История насосов
23 views
Skip to first unread message
Основы гравитационной механики
Dec 9, 2023, 2:21:34 PM12/9/23
to Основы гравитационной механики
Эволюция водоподъемных устройств (насосов) на протяжении веков по всему миру
1
Инженерный факультет, Школа сельской и геодезической инженерии, Университет Аристотеля в Салониках, Салоники GR-54124, Греция
2
Школа химической инженерии, Афинский национальный технический университет, Heroon Polytechneiou 5, Zographou GR-15780, Греция
3
Инженерный факультет, Школа гражданского строительства, Университет Аристотеля в Салониках, Салоники GR-54124, Греция
4
Факультет истории водных ресурсов, Китайский институт водных ресурсов и гидроэнергетики (IWHR), Пекин 100048, Китай
5
Клуб молодых исследователей и элиты, филиал в Керманшахе, Исламский университет Азад, Керманшах, Иран
6
Факультет гражданского строительства, Университет Чили, 8370448 Сантьяго, Чили
7
Институт Ираклиона, Национальный фонд сельскохозяйственных исследований (NAGREF), Ираклион GR-71307, Греция
*
Автор, которому следует адресовать корреспонденцию.
Вода 2015, 7(9), 5031-5060; https://doi.org/10.3390/w7095031
Первоначальная заявка получена: 14 мая 2015 г. / Исправлена: 7 сентября 2015 / Принята: 8 сентября 2015 / Опубликован: 17 сентября 2015
Абстрактный
Представлена и обсуждена эволюция основных достижений водоподъемных устройств с акцентом на основные технологии на протяжении веков. Представлена ценная информация о древних технологиях подъема воды с их очевидными характеристиками долговечности, адаптивности и устойчивости. Проведено сравнение соответствующих технологических разработок в нескольких ранних цивилизациях. Эти технологии лежат в основе современных достижений в области водного хозяйства. Они представляют собой наилучшую парадигму исследования прошлого и взгляда в будущее. Представлена хронология исторического развития водяных насосов во всем мире за последние 5500 лет истории человечества. Хронологический порядок соблюдается с акцентом на основные цивилизации.
1. Пролегомены2.4. Древняя Персия (ок. 1200–200 гг. до н. э.)6. Византийский период и венецианское правление (ок. 330–1600 гг. н.э.)7. Доколумбовая Америка
Вода является движущей силой всей природы.—Леонардо да Винчи
Вода – абсолютно необходимый элемент для жизни. Наличие воды играло ключевую роль в развитии всех цивилизаций. Действительно, особенно в древние времена, нехватка воды препятствовала развитию поселений.
В отличие от большинства древних цивилизаций (египтяне, месопотамцев, китайцев, индийцев), которые развивались там, где была легко доступна вода, необходимая для развития сельского хозяйства, т. е. вблизи источников, озер, рек и при низком уровне моря, все крупные эллинские города в течение нескольких фаз эллинских цивилизаций, длившихся тысячелетиями, были основаны в районах с низкой обеспеченностью водой. Так было как с континентальной, так и с островной страны, начиная с бронзового века [1]. Отчасти это объясняется гористой природой эллинского ландшафта. Кроме того, из соображений безопасности и из-за стремления избежать уязвимости, связанной с занятием плодородных земель с низким уровнем моря, поселения были построены на вершинах холмов или на скалистых участках. Вероятно, эти факторы ограничивали доступность воды и способствовали поиску воды, транспортировке на большие расстояния, водосбережению и водоподъемным решениям [2].
Скарборо [3] и Ортлофф [4] показывают, как управление водными ресурсами влияло на древние социальные структуры и организации, на типичных примерах в Восточном и Западном полушариях, охватывающих весь древний мир. Водный транспорт на большие расстояния был основан на силе тяжести. Так, длинные системы акведуков (действительно, иногда превышающие 100 км) использовались для транспортировки воды на большие расстояния с помощью силы тяжести. Кроме того, цистерны для сбора дождевой воды, каналы и колодцы грунтовых вод практиковались со времен бронзового века (ок. 3200–1100 гг. до н. э.).
Обеспечение доступности воды в высокогорных районах требовало затрат энергии. Поскольку электрическая энергия и энергия ископаемого топлива были неизвестны, пришлось изобрести механические устройства с ручным приводом или устройства, приводимые в движение природными силами, такими как ветер. Такие водоподъемные устройства берут свое начало еще в доисторические времена [5].
Водоподъемные устройства существуют примерно с 3000 г. до н.э. в различных частях света [6]. Ранние устройства, такие как водяные колеса и желоба, были сконструированы и использовали животных (мышечную энергию) для получения энергии, необходимой для перемещения колес [7]. Позже были изобретены насосы, такие как геликоидные насосы, известные как «архимедовы», которые используются до сих пор. Кроме того, несколько типов водоподъемных устройств, известных как «тимпана» (барабаны), широко использовались для орошения и добычи полезных ископаемых, вплоть до прошлого века [8].
В древней Элладе водоподъемные устройства позволяли развивать поселения в местах с низкой водообеспеченностью и обеспечивали не только выживание древних эллинов, но и улучшали качество их жизни. Древние эллины не только разработали несколько новых гидравлических технологий, но и переняли и развили методы подъема воды других цивилизаций [2,9]. Согласно Юбенксу [10], Данус Александрийский в 1485 г. до н.э. вырыл колодцы Аргуса на побережье Пелопонессы и установил египетские цепные горшки в качестве насосов, вместо «атмосферного» или «силового» насоса. Между тем, другие ранние цивилизации (например, египтяне, китайцы, индийцы и персы) разработали аналогичные устройства для подъема воды.
Объем данной работы не является исчерпывающим изложением того, что известно на сегодняшний день о водоподъемных устройствах, связанных с ними технологиях и их использовании. Вместо этого представлены некоторые характерные примеры в отдельных областях, которые хронологически простираются от доисторических времен до современности во всем мире. Рассматривается эволюция водоподъемных устройств на протяжении веков с акцентом на основные достижения. Приведенные в этой статье примеры технологий и методов управления водоподъемом (не широко известные среди инженеров) дают представление об исторической эволюции до современного уровня техники в гидротехнике, о чем будет рассказано в следующем разделе.
2. Очень ранние (доисторические) времена2.1. Эшнунна/Вавилония и Месопотамская империя на территории современного Ирака (ок. 4000–2000 гг. до н. э.)Шадуф известен как первое устройство, использовавшееся для подъема воды в нескольких древних цивилизациях. Его называли по-разному, например, шадуф (шадуф) в Египте, зиригум в Шумере, денкли (или пэкотта) в Индии, килонион или келонион в Элладе, далия в Ираке, пикотта в Малабаре, лат в Индии, герани или геранос в эллинистическом Египте, килан (от эллинского слова kilonion) в Израиле и толлено в латинских регионах [11].
Это деревянное ручное устройство, используемое для подъема воды из колодца, реки, цистерны или канала. В своей наиболее распространенной форме он состоит из длинного, сужающегося, почти горизонтального деревянного шеста, который установлен наподобие качелей (рис. 1). На одном конце шеста прикреплены мешок и веревка, а на другом — противовес [5]. Оператор тянет вниз трос, прикрепленный к длинному концу, наполняет контейнер и позволяет противовесу поднять заполненный контейнер [12]. Ряд шадуфов иногда устанавливался один над другим. Типичная скорость подъема воды составляла 2,5 м3/d. Таким образом, один шадуф мог орошать 0,1 га земли за 12 часов [13]. Известно, что жители Месопотамии поднимали воду с помощью шадуфа примерно в 3000 г. до н.э. [6].
Шадуф был широко распространен в древнем мире, и несколько древних цивилизаций оспаривают его происхождение. Он был изобретен в доисторические времена, вероятно, в Месопотамии, еще во времена Саргона Аккадского (императора шумерских городов-государств в 23-22 веках до нашей эры). Согласно [14], шадуф изображен на цилиндрической печати из Месопотамии, датируемой ок. 2200 г. до н.э. Он также до сих пор используется в Египте и других странах [5]. В Северной Африке аналогичная техника (называемая по-местному Диу или Длоу) была разработана в начале ок. 12 в. [15]. Он использовался для поднятия воды на более высокие уровни. В связи с тем, что шадуф был широко распространен в Индии, он сообщил, что шадуф был изобретен в Индии.
2.2. Бронзовый век (ок. 3200–1100 гг. до н. э.)В минойских дворцах и поселениях водоснабжение варьировалось в зависимости от местных условий климата (в основном осадков), водоносного горизонта и рельефа местности [17,18]. Так, в поселениях на юго-востоке Крита (например, в Закросе, Палекастро, Комосе) водоснабжение сильно зависело от грунтовых вод. В Палекастро на сегодняшний день открыто несколько скважин глубиной от 10 до 15 м [17]. Есть указания на то, что минойцы использовали шадуф в мезо-минойский период (ок. 2100–1600 гг. до н.э.) в колодцах Закрос и Палекастро [19]. Он широко использовался в Элладе в классический и эллинистический периоды [11].
2.3. Древние египтяне (ок. 3000–67 гг. до н.э.)Шадуф, уже использовавшийся в Месопотамии, появился в Верхнем Египте где-то после 2000 г. до н.э., во времена 18-й династии (ок. 1570 г. до н.э.). Это устройство позволяло орошать посевы вблизи берегов рек и каналов в засушливые периоды года ([20], с.58). Позже система была усовершенствована, с введением шкива и животной тяги для подъема воды из глубоких скважин. Он до сих пор широко используется для обеспечения питьевой водой и для орошения небольших земельных участков вблизи колодцев. Устройство также было адаптировано на Аравийском полуострове [21]. Шадуф привел к увеличению посевных площадей в Египте на 10–15% [22].
Другими устройствами для подъема воды, изобретенными египтянами, являются водяное колесо с прикрепленными к нему горшками, водяное колесо с отсеками для воды и ковшовая цепь, которая набегала на шкив с прикрепленными к нему ведрами. Египетский шадуф и водяное колесо (или нория или сания), вероятно, являются одними из самых ранних устройств для подъема воды, используемой для орошения и хозяйственного водоснабжения.
Рисунок 1. Шадуф поднимал воду выше уровня Нила для орошения в Египте [21].
Египетское водяное колесо (нория) считается первым вертикальным (с горизонтальной осью) водяным колесом и было изобретено римлянами ок. 600–700 гг. до н.э. Он состоит из деревянного колеса, приводимого в движение потоком воды и оснащенного ведрами, которые поднимают воду для орошения близлежащих земель. Распространение египетского водяного колеса, как правило, ассоциируется с (более поздней) арабской цивилизацией, а водяное колесо, приводимое в движение животными, считается высоким символом исламского следа в ирригационных технологиях. Кроме того, изобретение разделенного водяного колеса в Египте, возможно, было сделано примерно в конце 4-го века до н.э. в сельской местности, вдали от эллинистической Александрии, а затем распространилось на другие части Северной Африки [23]. Гидравлическое колесо было позже построено в Фесе, Марокко, в 13 веке [24], а затем было распространено в других частях Северной Африки.
Водяные колеса, приводимые в движение верблюдами, использовались для подъема воды для орошения и бытовых нужд в Афганистане и других азиатских странах. Ограниченное количество этих устройств используется до сих пор. В Судане система, приводимая в движение волами, использовалась в качестве простого ирригационного устройства на протяжении веков и продолжает использоваться даже в наши дни [21].
Разновидностью египетского водяного колеса является персидское водяное колесо. Дата его изобретения точно не известна. Он состоит из бесконечного ряда горшков неодинакового веса, вращающихся на двух шкивах [10,25], и поэтому классифицируется как насос, а не как водяное колесо. Скорость доставки ранних персидских водяных колес, приводимых в движение животными, колебалась в пределах 20 м3/ч (для подъема на высоту 1,5 м) и 10 м3/ч (для подъема на высоту 9 м) [26]. Конечно, чем выше водяное колесо и чем совершеннее технология, используемая для его функционирования, тем больше поднимается вода. Водяное колесо, в различных своих вариантах, является родоначальником динамических водоподъемных устройств и современных гидроэнергетических систем, принцип работы которых заключается в извлечении энергии из потока (кинетической энергии) воды.
Нехватка рабочей силы в Средние века сделала машины, такие как водяное колесо, экономически эффективными. Водяное колесо оставалось конкурентоспособным с паровым двигателем вплоть до промышленной революции [21]. Система, используемая для подъема воды для орошения Висячих садов Вавилона, до сих пор остается загадкой. Стоит отметить, что слово «нория» является испанским словом, и его происхождение происходит от арабского термина «На-ура», означающего «первая водяная машина». В соответствующей библиографии это слово встречается и как Наура, и как Наура.
Широкомасштабное использование норий было введено в Испании сирийскими инженерами. Установка, подобная той, что была в Хаме (рис. 2), все еще действовала в Толедо в XII веке. Наура (Нория) Альболафии в Кордове, также известная как Кулайб, которая стоит до сих пор, служила для поднятия воды реки до дворца халифов. Его строительство было заказано Абд ар-Рахманом I и несколько раз реконструировалось.
Рисунок 2. Водяное колесо (нория): (а) части; и (b) в Хаме на реке Оронт в Сирии (по материалам [27]).
Несколько цивилизаций претендуют на изобретение нории. Существуют индийские тексты, датируемые ок. 350 г. до н.э.; Джозеф Нидхэм полагал, что нория была выведена в Индии примерно в пятом или четвертом веке до нашей эры [27]. Он предположил, что к первому веку до нашей эры он распространился на запад, а ко второму веку нашей эры распространился в Китае. За этим последовало широкое использование нории в Восточном Средиземноморье в 5 веке нашей эры, прежде чем достичь Северной Африки и Пиренейского полуострова в 11 веке [27]. Другие возможности его происхождения включают Ближний Восток около 200 г. до н.э. Филон Византийский в «Пневматике» (ок. 230 г. до н. э.), эллинский инженер конца III или начала II в. до н. э., показал эскизы нескольких различных типов водяных колес [27].
Тимпанон представлял собой конструкцию, похожую по использованию на водяное колесо (рис. 3). Это было колесо с разделенным корпусом. Он получил свое название от эллинского слова τύμπανον (тимпанон) из-за сходства с барабаном или бубном. Это устройство быстро сбрасывало большое количество воды и не поднимало воду на большую высоту.
На случай, если воду нужно было поднять выше, на ось устанавливалось колесо достаточно большого диаметра, чтобы она могла достичь необходимой высоты. Прямоугольные отсеки были закреплены по окружности колеса и сделаны водонепроницаемыми с помощью смолы и воска.
Многие водяные колеса вращались мужчинами (рис. 4). Такое специфическое водяное колесо оснащалось отсекными ободами, которые облегчали его работу. Когда водяное колесо вращалось, наполненные емкости переносились на вершину водяного колеса и при повороте вниз сбрасывали содержащуюся в них воду в резервуар.
Подобно водяному колесу и тимпанону была ковшовая цепь, приводимая в движение водяным колесом. Благодаря своему вертикальному движению он использовался для подъема воды из более глубоких мест, таких как колодцы или реки.
Рисунок 4. Водяные колеса с ободом отсеков; репрезентация, основанная на археологических находках в Испании (по материалам [28]).
Первый традиционный метод откачки, примененный в древней Персии, был основан на силе тяжести. Если источник воды находится на большей высоте, чем место его использования, самотек может подавать воду по трубам или акведукам. Примером этого метода является Канат, который был впервые применен в Иране около 1200 г. до н.э. [29,30]. Еще одной возможностью был сбор дождевой воды с крыш или водосборных бассейнов и ее хранение в цистернах или в виде грунтовых вод. Горизонтальное бурение было еще одним достаточно простым и недорогим методом добычи водных ресурсов таким образом, чтобы вода подавалась без откачки, просто самотеком. Это также старый метод, восходящий примерно к 800 г. до н.э., когда персы начали копать знаменитые Канаты [30].
Как и египтяне, древние персы также использовали шадуф, старое и простое устройство, которое развилось из ручного ведра (см. рис. 5, а и [31]).
Первоначальным методом использования животных для подъема воды было устройство, называемое мохте (рис. 5, б, в). Здесь животные идут по прямой линии, вниз по склону, подальше от колодца или источника воды, таская воду в мешке или контейнере. Традиционные мохты использовали кожаные мешки для сбора воды, но в последние годы стали использовать более прочные материалы, такие как резиновые внутренние трубы грузовиков (или, реже, стальные бочки из-под масла). Персидское водяное колесо (Raha) является большим усовершенствованием по сравнению с мохте, так как его цепочка ковшей создает почти постоянную нагрузку на приводной вал водяного колеса (рис. 5d–f). Персидские водяные колеса обычно приводятся в движение какой-либо формой привода под прямым углом. Первый является наиболее распространенным; приводной вал от вторичной шестерни заглубляется и животные ходят по нему; Преимущество этого метода заключается в том, что персидское водяное колесо находится как можно ниже, чтобы свести к минимуму напор, через который поднимается вода. Второй пример – традиционный деревянный персидский механизм водяного колеса, в основе которого лежит животное, проходящее под горизонтальным валом. Взмах персидского колеса несет почти постоянную нагрузку, поэтому животное может установить устойчивый комфортный темп и не нуждается в особом присмотре. Преимущества Raha заключались в следующем: Он был основан на относительно недорогой традиционной технологии. Его можно было построить и обслуживать на месте, и он поднимал воду на глубину до 20 м (хотя он был наиболее эффективен на глубинах менее 7,5 м и давал примерно 160–170 л/мин воды при подъеме на 9 м), он был прост в эксплуатации и имел средний КПД (40–70%). Hows [32] указал на преимущества Raha по сравнению с насосами, работающими на солнечных батареях. Недостатки этих устройств заключались в том, что вода должна была подниматься выше точки сброса, прежде чем попасть в сборный канал, и что животные должны содержаться круглый год, даже когда орошение не было необходимым (сезон дождей) [33,34].
Рисунок 5. Традиционные водоподъемные устройства в древней Персии, а) персидский шадуф; (b) вид поперечного сечения мохте; в) круговой мохте, использующий два ковша с заслонками в нижней части; г) персидское водяное колесо; д) персидское водяное колесо, приводимое в движение волами, обычного цепного и ковшового типа; (f) персидское водяное колесо, приводимое в движение верблюдами, с механизмом верхнего привода; g) модифицированное персидское водяное колесо или завафа; з) завафа с помощью лошадиной силы; (i) усовершенствованное персидское водяное колесо или саккия; (j) саккия с помощью верблюжьей силы; (k) Персидская нория (адаптировано из [30,31,33,34,35,36]).
Традиционные деревянные персидские водяные колеса были оснащены глиняными емкостями для воды, но также были построены различные цельнометаллические, улучшенные персидские водяные колеса. Металлические персидские водяные колеса можно было сделать меньшими в диаметре; Это уменьшило дополнительную высоту, на которую воду нужно было поднять, прежде чем она будет опрокинута из контейнеров. Также был уменьшен требуемый диаметр скважины. Модифицированная версия персидского водяного колеса (называемая завафа, заваффа или джаллар) включает в себя внутренние ковши внутри привода водяного колеса, которые захватывают воду и направляют ее через отверстия на боковой пластине, рядом со ступицей, в сборный желоб (рис. 5г, з). Это снижает как потери при разбрызгивании и разливе, так и дополнительную высоту над сборным каналом, на который опрокидывается вода [33]. Робертс и Сингх [35] утверждали, что модернизированное металлическое персидское водяное колесо длиной 153 м3/ч производительность поднимается на 0,75 м. Это означает, что с модернизированными устройствами возможен КПД до 75%, что довольно неплохо.
Шагом вперед по сравнению с устройствами, которые использовали циклическую процедуру (т.е. наполнение емкости водой, слив воды, а затем повторение цикла), была разработка устройств, которые зачерпывали и опорожняли воду в непрерывном движении. Саккия (sakia или saquiyah), завезенная Персидской империей около 500 г. до н.э., использовала силу животных для вращения водяного колеса или цепи, к которой было прикреплено множество равномерно расположенных ведер (рис. В самой нижней точке ведра наполнялись водой, которая затем опорожнялась на самом высоком уровне. Саккии используются до сих пор. Другим устройством была персидская нория ок. 5 г. до н.э. (см. рис. 200k и [5,27,31]). Традиционные формы насосов в древней Персии показаны на рисунке 37.
3. Ранние китайские династииШадуф в Китае известен как Цзегао, а местные жители также называли его Дяогань. Согласно «Сельскохозяйственным книгам Древнего Китая», написанным Ван Чжэнем (1271–1368), И Инь изобрел цзегао в первый год правления династии Шан (ок. 16–11 вв. до н. э.) [38]. Деревянный столб с сужающимся корпусом длиной 2,6 м и круглыми концами был найден на месте древнего медного рудника в Жуйчане провинции Цзянси в 1988 году. Имеется круглая арочная канавка на расстоянии 1,66 м от тонкого конца столба. Шест считался балкой Цзегао, а канавка представляла собой выемку или паз, вырезанную в балке, чтобы сочленить вертикальный столб, как шарнир.
Археологические исследования показали, что добыча меди в Жуйчане началась со времен династии Западная Чжоу (ок. 11 в. – 771 г. до н.э.) ([20], с.47). Результаты показывают, что цзегао был изобретен и широко использовался в этой династии. Исторические записи подтверждают этот вывод. Например, самым ранним упоминанием о «Цзегао» является цитируемый отрывок между Янь Юанем (ок. 521–490 гг. до н. э.) и Ши Цзинем в пятой главе «Чжуан-цзы» [39]. На живописном камне династии Хань (ок. 206 г. до н.э. – 220 г. н.э.) описан сценарий подъема воды с помощью Jiégāo, устройства, похожего на шадуф (рис. 1). Живописный камень был изготовлен в 147 году нашей эры и в настоящее время хранится в храмах предков Хань Улян в уезде Цзясян провинции Шаньдун.
Hùdǒu был еще одним распространенным водоподъемным устройством в Древнем Китае (рис. 6). Он состоит из веревок и контейнера. По верхним краям емкости симметрично крепятся две веревки, представляющие собой деревянное ведро или плетеную корзину. Два человека стояли лицом к лицу и тянули за веревки. Контейнер, наполненный водой, успешно поднимался из колодца или реки. Сплюснутое деревянное ведро с двойными квадратными жердями по краям было найдено на городище Гаочэн (21–11 вв. до н.э.) в провинции Хэбэй [40].
Лулу был устройством для подъема грунтовых вод в Древнем Китае. Он состоял из деревянной подставки, колеса, оси, рукоятки и веревок. Колесная ось была самым важным компонентом. Деревянная ось колеса была найдена на месте древней шахты Тунглвшань в уезде Дачжи провинции Хубэй в 1973 году. Исследования показали, что он был компонентом лулу, используемым для поднятия добытой руды и воды из нижних слоев в периоды Весны и Осени и Воюющих царств (771–221 гг. до н.э.) [40]. Деревянная ось колеса до сих пор является первым материальным свидетельством существования Лулу. Многие живописные камни династии Хань описывают сценарий подъема воды с помощью Лулу (рис. 7). Это говорит о том, что лулу широко использовался в быту и для орошения сельскохозяйственных угодий.
Лулу решил проблему подъема воды из глубоких скважин. Это ознаменовало новую эпоху в освоении и использовании подземных вод. Благодаря ряду технических инноваций во времена династий Мин и Цин (1368–1911 гг.) Lùlu постепенно стал самым распространенным устройством для подъема грунтовых вод на севере Китая. Нововведения включали замену рабочей силы на лошадиную, внедрение нескольких контейнеров и увеличение глубины скважины. Лулу до сих пор используется в сельской местности.
В большинстве случаев цзегао, худу и лулу использовались для забора воды из колодцев или вблизи рек. На юге Китая много рек и ручьев. Для доставки воды на расстояние было изобретено водоподъемное устройство, называемое в народе Jījí. На самом деле Джиджи была речной версией Лулу и могла быть приспособлена для простирания вдаль с большими перепадами уровней. Описан Лю Юйси (772–842) ([20], с.58). Согласно историческим записям, его основной принцип показан на рисунке 8.
4. Исторические времена4.1. Классический и эллинистический периоды (ок. 480–67 гг. до н. э.)
Гидравлический бесконечный винт Архимеда (287–212 гг. до н. э.), который был описан, но не обязательно изобретен эллинским математиком и инженером [11], представляет собой механическое устройство, которое используется для подъема воды. Лазос (1999) [11] сообщает, что некоторые древние историки, например, Витрувий (ок. 80–20 гг. до н.э.), Стравон (ок. 63 г. до н.э. – 23 г. н.э.), Филон Византийский (ок. 280–220 гг. до н.э.) и Филон Александрийский (ок. 20 г. до н.э. – 50 г. н.э.), считали, что он действительно был изобретен Архимедом. Вопрос об изобретении этого устройства до сих пор остается открытым. Во дворце Сеннахирима (царя Ассирии, 705–681 гг. до н.э.) в Ниневии есть несколько басовых рельефов, а литературные упоминания позволяют предположить, что водяной винт мог использоваться в Месопотамии за несколько веков до времен Архимеда [41].
Он состоит из деревянного стержня со сверткой (изгибами), сделанного из тонких и гибких ивовых или плетеных веток (одна наклеена поверх другой) так, чтобы создавался шуруп. Винт вращается внутри деревянной трубы. Устройство помещается в воду с типичным наклоном 30 градусов (рисунок 9). При вращении шнека вода, попавшая в его змеевики, поднимается к верхнему концу трубы. Винт Архимеда является первым известным типом объемного насоса [10,42].
Винт Архимеда широко использовался на протяжении веков [43]. В частности, он использовался для подъема ирригационной воды и для осушения земель и часто приводился в действие людьми или животными. Это устройство, помимо простой конструкции, имеет дополнительное преимущество, заключающееся в том, что оно способно транспортировать воду, содержащую грязь, песок или гравий, и до сих пор используется, например, для поднятия возвратного активного ила, чтобы его можно было рециркулировать в приток очистных сооружений самотеком [11].
Рисунок 9. Конструкция бесконечного винта Архимеда на основе описания Витрувия (по материалам [44]).
Περί δέ της υπό Ιέρωνος του Συρακοσίου κατασκευασθείσης νεώς, ης και Αρχιμήδης ην ο γεωμέτρης επόπτης, ουκ άξιον είναι κρίνω σιωπήσαι, σύγγραμμα εκδόντος Μοσχίωνός τινος, ω ου παρέργως ενέτυχον υπογυίως. Γράφει ουν ο Μοσχίων ούτως: '(...) Αρχιμήδης ο μηχανικός μόνος αυτό κατήγαγε δι' ολίγων σωμάτων. Κατασκευάσας γάρ έλικα, τό τηλικούτον σκάφος εις τήν θάλασσαν κατήγαγε. Πρώτος δ' Αρχιμήδης εύρε τήν της έλικος κατασκευήν'.
Что же касается корабля, построенного Иероном Сиракусянином, за которым наблюдал Архимед как надзирающий геометр, то я думаю, что не могу не упомянуть о сочинениях некоего Мосхиона. Он упоминает: «Один только инженер Архимед преуспел в этом с небольшой помощью. Благодаря постройке спирали ему удалось спустить такой корабль в море. Архимед был первым, кто изобрел эту конструкцию спирали.
Элегантное устройство, которое может быть использовано для многих функций, например, для подъема воды из рек в более высокие места (водные сады и фермы), представлено на рисунке 10. Вероятно, он был изобретен Филоном Византийским (ок. 280–220 гг. до н.э.), о чем сообщают Олесон [23] и Лазос [47]. Это устройство можно использовать при сильном течении, идущем вниз по склону, которое достаточно обильно по отношению к воде, которую поднимает это устройство. Он состоит из прямоугольного здания, похожего на башню. От реки до башни прорубается траншея. Пропорции башни таковы, что она конструктивно не ослаблена своей высотой. На фундамент башни положен деревянный пол, опирающийся на каменную кладку и воду, направленную на нее. Вышка отводится на определенное расстояние от берега реки, чтобы масса воды в реке не могла попасть в местность, из которой собирается вода. Передняя и задняя части башни должны быть разнесены так, чтобы эта конструкция была ограничена местом, где черпается вода. Он установлен на очень прочном поперечном валу, ось которого несет шкивы. Каждый конец оси облицован и вставлен в квадратный подшипниковый элемент, представляющий собой гнездо, в котором он может легко вращаться. Еще одна сплошная ось размещена в верхней части башни, аналогично той, что находится в ее нижней части. Оросительное колесо находится в середине этой оси. На каждом конце двух осей прикреплены одинаковые шкивы колес.
Рисунок 10. Ковшовая цепь Филона с лопастным приводом (адаптировано из [48]).
Другой подъемный механизм, нагнетательный насос, был изобретен инженером (первоначально цирюльником) Ктесивием (или Ктесибием, или Тесибием) из Александрии (ок. 285–222 гг. до н. э.). Силовой насос был описан Героном Александрийским (ок. 10–70 гг. н.э.), математиком и инженером, в его книге «Пневматика», I 28, который считается величайшим экспериментатором древности, да Винчи античности. Кроме того, он был описан Филоном Византием (Pneumatica) и Витрувием (X 7, 1–3). Этот насос состоит из двух цилиндров с поршнями, которые приводились в движение с помощью шатунов, прикрепленных к противоположным концам одного рычага [49]. Нагнетательный насос использовался во многих приложениях, например, в колодцах для перекачки воды, в лодках для откачки льяльных вод, для откачки подвалов, в горнодобывающей промышленности, пожаротушении и водометах [50].
Ктесивиус изобрел мех до того, как изобрел свой насос [51]. Это был хитроумный механизм, состоящий из цилиндрического кожаного меха с деревянной кольцевой рамкой. В основании он имел тяжелый свинцовый диск с кожаными обратными клапанами, а в верхней части - деревянную крышку со встроенной в нее выпускной трубой. Он функционировал за счет возвратно-поступательного движения поворотного рычага, который был соединен с проточной трубой сильфона. Мех погружался в колодец, и вода поступала в клапаны его свинцового диска.
К сожалению, сочинения Ктесивия не сохранились, а его изобретения известны только по упоминаниям Витрувия, Герона Александрийского и Филона Византийского (ок. 230 г. до н. э.). Кроме того, труд Ктесивия был усовершенствован Витрувием, Филоном Византийским и Героном Александрийским [10,52]. Принцип работы нагнетательного насоса достаточно прост. Вода поступает через односторонний клапан в цилиндр, а затем выталкивается наружу под действием поршня через другой односторонний клапан в нагнетательную трубу (рис. 11, а, б).
4.2. Римский период
Поршневой насос Ктесивия использовался для подачи воздуха в гидравлис — первый известный музыкальный инструмент — фисгармонию, которая считается первым органом [49]. Его также изобрел Ктесивий. Гидравлис состоял из двух воздушных насосов Ктесивия, пнигеуса, с помощью которого регулировалось давление воздуха, клавиатуры и музыкальных труб (рис. 12, а, б).
Еще одно подъемное устройство, цепной насос, было изобретено в эллинистической Александрии инженером Филоном Византийским. Он состоял из набора горшков, прикрепленных к цепи или ремню, который приводился в движение вращающимся водяным колесом [50]. Цепной насос представляет собой тип подъема воды, при котором несколько круглых дисков расположены на бесконечной цепи. Одна часть цепи погружается в воду, а цепь проходит через трубку, немного превышающую диаметр дисков. По мере того, как цепь натягивается вверх по трубке, вода попадает в ловушку между дисками и поднимается и отводится наверху [10].
Несколько устройств, в том числе орган (фисгармония), были изобретены Героном Александрийским. Большинство из них были основаны на принципе сифона, или, в более общем смысле, на совместном действии давления воздуха и воды. Ктесивий, Филон Византийский и Герон Александрийский были тремя самыми известными инженерами эллинистической Александрии, чьи исследования знаменуют собой значительный прогресс в гидравлике. Этот прогресс позволил установить передовые системы водоснабжения, такие как в Пергамской цитадели, в которой были реализованы напорные трубы (вероятно, металлические) [50].
Другими типами водоподъемных устройств, которые также использовались для орошения в эленелистические годы, были различные типы тимпан (с неподвижными лопастями и вместимостью около 30 м)3·воды/ч) [8]. Волшебный фонтан был изобретен Героном Александрийским (ок. 10–70 гг. н.э.), древнегреческим математиком и инженером, который работал в своем родном городе эллинистической Александрии, Египет. Это был блестящий фонтан, который выбрасывал воду выше доступного уровня своего резервуара, якобы бросая вызов гидростатическому давлению. Он состоял из одного открытого и двух герметичных контейнеров, расположенных один над другим (рис. 13). Средний герметичный контейнер был наполнен водой, и пипетка начиналась немного выше его дна и вела к соплу над верхним открытым контейнером. Когда вода наливалась в верхнюю открытую емкость, она стекала по трубе в нижнюю герметичную емкость [49]. Сжатый воздух в этом нижнем контейнере был сжат, и он вытеснил воду из среднего контейнера через другую трубу, заставляя ее подниматься к соплу и образовывать небольшую струю. Струя воды дополняла воду верхней открытой емкости (поддерживая уровень постоянной). Таким образом, этот процесс был самоподдерживающимся и продолжался автоматически до тех пор, пока вся вода из среднего контейнера не была опорожнена (Герон Александрийский, Пневматика).
Херон описал конструкцию эолипиля (версия которого известна как двигатель Герона), который был ракетоподобным реактивным двигателем и первым зарегистрированным паровым двигателем. Эолопиль цапли показан на рисунке 14. Он был создан почти за два тысячелетия до промышленной революции [56]. Тассиос [57] утверждает, что эолипил был механически соединен с насосом Ктесивия, известным как первый паровой водяной насос на земле.
Рисунок 13. Волшебный фонтан Герона (Адаптировано из [49]).
Рисунок 14. Цапля [58].
Кроме того, цепные насосы использовались на протяжении веков во времена Римской империи в Средиземноморском регионе и в Европе. Такие насосы также использовались в Древнем Китае, по крайней мере, к 1 веку нашей эры. В Китае их называли драконьими хребтами. Одним из самых ранних описаний было описание философа династии Хань Ван Чуна около 80 г. н.э. [59].
5. Поздние китайские династииКо 2-му веку нашей эры, во времена династии Хань, китайцы также использовали цепные насосы, которые поднимали воду с более низкой высоты на более высокую высоту. Они приводились в движение ручными ножными педалями, гидравлическими водяными колесами или вращающимися механическими водяными колесами, запряженными волами. Вода использовалась для общественных работ по водоснабжению городских жилых кварталов и дворцовых садов, но в основном для орошения каналов сельскохозяйственных угодий и каналов на полях [59]. Драконий хребет подходит для подъема воды на глубину 1–2 м. Во времена династий Тан и Сун (618–1270 гг.) драконьи хребты наиболее широко использовались в ирригации, дренаже и водоснабжении. На рисунке 15 показаны три различных эскиза Сун Инсин времен династии Мин [40].
Рисунок 15. Три типа драконьих хребтов во времена династий Тан и Сун: (а) с ручным управлением; (b) с ножным управлением; и (в) приводимые в движение волами [40].
Первые ветряные мельницы были разработаны для автоматизации задач помола зерна и перекачки воды, а самой ранней известной конструкцией является система с вертикальной осью, разработанная в Персии около 500–900 гг. н.э. Первое использование, по-видимому, было для перекачки воды, но точный способ транспортировки воды неизвестен, потому что нет никаких чертежей или проектов — только устные отчеты. Первым известным документально подтвержденным проектом является персидская ветряная мельница. Он имел вертикальные паруса, сделанные из пучков тростника или дерева, которые крепились к центральному вертикальному валу горизонтальными распорками (рис. 16а). Американское приближение 19-го века к этому устройству панемона показано на рисунке 16b.
Ветряные мельницы с вертикальной осью также использовались в Китае, который часто считался их родиной. В то время как вера в то, что ветряная мельница была изобретена в Китае более 2000 лет назад, широко распространена и может быть точной, самая ранняя фактическая документация о китайской ветряной мельнице была в 12 веке во времена династии Мин [60] китайским государственным деятелем Йелу Чу-Тшаем [61]. Здесь также основными применениями, по-видимому, были измельчение зерна и перекачка воды [52]. Водяные колеса, приводимые в движение ветром, использовались в древнем Тибете и Китае с IV века [62].
Утверждается, что вавилонский император Хаммурапи планировал использовать энергию ветра для своего амбициозного ирригационного проекта в семнадцатом веке до нашей эры [63]. Одним из наиболее живописных и успешных применений энергии ветра (и тем, которое существует до сих пор) является широкое использование водонасосных машин. Очень яркий пример этого можно найти на острове Крит. Здесь и сегодня буквально сотни ветряков с парусными роторами качают воду для сельскохозяйственных культур и скота (рис. 17).
Рисунок 16. Персидская ветреница: (а) Рисунок персидской ветреницы; и (b) Американское приближение 19-го века (адаптированное из [61]).
Рисунок 17. Откачка воды парусно-крылыми машинами на плато Лассити на острове Крит (по материалам [64]).
В Индии в период Великих Моголов (начало 15 — конец 18 вв.) введение персидского водяного колеса и использование силы животных повысили устойчивость и доступность орошаемых районов, особенно в штате Пенджаб, расположенном в северо-западной части страны.
Первые ветряные мельницы, появившиеся в Западной Европе, имели конфигурацию горизонтальной оси. Причина внезапной эволюции персидского подхода к проектированию с вертикальной осью неизвестна, но тот факт, что европейские водяные колеса также имели конфигурацию с горизонтальной осью и, по-видимому, служили технологической моделью для ранних ветряных мельниц, может частично дать ответ на этот вопрос. Другой причиной, возможно, является более высокая конструктивная эффективность горизонтальных машин тормозного типа по сравнению с вертикальными машинами тормозного типа, которые теряют до половины площади сбора ротора из-за требований к экранированию. На первых иллюстрациях (1270 г. н.э.) изображена четырехлопастная мельница, установленная на центральном столбе, которая уже была довольно технологически продвинутой по сравнению с персидскими мельницами. В этих мельницах использовались деревянные зубчатые колеса для преобразования движения горизонтального вала в вертикальное движение для вращения точильного камня. Эта шестерня, по-видимому, была приспособлена для использования на столбовых мельницах от водяного колеса с горизонтальной осью, разработанного Витрувием [61].
Поршневой насос впервые появился в трудах Мариано ди Якопо (1382–1453), известного как Мариано Таккола, итальянского инженера, который считался предшественником Леонардо да Винчи. Этот поршневой насос [47] имел встроенную всасывающую трубу [65,66]. В 1580 году был изобретен пластинчато-скользящий насос, а вскоре после этого — шестеренчатый насос.
Поршневой вакуумный насос появился в 1650 году. Он состоял из поршня и цилиндра пневматической пушки с двусторонними заслонками и был изобретен в 1650 году фон Герике, немецким ученым и политиком. Кроме того, «плунжерный насос» был изобретен в 1675 году сэром Сэмюэлем Морландом (1625–1695), известным английским ученым и математиком 17-го века. Он запатентовал плунжерный насос, способный поднимать большое количество воды с гораздо меньшими усилиями, чем те, которые требуются цепным насосом или другими известными в то время насосами [67].
Самое раннее упоминание о цепных насосах встречается в вавилонском тексте, датируемом примерно 700 г. до н.э. [56]. Однако, как уже упоминалось, он был заново изобретен Филоном Византийским в эллинистический период и использовался римлянами и другими.
Ибн Исмаил ибн ар-Раззаз аль-Джазари (1136–1206 гг. н.э.) был выдающимся арабским мусульманским ученым, астрономом, изобретателем и инженером-механиком из Аль-Джазиры, Месопотамия. Аль-Джазари изобрел пять машин для подъема воды, а также водяные мельницы и водяные колеса с кулачками на оси, используемые для управления автоматами, примерно в 12-м и 13-м веках, и описал их в 1206 году [68]. Именно в этих водоподъемных машинах он привнес свои важнейшие идеи и компоненты (рис. 18).
Поршневой насос, изобретенный Ктесивиусом, был усовершенствован многими другими и имеет то преимущество, что он поднимает воду на любую высоту, в соответствии с тем, что насос и нагнетательная труба способны выдерживать гидростатическое давление. Однако у него есть существенные недостатки. Сначала насосный механизм погружается в воду; А во-вторых, если уровень воды упадет, баллон не наполнится. Решение этих проблем заключается в использовании всасывающего патрубка на входе насоса. Всасывающая труба не только позволяет размещать насос над водой; Он также приспосабливается к изменениям уровня воды. Теоретически высота всасывающей ступени может достигать 10 м, высоты, до которой атмосферное давление будет поддерживать столб воды, но на практике 7,62 м является максимальной высотой подъема воды.
Через несколько лет после первого эксперимента с вакуумом Гаспаро Берти, около 1640 года, бургомистром Магдебурга Отто фон Герике создал первые вакуумные насосы. С этого момента начинается история вакуумных устройств [69].
Рисунок 18. Устройство цепного насоса сакия с гидроприводом Αl-Jazari (адаптировано из [70]).
Нет никаких доказательств того, что водяные насосы или другие водоподъемные устройства были известны в доколумбовой Америке, даже в крупнейших империях, таких как инки в Южной Америке или ацтеки, майя и другие в Мезоамерике. Существует вводящее в заблуждение сообщение, сделанное испанским солдатом и летописцем Педро де Сьеса де Леоном (ок. 1518–1554 гг.), который сообщал, что видел насосы во время своего путешествия по горам современной Колумбии в главе XXXV «La Crónica del Perú» («Хроника Перу»). Сьеса де Леон обнаружил реки с очень необычной водой (ríos de agua muy единственного числа), с соленой водой на дне и пресной водой над ними ([71], стр. 387). По словам Сьеса де Леона, туземцы использовали своего рода корабельный насос («bomba de navío»), сделанный из выдолбленного толстого тростника, чтобы добывать соленую воду, не смешивая ее со свежей. Тем не менее, Рюден [72] сравнивает это описание для извлечения рассола с теми, которые использовали другие индейцы Южной Америки, заключая, что Сьеса де Леон ошибочно принял устройство из-за его формы. Туземцы добывали рассол с помощью трубы, и когда он достигал дна реки, они извлекали воду из верхнего конца трубы с помощью небольшого горшка (сначала пресная вода, а затем соленая). Таким образом, Rydén [72] решительно заключает, что насос должен был быть неизвестен южноамериканским индейцам в доколумбовые времена. Хроник с описаниями водных устройств в Мезоамерике не сохранилось, что позволило бы распространить вывод Рюдена на север континента.
8. СовременностьВ конце 18 века прорыв был обеспечен, когда Джеймс Уатт изобрел паровой двигатель. В 19 веке производство тепловых и электрических двигателей, бурное развитие промышленности и рост городского населения поставили задачи, решение которых было невозможно без применения насосов. В это время производство насосов стало важной отраслью промышленности, и его значение со временем только возрастало, постоянно изыскивались пути улучшения характеристик насосов и для того, чтобы сделать эти устройства более надежными, эффективными и экономичными [73].
В настоящее время поршневые насосы, центробежные устройства и даже вакуумные насосы открывают новые горизонты в эксплуатации и управлении водными ресурсами. Однако некоторые из основных принципов действительно уходят корнями в античность. Основная идея использования энергии для увеличения потенциальной энергии воды остается прежней. Кроме того, ранние насосные механизмы, такие как винт Архимеда, представляют собой первые парадигмы объемных насосов. Кроме того, винт Архимеда – это лишь характерная парадигма, которая обосновывает значимость и особенно долговечность и устойчивость древних водных технологий, на протяжении всей мировой истории. Эти технологии лежат в основе современных достижений наук о воде. Это лучшее доказательство того, что прошлое является ключом к будущему.
Серия водяных винтов Архимеда в их современном виде (в которых стенки не прикреплены к винту), применяемых на очистных сооружениях (СОСВ) по всему миру. В качестве примера на рисунке 1 показана насосная станция очистных сооружений в Боттропе, городе на западе центральной Германии, на канале Рейн-, которая обслуживает 350 000 19 э.с. (эквивалентное население). Его мощности достаточно для успешной обработки водосборного бассейна протяженностью около 240 км2 Таким образом, в дополнение к воде Emscher, он также может обрабатывать бытовые и промышленные сточные воды четырех городов.
Рисунок 19. Вид насосной станции очистных сооружений в г. Боттроп, Германия (с разрешения А. Н. Ангелакиса).
В ходе своей миссионерской деятельности католический орден иезуитов сыграл важную роль в передаче западной науки и техники в Китай в 17-18 веках. Несмотря на то, что их вклад в технологические знания был широко исследован, их влиянию на гидравлику в Китае до сих пор уделялось мало внимания [74]. Несколько наглядных примеров применения западных гидравлических знаний в Китае появились с изданием двух специализированных книг с иллюстрациями гидравлических машин, в том числе о строительстве насосной станции в старом Летнем дворце в Пекине [74].
9. ЭпилогПоиск эффективных технологических решений проблем водоснабжения имеет давнюю историю и берет свое начало в доисторические времена. Союз технологии с наукой и философией, начавшийся в древней Месопотамии, Египте, Элладе, Китае и Индии, был важным достижением. Потребность человека в доступе к водным ресурсам всегда была первостепенной проблемой не только для обеспечения выживания, но и для улучшения качества жизни. Откачка действительно способствовала развитию поселений в местах, которые не были устойчивыми в древние времена. Обеспечение водоснабжения населения города, а также развитие сельского хозяйства в значительной степени зависело от способности транспортировать воду на большие расстояния и в гору, работая против силы тяжести.
Необходимость всасывания, транспортировки и распределения воды путем преодоления сил трения и силы тяжести нашла свое решение в различных видах насосов (водоподъемных устройствах). Энергия, необходимая для преодоления этих сил, естественно, обеспечивалась живой силой (ручная откачка), животными и эксплуатацией сил природы (ветер и водный поток). Ранние механические насосы были простыми, но в то же время очень изобретательными устройствами, которые позволяли использовать природные источники энергии для выполнения желаемой задачи транспортировки и подъема воды. В истории было установлено несколько вех, от минойских, египетских, китайских и персидских шадуфов и винта Архимеда до современных поршневых и вакуумных насосов, еще раз доказавших изобретательность человека. Промышленная революция (изобретение парового двигателя и разработка электродвигателей) принесла новые возможности и производительность за счет использования химических и электрических форм энергии, но современные насосы по-прежнему основаны на первых концепциях в том, что касается их механических принципов работы. Действительно, современные центробежные и объемные насосы явно берут свое начало в древних концепциях и конструкциях [64]. Основное отличие заключается в способе обеспечения необходимой энергией.
Многие древние цивилизации, такие как египетская, персидская, индийская и китайская, искали технологические решения для подъема и транспортировки воды. Оценивая историю насосного и водного транспорта, мы должны опираться на археологические находки и исторические записи. Отсутствие исторических записей, конечно, ограничивает наше понимание доступности этих технологий в некоторых древних культурах, таких как доколумбовая Америка.
Наше исследование различных технологий, используемых во всем мире, ясно показывает, что существует много общего в методах и технологиях, используемых различными древними цивилизациями. Во многих случаях невозможно определить, где и кем была впервые изобретена та или иная технология. Как известно, древняя эллинская культура считается родиной западной цивилизации около 4000 лет назад. Вклад древних эллинов в области демократии, науки, философии, искусства, архитектуры и истории, без сомнения, не имеет себе равных и до сих пор влияет на жизнь людей.
В частности, древняя эллинская технология, впервые разработанная примерно в 5 веке до н.э., продолжалась до римского периода включительно и далее. Что касается гидравлической техники, то древние эллины, путешествуя и занимаясь торговлей, соприкасались и ассимилировали методы других цивилизаций, развивали их дальше и изобретали с большой изобретательностью новые, такие как знаменитые машины 3-го века до н.э., такие как гидравлический винт, вращающаяся мельница, винтовой пресс, методы бронзового литья, гидравлические часы, орган воды и многие другие. Эти изобретения составляют сегодня строительные блоки нашей современной техники, развитие которой без них было бы сомнительным. Исследования этой эпохи показывают, насколько больше (чем мы думаем) современная западная технологическая цивилизация обязана эллинской. По-видимому, идеи, технологии и практики, разработанные в большинстве эллинских цивилизаций, сильно повлияли на наши современные технологические знания; Как выразился Уилл Дюрант (1939): «За исключением машин, в нашей культуре едва ли есть что-то светское, что не пришло бы из Эллады» [75].
Следует отметить, что, хотя использование современных насосов может помочь улучшить водоснабжение и расширить орошаемое земледелие в мире, экстремальная добыча подземных вод также представляет серьезную угрозу устойчивому развитию. Злоупотребление мощностью насоса и новыми технологиями показано на рисунке 20 [76]. Как показано, несмотря на то, что высокая производительность насосов за счет использования электроэнергии вместо ручных насосов привела к увеличению плодородных земель, соседние фермеры были лишены минимальных источников воды для орошения своих земель, в то время как они винят в сложившейся ситуации правительство. В этом мультфильме наглядно представлены вызовы современных технологий и ключевая роль как правительства, так и фермеров в правильном использовании насосов и других водоподъемных устройств для достижения устойчивого развития.
Рисунок 20. Неправильное использование современных насосов (по материалам [76]).
Технологии имеют тот же возраст, что и человечество. С древности и до наших дней большинство технологических инноваций распространялись или исчезали в ответ на потребности и коммерческие перспективы облегчения жизни человека. В наши дни технологии представляют собой сложное социальное предприятие, которое включает в себя не только исследования, дизайн и ремесла, но и финансы, производство, управление, рабочую силу, маркетинг и техническое обслуживание.
Спрос на водоподъемную технику для удовлетворения питьевых, пищевых и бытовых нужд очень высок в бедных странах третьего мира. В этих странах водоподъемные технологии находят ограниченное применение из-за совокупности технических, экономических и социальных причин. Очевидными причинами являются требуемые капитальные и эксплуатационные затраты, а также полное отсутствие вспомогательных услуг по техническому обслуживанию. Вероятно, большинство мелких фермеров стремятся к безопасности и придерживаются знакомых и легкодоступных технологий, для которых помощь, советы и запасные части не нужны или легко доступны, а риски сведены к минимуму. Однако, если бы все следовали этому менталитету, новые и, возможно, в конечном итоге лучшие технологии никогда бы не стали доступными.
Поэтому правительства, международные агентства и институты по оказанию помощи должны предпринимать инициативы по будущему развитию мелкого сельского хозяйства. Кроме того, они должны взять на себя риски в этой области от имени местных фермеров, а также протестировать и продемонстрировать любые технологии, которые представляются перспективными в местном ирригационном контексте. В большинстве беднейших развивающихся стран мира существуют стимулы для увеличения сельскохозяйственного производства, что требует насосного орошения. В то же время возрастает потребность в поиске методов питания ирригационных насосов, не зависящих от импортируемой нефти и электроэнергии.
Действительно, существует возможность сочетания старых технологий с современными техническими знаниями и оборудованием. Френкель [33] отметил, что, прежде чем искать радикально новые методы подъема воды, существует также много возможностей для улучшения традиционных и традиционных методов перекачки и распределения воды.
Широкий спектр возможностей обеспечения энергией для перекачки воды включает в себя как традиционные технологии (например, ветряные мельницы и т. д.), так и совершенно новые технологии, которые возникли благодаря совсем недавним разработкам, таким как солнечные фотоэлектрические насосы. Кроме того, существуют технологии, которые широко и успешно применяются только в одном районе, но остаются неизвестными и неиспользуемыми в других районах со схожими климатическими условиями. В качестве примера можно привести турбинный насос с гидроприводом, который широко (десятки тысяч) используется только в Китае [33]. Технология водяного колеса была усовершенствована до уровня искусства вплоть до времени промышленной революции. КПД водяных колес приблизился к 70% [77].
Фактом является то, что древние насосные технологии до сих пор используются в некоторых частях развивающегося мира. Приоритеты исследований должны быть направлены на разработку экономически эффективных подходов и практик, основанных на модернизации недорогих исторических технологий гидролифтинга путем замены мускульной силы (человека или животного) естественными источниками энергии. Это стало возможным благодаря недавнему технологическому прогрессу в секторе возобновляемых источников энергии. Хорошая парадигма восходит к эллинистическим временам, когда Герон Александрийский заменил мускульную силу для управления рычагом Гидравлиса (Водного органа) энергией ветра [57]. Другим примером является адаптация традиционного водяного колеса, которое представляет собой простую конструкцию для использования с возобновляемыми источниками энергии, обеспечивая таким образом устойчивое решение для удовлетворения потребностей в воде для развития сельского хозяйства.
Подтверждения
Часть этой работы была представлена на 1-м Региональном симпозиуме МАТ «Вода, сточные воды и окружающая среда: традиции и культура», который состоялся в Патрах, Греция, 22–25 марта 2014 года.
Вклад авторовСтаврос И. Яннопулос подготовил рукопись и собрал в основном эллинские и римские данные; Герасимос Либератос сделал рецензию на нее, исправления на английском языке и внес свой вклад в подготовку рукописи; Николаос Теодоссиу проанализировал данные и систематизировал методологию; Ван Ли собирал и анализировал данные для азиатской цивилизации, Мохаммад Валипур собирал и анализировал данные для персидской цивилизации, а также проблемы неправильного использования современных насосов; Альдо Тамбуррино собирал и анализировал в основном данные за доколумбовые времена в Америке; и Андреас Н. Ангелакис имел оригинальную идею и руководил исследованием.
Reply all
Reply to author
Forward
This conversation is locked
You cannot reply and perform actions on locked conversations.
0 new messages