принцип работы водяной мельницы для муки
Водяные мельницы: старинный опыт для получения бесплатного электричества
Энергия воды с древних времен использовалась людьми для облегчения их обременительного труда. Вода в свое время являлась лучшим помощником в решении многих задач. Она была первым и единственным источником энергии. Сегодня прогресс шагнул далеко вперед, но принципы использования гидроэнергетики остались неизменными.
Первые водяные мельницы
Первые воспоминания об использовании движущей силы воды датируются 3000 лет до нашей эры. Это были водяные колеса в Индии, Китае, Древнем Египте. Тогда вода поднималась при помощи колес в оросительные каналы.
Позже древние греки пришли к открытию, что водяные колеса можно соединять с другими механизмами и выполнять с их помощью работу в других направлениях. Так появились первые мельницы. Они перемалывали урожай зерновых культур в муку.
Колесо состояло из двух ободов одного диаметра. Они были соединены между собой перегородками – лопастями. Перегородки образовывали ковши. Само колесо располагалось на горизонтальном валу.
Принцип работы первой водяной мельницы был следующим:
Эволюция водяных мельниц
Быстрыми темпами технология использования гидроэнергии совершенствовалась. Мельницы стали выполнять все больше новых функций, чем значительно облегчали жизнь простым людям. Они брали на себя изнурительную работу в самых разных направлениях производства, за что высоко ценились.
Водяные мельницы вращали станки, пилорамы, выжимали масло, размягчали яблоки для напитков, толкли, пряли, добывали руду. Их использование было повсеместным и в ХХVII-XVIII веке достигло широких масштабов в Росси и мире.
В XIX веке водные механизмы стали вытеснять паровые двигатели. Они не были привязаны к источникам вод, что и было их преимуществом. Однако энергия воды все так же применялась достаточно активно.
Первая водная электростанция
В начале ХХ века водяные двигатели начали возрождаться и переживать новый виток в истории своего развития. В 1882 году в США была создана первая гидроэлектростанция. Динамо-машина, которую приводила в движение энергия воды, подавала электричество на фабрики и в жилые дома. Скоро их заменили водяные турбины, обладающие намного большей мощностью. При этом гидротурбины имели примерно такой же размер, что и водяные колеса.
Перспективы гидроэнергетики
Новое – это давно забытое старое. Современные гидроэлектростанции постепенно набирают популярность и снова становятся востребованными. Те же самые принципы работы механизмов совершенно не изменились спустя столетия. Сегодня малая гидроэнергетика является хорошей альтернативой другим источникам энергии. Ее использование имеет большие перспективы развития, поскольку вопрос безопасности окружающей среды и здоровья человека, сегодня стоит, как никогда, остро.
Водяной электрогенератор – источник бесплатного электричества
Сегодня без проблем можно найти на рынке различные водяные генераторы, миниатюрные ГЭС разной мощности. Их применяют в сельском хозяйстве, для бытовых нужд в частных и загородных домах, на базах отдыха и даже в речном транспорте. Такие генераторы отличаются от старых водяных мельниц только внешним видом и некоторыми немного усовершенствованными механизмами. Выбрать подходящий для себя не сложно, нужно учесть его мощность и напор воды, в зависимости от цели приобретения.
Гидравлическую установку для бесперебойного доступа к электроэнергии можно соорудить собственноручно. Это давно практикуется простыми сельскими жителями. Однако без специальных знаний и определенных навыков не обойтись. Идею сможет воплотить в жизнь только человек, обладающий элементарными знаниями законов физики и механики.
Учеными активно разрабатываются новые технологии и методы использования гидроэнергетики для получения бесплатной электроэнергии. Новые разработки, внедряемые в этой сфере, постепенно снова приводят человечество к энергии воды. Ни солнце, ни ветер, которые тоже рассматриваются в качестве альтернативны, не имеют таких перспектив. Они непостоянны и не могут обеспечить стабильное снабжение энергией. Вода – единственный источник, с которого все начиналось, и к которому все снова возвращается в наше время.
Водяная мельница
Наша главная пища — хлеб. Он готовится из муки, а её получают, измельчая зерно. Перемалывание муки — тяжёлый труд, и, когда с развитием сельского хозяйства стали производить много зерна, проблема с его переработкой встала особенно остро. Неудивительно, что именно в мукомольном деле возникла одна из первых в истории машин — водяная мельница, вращаемая энергией течения рек.
Чем молоть муку
В древнейшие времена зерно толкли пестиком в ступке, потом выяснили, что легче растирать зерно между двумя камнями, в зернотёрке. Идея использовать вращательные движения при растирании зерна пришла с изобретением колеса. Так появился ручной жёрнов — два дисковидных камня, скользящих один по другому, между которыми перетиралось зерно. В Древней Греции и Риме уже были жернова всех размеров.
Маленькие жернова, наподобие кофемолок, одной рукой держали, а другой вращали. Большие жернова ставили на колоду и вращали двумя руками. Были и огромные жернова, которые крутили рабы, быки или ослы. Монотонность этой работы натолкнула на мысль придумать двигатель, заменив им мускульную силу человека и животных.
Колесо и река
Прототип мельничного колеса — водочерпальное колесо, чадуфон, который появился ещё в V в. до н. э. в Египте, Китае и Индии. Чадуфоны поднимали из реки воду для орошения полей. По периметру большого обода, нижней частью погружённого в реку, насаживались черпаки. Обод вращался, черпаки по очереди опускались воду, зачерпывали её, поднимались наверх и опрокидывались в жёлоб, ведущий к оросительному каналу.
Первые чадуфоны вращались вручную, но там, где течение быстрое, обод стали снабжать лопатками — появилось водяное колесо. Течение напирало на лопатки и проворачивало колесо — так появилась поливальная машина, первый механизм, работающий без участия человека, за счёт природной энергии. Там, где течение было недостаточно сильным для вращения колеса, реку перегораживали плотиной, создавая искусственный водопад, а колесо ставили под ним так, чтобы вода вращала его, падая на лопатки сверху. Изобретение такого природного двигателя породило идею его использования и для других целей — например, для вращения жерновов.
Колёсная передача
Водяное колесо вращается в вертикальном положении, а жернова вращаются в горизонтальном положении. Как передать движение от водяного колеса к жерновам? Древние изобретатели, например Ктесибий, уже использовали для аналогичных устройств колёсную (зубчатую) передачу.
Если 2 колеса плотно соприкасаются, то, как только одно начинает вращаться, другое из-за возникающей между ними силы трения тоже будет вращаться. Но гладкие колёса проскальзывали, и «связку» меж ними усилили с помощью зубцов. Зубчатое колесо также называют шестерёнкой. Вращающееся колесо называется ведущим, а колесо, которому передаётся вращение, — ведомым.
Устройство мельницы
Водяная мельница появилась во II в. до н. э. и состояла из трёх основных частей: двигательного механизма (водяного колеса), передаточного механизма (системы зубчатых передач) и исполнительного механизма (жерновов).
Рядом с рекой, на которой установлено водяное колесо (1), строилось здание (2), в котором помещался мельничный механизм. На одной оси (3) с водяным колесом крепилась вертикальная шестерёнка (4). Она вращала горизонтальную шестерёнку (5), образуя первую зубчатую передачу. Шестерёнка (5) через общую ось передавала вращение шестерёнке (6), а та второй зубчатой передачей заставляла вращаться горизонтальную шестерёнку (7). Шестерёнка (7) и насаженный на её ось нижний жёрнов (8) вращались вместе. Нижний жёрнов на полу второго этажа скользил в полозе неподвижного верхнего жёрнова (9), прикреплённого к потолку. На третьем этаже находилась воронка (10) для подачи зерна в жернова. Мешки с зерном (11) наверх поднимались с помощью полиспаста (12). Смолотая мука из отверстия нижнего жёрнова по деревянной трубе (13) ссыпалась в мешки на первом этаже (14). Для отключения мельницы перегородкой (15) перекрывали поток, текущий к водяному колесу.
Развитие идеи
Водяные мельницы в мукомольном производстве использовались до начала XX в. В качестве гидравлических двигателей водяные колёса применялись для насосов в шахтах и рудниках, для размола бумаги на бумажных фабриках, для вздувания кузнечных мехов, для лесопилок и разных станков. С XII в. наряду с водяными стали появляться ветряные мельницы. Они были устроены так же, как и водяные, но приводились в движение энергией ветра, а не воды. В наше время устройства, подобные водяным и ветряным мельницам, вырабатывают электроэнергию — водяные колёса применяются в гидростанциях, а ветряные вертушки — в ветрогенераторах.
Ликбез: Как устроена мельница
Вы никогда не думали как из зерна получается мука? Мне вот всегда было интересно как работали древние мельницы. В Суздале нам подробно все разъяснили.
Понятно, что ветер вращает эти лопасти. Каркас у них деревянный, а обтянуты они были материей, парусиной.
А знаете для чего вот эти палки сзаду мельницы? Думаете, чтобы она не попадала? 😉
А вот и фигушки. С их помощью всю мельницу ПОВОРАЧИВАЛИ, чтобы ловчей поймать ветер, ну не прикол? :-))
Механику работы мельницы нам объяснили на вот этой модели, которая находилась внутри мельницы настоящей и, в отличие от последней, была в рабочем состоянии ;-))
Ну, в общем ветер вращает лопасти, лопасти вращают вот это горизонтальное полено:
Горизонтальное полено, с помощью древних шестерёнок вращает уже полено вертикальное:
Вертикальное полено, в свою очередь, с помощью таких же шестеренок вращает эдакие каменные блины – жернова, вон там внизу, видите?:
А сверху в дырки жерновов сыпалось зерно из вот этих ящичков, похожих на перевёрнутые пирамидки. Готовая мука через дырки в деревяхе передней стенки валилась в специальный ящик, обзываемый «сусеком».
Помните сказку про колобка? 😉 «Бабка по амбару помела, по сусекам поскребла…» Я в детстве все время недоумевала, что за сусеки такие в которых можно муки намести на целый колобок? В нашей-то квартире мука по ящикам просто так не валялась. ;-)) Ну и вот, не прошло и сорока лет, как загадка была разгадана! 8-)))
Мельница — ветряная и водяная
Самые древние приспособления для перемалывания зерна в муку и обдирания его в крупу сохранялись как семейные мельницы до начала ХХ в. и представляли собой ручные жернова из двух круглых в сечении камней из твердого кварцевого песчаника диаметром 40—60 см. Древнейшим типом мельниц считаются сооружения, где жернова вращались с помощью домашних животных. Последняя мельница такого типа прекратила свое существование в России в середине ХIХ в.
Энергию падающей на колесо с лопастями воды россияне научились использовать в начале второго тысячелетия. Водяные мельницы всегда были окружены ореолом таинственности, овеяны поэтическими легендами, сказаниями и суевериями. Мельницы-колесухи с омутом и водоворотом сами по себе небезопасные конструкции, что отражено в русской пословице: «Со всякой новой мельницы водяной подать возьмет».
Письменные и графические источники свидетельствуют о широком распространении в средней полосе и на Севере ветряных мельниц. Нередко крупные села были окружены кольцом в 20—30 мельниц, стоявших на высоких, открытых ветрам местах. Ветряные мельницы за сутки размалывали на жерновах от 100 до 400 пудов зерна. В них имелись также ступы (крупорушки) для получения крупы. Для того чтобы мельницы работали, их крылья надо было поворачивать под менявший направление ветер — это обусловило сочетание в каждой мельнице неподвижной и подвижной частей.
Русскими плотниками создано много разнообразных и остроумных вариантов мельниц. Уже в наше время зафиксировано более двадцати разновидностей их конструктивных решений.
Из них можно выделить два принципиальных типа мельниц: «столбовки»
Первые были распространены на Севере, вторые — в средней полосе и Поволжье. Оба названия отражают также принцип их устройства.
В первом типе мельничный амбар вращался на врытом в землю столбе. Опорой служили либо дополнительные столбы, либо пирамидальная бревенчатая клеть, рубленная «в реж», либо рама.
Принцип мельниц-шатровок был иной
Все типы и варианты мельниц поражают точным конструктивным расчетом и логикой врубок, выдерживавших ветры большой силы. Народные зодчие уделяли также внимание внешнему облику этих единственных вертикальных хозяйственных сооружений, силуэт которых играл немалую роль в ансамбле селений. Это выражалось и в совершенстве пропорций, и в изяществе плотницких работ, и в резьбе на столбах и балконах.
Схема ветряной мельницы
Мельница на ослиной тяге
Мельничный постав
Жернова представляют каменные круги значительной толщины, имеющие в средине сквозное отверстие, называемое очком, а на мелющей поверхности т. н. насечку (см. ниже). Нижний жернов лежит неподвижно; его очко плотно закрыто деревянною втулкою, кружловиною g, сквозь отверстие в центре которой проходитъ веретено С; на вершине последнего насажен бегун посредством железного стержня CC, укрепленного концами в горизонтальном положении в очке бегуна и называемаго параплицею, или порхлицею.
В средине параплицы (и, следовательно, в центре жернова) с нижней ее стороны проделано пирамидальное или коническое углубление, в которое и входитъ соответственно заостренный верхний конец веретена С.
Цевочная шестерня вращается помощью лобового колеса F, имеющего на правой стороне своего обода зубья, захватывающие за палочки цевочной шестерни и таким образом вращающие ее вместе с веретеном.
Размол зерна происходит в промежутке между верхнею поверхностью нижняка и нижнею бегуна. Оба жернова одеты кожухомъ N, который препятствует разбрасыванию зерен. По мере размола, зерна подвигаются действием центробежной силы и напором вновь прибывающихъ зерен) от центра нижняка к окружности, падают с нижняка и идут по наклонному желобу, в пеклевальный рукав R — для просеивания. Рукав Е сделан из шерстяной или шелковой ситяной ткани и помещен в закрытом ящике Q, из которого выставляется его нижележащий конец.
Сначала просеивается тонкая мука и падает в задней части ящика; более грубая высевается в конце рукава; отруби задерживаются на ситке S, а самая грубая мука собирается в ящик T.
Жернова
Поверхность жёрнова разделена глубокими желобами, называемыми бороздами, на отдельные плоские участки, называемые мелющими поверхностями. От борозд, расширяясь, отходят более мелкие желобки, называемые оперением. Борозды и плоские поверхности распределяются в виде повторяющегося рисунка, называемого гармошкой.
У типичного мукомольного жёрнова имеется шесть, восемь или десять таких гармошек. Система желобов и желобков, во-первых, образует режущую кромку, а во-вторых, обеспечивает постепенное ссыпание готовой муки из-под жерновов. При постоянном использовании жернова? требуют своевременного подтачивания, то есть подравнивание краев всех желобов для поддерживания остроты режущей кромки.
Жернова используются парно. Нижний жёрнов устанавливается стационарно. Верхний жёрнов, он же бегун, — подвижный, и именно он производит непосредственное перемалывание. Подвижный жернов приводится в движение крестообразным металлическим «штифтом», установленным на головке главного стержня или ведущего вала, вращающегося под действием основного механизма мельницы (использующего энергию ветра или воды). Рельефный рисунок повторяется на каждом из двух жерновов, таким образом обеспечивая эффект «ножниц» при размалывании зерен.
Жернова должны быть одинаково сбалансированными. Правильное взаимное расположение камней критически важно для обеспечения помола муки высокого качества.
На трущихся поверхностяхъ жернов делают насечку, т. е. пробивают ряд углубленных бороздок, и промежутки между этими бороздками приводят в грубо-шероховатое состояние. Зерно попадает во время размола между бороздками верхнего и нижнего жернов и разрывается и разрезывается острыми режущими краями бороздок насечки на более или менее крупные частицы, которые размалываются окончательно по выходе из бороздок.
Бороздки насечки служат также какъ бы путями, по которым размалываемое зерно подвигается от очка к окружности и сходить с жернова. Так как жернова, даже из лучшего материала, стираются, то насечка должна быть возобновляема время от времени.
Описание конструкций и принципа действия мельниц
Столбовками мельницы названы за то, что их амбар покоится на столбе, вкопанном в землю и обложенном снаружи срубом-ряжем. В нем заделаны балки, удерживающие столб от смещения по вертикали. Конечно, амбар покоится не только на столбе, но на срубе-ряже (от слова режь, бревна, врубленные не плотно, а с прозорами). Поверх такого ряжа делается ровное круглое кольцо из пластин или досок. На него и опирается нижняя рама собственно мельницы.
Ряжи у столбовок могут быть разной формы и высоты, но не выше 4 метров. Они с земли могут подниматься сразу в виде четырехгранной пирамиды или сначала вертикально, а с какой-то высоты переходить в усеченную пирамиду. Встречались, правда очень редко, мельницы на невысокой раме.
Основание шатровок тоже может быть по форме и конструкциям различным. Например, пирамида может начаться с уровня земли, а конструкция быть не срубной, а каркасной. Пирамида может опираться на срубный четверик, а к нему могут быть пристроены подсобные помещения, тамбур, помещение для мельника и т.д.
Главное в мельницах их механизмы.
В шатровках внутреннее пространство разделено перекрытиями на несколько ярусов. Сообщение с ними идет по крутым лестницам чердачного типа через люки, оставленные в перекрытиях. Части механизма могут располагаться на всех ярусах. А их может быть от четырех до пяти. Стержнем шатровки служит могучий вертикальный вал, пронизывающий мельницу насквозь до «шапки». Он опирается через металлический подпятник, закрепленный в балке, которая лежит на брусчатой раме. Балка с помощью клиньев может перемещаться в разные стороны. Это позволяет придать валу строго вертикальное положение. Тоже самое можно проделать и при помощи верхнего бруса, где штырь вала заделан в металлическую петлю.
В нижнем ярусе на вал надета большая шестерня с кулачками-зубьями, закрепленными по наружному контуру круглой основы шестерни. При работе движение большой шестерни, умноженное в несколько раз, передается на малую шестерню или цевку другого вертикального, уже металлического обычно вала. Этот вал прошивает неподвижный нижний жернов и упирается в металлическую планку, на которой через вал подвешен верхний подвижный (вращающийся) жернов. Оба жернова одеты деревянным кожухом с боков и сверху. Жернова устанавливаются на втором ярусе мельницы. Балка в первом ярусе, на которую опирается малый вертикальный вал с малой шестерней, подвешена на металлическом нарезном штыре и с помощью нарезной же шайбы с рукоятками может быть слегка поднята или опущена. С нею поднимается или опускается верхний жернов. Так регулируется тонкость помола зерна.
От кожуха жерновов вниз наклонно пропущен глухой дощатый желоб с доской задвижкой на конце и двумя металлическими крючками, на которые подвешивается мешок, наполняемый мукой.
Рядом с блоком жерновов устанавливается кран-укосина с металлическими дугами-захватами. С его помощью жернова могут сниматься со своих мест для отковки.
Над кожухом жерновов с третьего яруса спускается жестко закрепленный к перекрытию подающий зерно бункер. Он имеет задвижку, с помощью которой можно перекрыть подачу зерна. Он имеет форму опрокинутой усеченной пирамиды. Снизу к нему подвешен качающийся лоток. Он для пружинистости имеет можжевеловую планку и штырь, опущенный в отверстие верхнего жернова. В отверстии эксцентрично устанавливается металлическое кольцо. Кольцо может быть и с двумя-тремя косыми перьями. Тогда устанавливается симметрично. Штырь с кольцом называются обечайкой. Пробегая по внутренней поверхности кольца, штырь все время меняет положение и раскачивает косо подвешенный лоток. Это движение ссыпает зерно в зевло жернова. Оттуда оно попадает в зазор между камнями, размалывается в муку, та поступает в кожух, из него в закрытый лоток и мешок.
Зерно засыпается в бункер, врезанный в пол третьего яруса. Мешки с зерном подаются сюда с помощью во’рота и веревки с крюком. Ворот может подключаться и отключаться от шкива, насаженного на вертикальный вал. Делается это снизу с помощью веревки и рычага. В досках перекрытия прорезан люк, перекрытый наклонно поставленными двухпольными створками. Мешки, проходя через люк, открывают створки, которые потом произвольно захлопываются. Мельник отключает ворот, и мешок оказывается на крышках люка. Операция повторяется.
В последнем ярусе, находящемся в «шапке», на вертикальном валу установлена и закреплена другая, малая шестерня со скошенными кулачками-зубьями. Она заставляет вращаться вертикальный вал и запускает весь механизм. Но ее заставляет работать большая шестерня на «горизонтальном» валу. Слово в кавычки заключено потому, что фактически вал лежит с некоторым уклоном внутреннего конца вниз. Штырем этого конца он заключен в металлическом башмаке деревянной рамы, основы шапки. Приподнятый конец вала, выходящий наружу, спокойно лежит на камне-«подшипнике», слегка скругленном сверху. На валу в этом месте врезаны металлические пластины, предохраняющие вал от быстрого стирания.
Шестерня «горизонтального» вала снабжена зубьями, врезанными в боковую сторону круга. Сверху ее обнимает тормозная деревянная колодка, которая с помощью рычага может быть освобождена или сильно затянута. Резкое торможение при сильном и порывистом ветре вызовет высокую температуру при трении дерева о дерево, и даже тление. Этого лучше избегать.
Вокруг мельницы вкапывали небольшие столбики количеством не менее 8 штук. К ним «водило» и крепилось цепью или толстой веревкой. Силою 4-5 человек, даже если верхнее кольцо шатра и части рамы хорошо смазаны солидолом или чем-то подобным (ранее смазывали свиным салом), провернуть «шапку» мельницы очень трудно, почти невозможно. «Лошадиная сила» тут тоже не годится. Поэтому пользовались небольшим переносным воротом, который попеременно одевали на столбики его трапециевидной рамой, служившей основанием всей конструкции.