций, но хорошо работают только при высоких скоростях воды и с жерновами небольшого диаметра. Мельницы римского типа более сложны, поскольку им требуются шестерни для передачи мощности от вала с горизонтальной осью к валу с вертикальной осью.
Хотя на сегодняшний день археологически обнаружено лишь несколько десятков римских мельниц, широкое использование акведуков в тот период предполагает, что многие из них еще предстоит открыть. Недавние раскопки в римском Лондоне, например, обнаружили нечто похожее на приливную мельницу вместе с возможной последовательностью мельниц, приводимых в действие акведуком, проходящим вдоль реки Флит . [24]
В 537 году нашей эры корабельные мельницы изобретательно использовал восточноримский полководец Велисарий , когда осаждающие готы перекрыли подачу воды для этих мельниц. [25] У этих плавучих мельниц было колесо, которое было прикреплено к лодке, пришвартованной в быстрой реке.
.jpg/1280px-Shipmills,_Martyrdom_of_St_Ursula_at_Cologne_(detail).jpg)
Сохранившиеся свидетельства существования водяных мельниц резко возросли с появлением таких документальных жанров, как монашеские уставы , христианская агиография и германские юридические кодексы . Они были более склонны заниматься водяной мельницей, в основном сельским рабочим процессом, чем древний литературный класс, сосредоточенный в городах. [26] [27] Ко временам Каролингов ссылки на водяные мельницы стали «бесчисленными» во франкских записях. [28] Книга Судного дня , составленная в 1086 году, фиксирует 5624 водяных мельниц только в Англии . [29] Более поздние исследования оценивают менее консервативное число в 6082 человека, которое следует считать минимумом, поскольку северные районы Англии никогда должным образом не регистрировались. [30] В 1300 году это число возросло до 10 000 и 15 000. [31] К началу 7-го века водяные мельницы также были хорошо зарекомендованы в Ирландии . Столетие спустя они начали распространяться через бывшую римскую границу Рейна и Дуная в другие части Германии . [32] Корабельные и приливные мельницы , обе из которых еще не подтверждены для древнего периода, [33] были введены в 6 веке.
В последние годы ряд новых археологических находок последовательно отодвинул дату появления самых ранних приливных мельниц, все из которых были обнаружены на ирландском побережье: Приливная мельница с вертикальными колесами VI века была расположена в Киллотерене недалеко от Уотерфорда . [34] Двухканальная приливная мельница с горизонтальными колесами, датируемая ок. 630 было раскопано на Маленьком острове . [35] [36] Рядом с ним была найдена еще одна приливная мельница, приводившаяся в движение вертикальным перекатным колесом. [35] [36] Мельница монастыря Нендрум с 787 года была расположена на острове в Стрэнгфорд-Лох в Северной Ирландии . Его жернова имеют диаметр 830 мм, а мощность горизонтального колеса, по оценкам, составляет 7/8 л.с. на пике. На этом месте также были найдены остатки более ранней мельницы, датированной 619 годом. [37] [38]
В исследовании 2005 года ученый Адам Лукас выявил следующие первые появления различных типов промышленных мельниц в Западной Европе. Заметна выдающаяся роль Франции во внедрении новых инновационных способов использования гидроэнергетики. Однако он обратил внимание на недостаток исследований этого предмета в ряде других стран.
Водяное колесо было обнаружено в Китае начиная с 30 года нашей эры, когда оно использовалось для привода в действие молотков , [41] сильфонов при выплавке чугуна , [42] [43] и в одном случае для механического вращения армиллярной сферы для астрономических наблюдений ( см. Чжан Хэн ). [44] [45] Хотя британский химик и китаевед Джозеф Нидхэм предполагает, что водяные жернова могли существовать в ханьском Китае к 1 веку нашей эры, до 5 века нашей эры не было достаточных литературных свидетельств этого. [46] В 488 году нашей эры математик и инженер Цзу Чунчжи построил водяную мельницу, которую осмотрел император У Южной Ци (годы правления 482–493 нашей эры). [47] Говорят, что к началу VI века инженер Ян Су из династии Суй (581–618 гг. Н.э.) управлял сотнями таких машин. [47] Источник, написанный в 612 году нашей эры, упоминает буддийских монахов , спорящих о доходах, полученных от водяных мельниц. [48] В «Постановлениях Департамента водных путей», написанных в 737 году нашей эры при династии Тан (618–907 гг. н. э.), говорилось, что водяные мельницы не должны прерывать речной транспорт, а в некоторых случаях их использование ограничивалось в определенные сезоны года. [47] Из других источников эпохи Тан 8-го века известно, что к этим постановлениям относились очень серьезно, поскольку правительство снесло множество водяных мельниц, принадлежавших знатным семьям, купцам и буддийским аббатствам , которые не признавали постановления или не соответствовали государственным постановлениям. . [47] Евнух , служивший императору Сюаньцзуну Танскому (годы правления 712–756 гг. н.э.), к 748 г. н.э. владел водяной мельницей, в которой использовались пять водяных колес, которые перемалывали 300 бушелей пшеницы в день. [47] К 610 или 670 году нашей эры водяная мельница была завезена в Японию через Корейский полуостров . [49] Это также стало известно в Тибете , по крайней мере, в 641 году нашей эры. [49]
Согласно греческой исторической традиции, Индия получила водяные мельницы от Римской империи в начале 4 века нашей эры, когда некий Метродорос ввел «водяные мельницы и бани, неизвестные среди них [брахманов] до тех пор». [50]
Инженеры халифатов переняли технологию водяных мельниц из бывших провинций Византийской империи , которая веками применялась в этих провинциях до мусульманских завоеваний , включая современные Сирию , Иорданию , Израиль , Алжир , Тунис , Марокко и Испанию (см. Список) . древних водяных мельниц ). [51]
Промышленное использование водяных мельниц в исламском мире восходит к 7 веку, тогда как водяные мельницы с горизонтальными и вертикальными колесами широко использовались к 9 веку. [ нужна цитация ] В исламском мире использовались различные промышленные водяные мельницы, в том числе мельницы , шелушители , лесопилки , судовые мельницы, штампованные мельницы , сталелитейные заводы , сахарные заводы и приливные мельницы . К 11 веку эти промышленные водяные мельницы работали в каждой провинции исламского мира, от Аль-Андалуса и Северной Африки до Ближнего Востока и Центральной Азии . [52] Мусульманские и христианские инженеры Ближнего Востока также использовали коленчатые валы и водяные турбины , шестерни водяных мельниц и водоподъёмных машин , а также плотины в качестве источника воды, используемой для подачи дополнительной энергии водяным мельницам и водоподъёмным машинам. [53] Валяльные и сталелитейные заводы, возможно, распространились из Аль-Андалуса в христианскую Испанию в 12 веке. Промышленные водяные мельницы также использовались в крупных фабричных комплексах, построенных в Аль-Андалусе между 11 и 13 веками. [54]
Инженеры исламского мира использовали несколько решений для достижения максимальной производительности водяной мельницы. Одним из решений было установить их на опорах мостов , чтобы воспользоваться увеличением потока. Другим решением стала корабельная мельница — тип водяной мельницы, приводившейся в движение водяными колесами, установленными на бортах кораблей , пришвартованных посередине течения . Этот метод использовался вдоль рек Тигр и Евфрат в Ираке 10-го века , где большие корабельные мельницы, сделанные из тика и железа , могли производить 10 тонн кукурузной муки каждый день для зернохранилища в Багдаде . [55]
До 1960 года в Иране действовало более 300 водяных мельниц. [56] Сейчас работают лишь немногие. Одними из самых известных являются водяная мельница Аскзар и водяная мельница города Йезд , до сих пор производящие муку.
.jpg/1280px-Tapolca_(5).jpg)
Обычно вода отводится из реки , водохранилища или мельничного пруда в турбину или водяное колесо по каналу или трубе (известной по-разному как желоб , напорная гонка, мельничная гонка , leat , leet, [57] lade (шотландцы) или затвор ). Сила движения воды приводит в движение лопасти колеса или турбины, которые, в свою очередь, вращают ось, приводящую в движение другое оборудование мельницы. Вода, выходящая из колеса или турбины, сливается через хвостовую обойму, но этот канал может также быть головной обоймой еще одного колеса, турбины или мельницы. Прохождение воды контролируется шлюзовыми воротами, которые позволяют проводить техническое обслуживание и в некоторой степени контролировать наводнения ; крупные мельничные комплексы могут иметь десятки шлюзов, контролирующих сложные взаимосвязанные потоки, питающие множество зданий и производственные процессы.
Водяные мельницы можно разделить на два типа: один с горизонтальным водяным колесом на вертикальной оси, а другой с вертикальным колесом на горизонтальной оси. Самыми старыми из них были горизонтальные мельницы, в которых сила воды, ударяя по простому лопастному колесу, установленному горизонтально в соответствии с потоком, вращала беговой камень, балансирующий на рынке , который находится на вершине вала, ведущего прямо вверх от колеса. Камень не поворачивается. Проблема с мельницами этого типа возникла из-за отсутствия зубчатой передачи; Скорость воды напрямую задает максимальную скорость бегущего камня, который, в свою очередь, определяет скорость фрезерования.
Большинство водяных мельниц в Великобритании и Соединенных Штатах Америки имели вертикальное водяное колесо одного из четырех типов: недострел, грудь, овершот и питчбек. Эта вертикаль производила вращательное движение вокруг горизонтальной оси, которое можно было использовать (с кулачками) для подъема молотов в кузнице , валкования валкового стана и так далее.
.svg/1280px-Pitchback_water_wheel_schematic_(2).svg.png)
Однако на кукурузных мельницах для перемещения камней требовалось вращение вокруг вертикальной оси. Горизонтальное вращение было преобразовано в вертикальное с помощью зубчатой передачи, которая также позволяла бегущим камням вращаться быстрее, чем водяное колесо. Обычно на британских и американских кукурузных мельницах водяное колесо вращает горизонтальный вал, на котором также установлено большое ямочное колесо. Он входит в зацепление с валкообразователем, установленным на вертикальном валу, который вращает (большое) большое цилиндрическое колесо (установленное на том же валу). Это большое торцевое колесо , снабженное колышками, в свою очередь, вращало меньшее колесо (например, фонарное колесо ), известное как каменная гайка, которое было прикреплено к валу, приводившему в движение бегун. Количество бегущих камней, которые можно было перевернуть, напрямую зависело от наличия доступной воды. По мере совершенствования технологии водяного колеса мельницы становились более эффективными, и к 19 веку большое прямозубое колесо обычно приводило в движение несколько каменных гаек, так что одно водяное колесо могло вращать до четырех камней. [59] На каждом этапе процесса увеличивалось передаточное число, что увеличивало максимальную скорость бегущего камня. Регулировка шлюзового затвора и, таким образом, потока воды мимо главного колеса позволила мельнику компенсировать сезонные колебания подачи воды. Более тонкая регулировка скорости производилась в процессе помола путем тентерирования , то есть регулирования зазора между камнями в зависимости от расхода воды, типа перемалываемого зерна и требуемого сорта муки.
На многих мельницах (включая самые ранние) большое зубчатое колесо переворачивало только один камень, но под одной крышей могло находиться несколько мельниц. Самая ранняя иллюстрация одного водяного колеса, приводящего в движение более одного набора камней, была нарисована Генри Бейтоном в 1723 году и опубликована в 1744 году Ж. Т. Дезагулье . [60]
Овершотное колесо было более поздним нововведением в водяных колесах и было примерно в два с половиной раза эффективнее, чем недолетное. [59] Подкатное колесо, в котором основное водяное колесо просто вставлено в поток мельничной обоймы, страдает от присущей ему неэффективности, связанной с тем, что само колесо входит в воду позади основной тяги потока, приводящего в движение колеса с последующим подъемом колеса из воды впереди основной тяги, фактически затрудняет его собственную работу. Овершотное колесо решает эту проблему, направляя поток воды к верхней части колеса. Вода наполняет ведра, встроенные в колесо, а не в простую конструкцию лопастного колеса с недопущенными колесами. Когда ведра наполняются, вес воды начинает вращать колесо. Вода выливается из ведра с нижней стороны в водосброс, ведущий обратно в реку. Поскольку само колесо установлено над водосбросом, вода никогда не препятствует скорости колеса. В дополнение к весу воды, находящейся в ведрах, также используется импульс воды на колесе. Овершотные колеса требуют строительства дамбы на реке над мельницей и более сложного мельничного пруда, шлюзовых ворот, мельничного желоба и водосброса или отводящего канала. [61]
Неотъемлемой проблемой мельницы с овершотом является то, что она меняет вращение колеса. Если мельник желает переоборудовать дробильную мельницу в овершотную, все оборудование мельницы должно быть перестроено с учетом изменения вращения. Альтернативным решением было колесо подачи или обратного выстрела. В конце желоба на напорном канале был установлен желоб , это изменило направление воды без особых потерь энергии, и направление вращения сохранилось. Мельница Дэниэлс недалеко от Бьюдли , Вустершир , является примером мельницы, которая первоначально использовала колесо для дробления, но была переоборудована для использования колеса с обратной подачей. Сегодня он работает как мельница для дробления. [58]
Водяные колеса большего размера (обычно стальные колеса с выступом ) передают мощность от зубчатого кольцевого кольца , которое установлено рядом с внешним краем колеса. Это приводит в движение оборудование с помощью прямозубой шестерни , установленной на валу, а не от центральной оси . Однако основной режим работы остается прежним; Сила тяжести приводит в движение машины посредством движения текущей воды .
К концу 19-го века изобретение колеса Пелтона побудило некоторых владельцев заводов заменить колеса с пере- и недолетом на колесные турбины Пелтона , приводимые в движение через затворы .
Другой тип водяной мельницы — приливная мельница . Эта мельница может быть любого типа: недолетная, недолетная или горизонтальная, но в качестве источника энергии она не использует реку. Вместо этого через устье небольшой бухты строится мол или дамба. Во время отлива ворота в моле открываются, позволяя заливу заполняться приходящим приливом. Во время прилива ворота закрываются, задерживая воду внутри. В определенный момент шлюзовый затвор в кроте может открыться, позволяя стекающей воде привести в движение мельничное колесо или колеса. Это особенно эффективно в местах, где разница приливов очень велика, например, в заливе Фанди в Канаде, где приливы могут подниматься на пятьдесят футов, или в ныне заброшенной деревне Тайд-Миллс в Восточном Суссексе . [ нужна ссылка ] Последние два примера в Соединенном Королевстве, которые восстановлены до рабочих условий, можно посетить в Элинге , Хэмпшир , и в Вудбридже , Саффолк .
Схемы русла реки вообще не отводят воду и обычно включают в себя недопущенные колеса. Мельницы в основном располагаются на берегах крупных рек или ручьев с быстрым течением. Другие водяные мельницы были установлены под большими мостами, где поток воды между опорами был быстрее. В какой-то момент под Лондонским мостом было так много водяных колес, что баржи жаловались, что проход по мосту затруднен. [ нужна цитата ]
.jpg/1280px-Mill_in_the_woods_(31546576571).jpg)
В 1870 году водяные мельницы все еще производили 2/3 энергии, доступной для измельчения зерна в Великобритании. [62] К началу 20-го века наличие дешевой электроэнергии сделало водяную мельницу устаревшей в развитых странах, хотя некоторые более мелкие сельские мельницы продолжали работать в коммерческих целях позже на протяжении всего столетия.
Несколько исторических мельниц, таких как Water Mill , Newlin Mill и Yates Mill в США и The Darley Mill Center в Великобритании, до сих пор работают в демонстрационных целях. Мелкомасштабное коммерческое производство осуществляется в Великобритании на предприятиях Daniels Mill , Little Salkeld Mill и Redbournbury Mill . Это было сделано для преодоления нехватки муки во время пандемии Covid. [63]
Некоторые старые мельницы модернизируются с использованием современных гидроэнергетических технологий, например, тех, которые разрабатывает South Somerset Hydropower Group в Великобритании.
В некоторых развивающихся странах водяные мельницы до сих пор широко используются для переработки зерна. Например, считается, что в Непале работает 25 000, а в Индии — 200 000. [64] Многие из них по-прежнему выполнены в традиционном стиле, но некоторые были модернизированы путем замены деревянных деталей на металлические детали более качественной конструкции для повышения эффективности. Например, Центр сельских технологий в Непале в период с 2003 по 2007 год модернизировал 2400 мельниц. [65]
Это также период, когда водяные мельницы начали распространяться за пределы бывшей Империи. Согласно Седренусу (сборник Historiarum), некий Метродорос, отправившийся в Индию в ок. 325 г. н.э. «построили водяные мельницы и бани, неизвестные им [брахманам] до того времени».
