В девятнадцатом веке миниатюрные водяные турбины были подключены к крану, и могли приводить в действие любую машину, которая сейчас приводится в действие электричеством.
Мало кто в западном мире осознает, что у них дома, в мастерской или на фабрике есть дополнительный источник энергии: водопроводная вода. Незадолго до появления электричества в конце девятнадцатого века в Европе и Америке широко использовались водяные двигатели. Эти миниатюрные водяные турбины подключались к крану и могли приводить в действие любую машину, которая сейчас приводится в действие электричеством.
Энергия из крана
Вода была основным неодушевленным источником механической энергии с древности вплоть до начала двадцатого века. Хотя большинство водяных колес располагалось на берегах реки (или в самой реке), некоторые были установлены на значительном расстоянии от источника воды. Это стало возможным благодаря внедрению гидравлической передачи энергии — процесса, при котором вода из ручья направляется через искусственные водотоки к водяным колесам, построенным на земле. Для поддержки гидравлической передачи энергии искусственные каналы («энергетические каналы» или «акведуки») могли быть вырыты в земле или высечены в скалах («рвы»). Они также могли быть приподнятыми сооружениями, стены которых возвышались над окружающей местностью («лотки»). Водохранилища, образованные плотинами, могли быть интегрированы в эти сети электропередачи, регулируя поток воды, обеспечивая хранение энергии в периоды, когда вода была низкой, и увеличивая «напор» или падение воды для вертикального водяного колеса с верхним выбросом. Использование энергетических каналов увеличивалось в течение всего средневекового периода и стало широко распространенным в 1500-х годах. В середине девятнадцатого века многие европейские и американские города ввели более сложную систему распределения воды: общественное водоснабжение. Хотя это введение было ответом на проблемы со здоровьем (стало ясно, что повторяющиеся эпидемии были следствием употребления загрязненной воды), быстро стало очевидно, что питьевая вода, подаваемая по трубопроводам общественного водоснабжения, также может обеспечивать движущую силу. Водяные колеса по-прежнему были самым важным источником механической энергии в первые дни существования общественных водопроводов. В большинстве европейских и американских городов водопроводная вода была раньше, чем электричество, поэтому существовал рынок для компактного источника энергии, который можно было бы использовать в городе, в качестве альтернативы паровым двигателям (которые были слишком дорогими, слишком опасными и слишком непрактичными для работы в небольших масштабах) или машинам с ручным и ножным приводом.
Городские магистрали ничем не отличались от гидравлических систем передачи электроэнергии, построенных в более ранние времена. В системах общественного водоснабжения традиционная опора на геологические особенности в качестве напора для гидроэнергетического цикла заменяется использованием водонапорной башни. Вода закачивается в приподнятый резервуар, который может находиться на холме или на вершине специально построенной водонапорной башни (также возможна комбинация того и другого). Разница высот между уровнем воды в резервуаре и уровнем воды в магистрали определяет давление воды. На каждые 10,20 см подъема столб воды создает 0.01019 килограмм на квадратный сантиметр давления.
Быстро стало очевидно, что питьевая вода, подаваемая по трубопроводам общественного водоснабжения, также может служить движущей силой.
В городских магистралях роль акведуков или каналов электропередач берет на себя гораздо более сложная сеть трубопроводов. Это предотвращает попадание мусора в воду и облегчает подъем воды в гору. Технология водопроводных труб использовалась в некоторых древних цивилизациях, но системы девятнадцатого века ввели некоторые устойчивые инновации.
Во-первых, благодаря винтовому крану (который был запатентован в 1845 году) подачу воды можно было легко регулировать.
Во-вторых, воду можно было дальше распределять внутри отдельных зданий, часто достигая нескольких комнат на нескольких этажах.
В любом из этих мест все, что вам нужно было сделать, чтобы получить движущую силу из городских магистралей, — это подключить небольшую водяную турбину к крану. Именно это и произошло.
Бытовые устройства, работающие на воде
В Европе небольшие двигатели, использующие общественный водопровод, появились в 1840-х годах. В США они получили широкое распространение в 1870-х и 1880-х годах. Водяной двигатель состоял из небольшой водяной турбины, подвешенной в металлическом корпусе. Диаметр рабочего колеса турбины мог быть от 20 до 90 см.
Самые маленькие водяные двигатели использовались для работы швейных машин, лобзиков, вентиляторов и других подобных механизированных устройств.
Несколько более крупные водяные двигатели рекомендовались для работы кофемолок, морозильников для мороженого, ювелирных и слесарных станков, точильных камней, церковных органов или мельниц для лекарств и красок.
Самые большие водяные двигатели использовались для работы лифтов или циркулярных пил. В стиральных машинах с водяным приводом вода, необходимая для стирки одежды, была способна одновременно обеспечивать питание машины. Водяные двигатели приводили в действие машины посредством механической передачи мощности, похожей на старомодные ветровые, водяные и педальные машины той эпохи. Вал водяной турбины либо был оснащен ременным шкивом, к которому можно было прикрепить разные машины, либо он приводил в действие одну машину напрямую. В конце девятнадцатого века водяные двигатели также использовались для питания электрических устройств, особенно радиоприемников и лампочек. В этом случае водяной двигатель приводил в действие динамо-машину, которая вырабатывала электричество на месте. В продаже появились компактные установки, состоящие из небольшой водяной турбины, напрямую соединенной с динамо-машиной.
Выход и эффективность водяного двигателя
Большинство водяных турбин получали давление, извлекая энергию из импульса движущейся воды, а не генерируя энергию за счет веса, как это было в случае большинства водяных колес и некоторых других водяных турбин. Главным новшеством было колесо Пелтона, которое было изобретено в 1878 году. Эта водяная турбина состоит из ряда чашек, закрепленных на равных интервалах по периметру круглого диска («бегуна»). Вода поступает в корпус через впускную трубу, где она продавливается через сопло, которое уменьшает ее объем и увеличивает ее скорость, после чего она направляется в чашки. Изменяя сопло, которое влияет на это колебание давления, можно изменять мощность, получаемую от колеса. Отработанная вода выбрасывается из нижней части корпуса или отводится через выпускную трубу.
Эффективность колеса Пелтона не зависит от его размера, что делает его особенно привлекательным для небольших мощностей.
Турбина Пелтона особенно хорошо подходит для использования в сочетании с городскими магистралями, поскольку для нее требуется высокий напор и низкий расход воды. КПД колеса Пелтона достигает 90%, что сопоставимо с КПД большого современного электродвигателя. В отличие от паровых двигателей, электродвигателей и большинства других водяных турбин, которые становятся менее эффективными по мере уменьшения, КПД колеса Пелтона не зависит от его размера, что делает его особенно привлекательным для небольших мощностей.
Водяные турбины (например, колесо Пелтона) намного компактнее водяных колес, поэтому небольшой двигатель может вырабатывать больше энергии, чем можно было бы предположить.
Максимальная выходная мощность водяного двигателя определяется двумя факторами.
Первый — это преобладающее давление воды, а второй — скорость потока воды, которая определяется диаметром трубы и скоростью воды. Последний фактор довольно фиксирован для узких труб, поскольку при скорости выше 8 км/ч трение становится проблематичным. Давление воды в городских магистралях обычно составляет от 2,75 до 4,8 бар, а в девятнадцатом веке оно было ближе к 4,8 бар. При давлении воды 4,8 бар и диаметре трубы 1,25 см (типичный размер для отдельных ответвлений, идущих к кранам) максимальная выходная мощность водяного двигателя составляет 0,33 лошадиных сил (или 243 Вт механической мощности). Даже если принять во внимание потерю эффективности в двигателе, это довольно много мощности: в два-три раза больше, чем человек, управляющий педальным тренажером, может выдерживать в течение часа или дольше.
Использование воды
Водяные двигатели удовлетворяли потребность, почти полностью не соответствующую другим новым двигателям того времени, и они использовали источник энергии, легко доступный из централизованных систем, уже построенных в большинстве городских районов. Однако, по крайней мере в Соединенных Штатах, их успех был недолгим. Когда стали доступны электродвигатели и бензиновые двигатели, водяной двигатель потерял свою привлекательность. В 1900 году количество водяных двигателей в США (приблизительно 30 000 двигателей общей мощностью 26 000 лошадиных сил) составляло примерно одну пятую от количества бензиновых двигателей и одну десятую от количества электродвигателей.
В конце девятнадцатого века водяные двигатели также использовались для питания электрических приборов, особенно радиоприемников и лампочек.
Главным недостатком водяных двигателей было очень высокое потребление питьевой воды. Используя трубу диаметром 1,25 см и давлении 4,8 бар, водяной двигатель потреблял 30 литров воды в минуту при выходной мощности 243 Вт. Это означает, что для производства 1 кВт·ч механической энергии требовалось 7440 литров воды. Для примера: сегодня на Западе люди потребляют менее 500 литров питьевой воды в день, а электроэнергии они потребляют не менее 5 кВт·ч в день.
Если давление воды падало ниже 4,8 бар, выходная мощность водяного двигателя уменьшалась вместе с ним, в то время как потребление питьевой воды оставалось прежним. Минимальное давление в общественном водоснабжении составляет 1,4 бар. Ниже этого значения существует риск загрязнения, поскольку загрязненная вода могла попасть в магистраль через утечки в трубах. Если вам не повезло и давление воды составило всего 1,4 бар, выходная мощность двигателя была бы ограничена гораздо менее впечатляющими 0,09 л. с. (67 Вт). Вы могли бы восстановить выходную мощность, увеличив диаметр трубы, но это еще больше увеличило бы потребление питьевой воды. Существует много причин, по которым давление воды в городской магистрали может быть ниже 4,8 бар: принятие компанией более низкого давления воды, утечки в трубопроводах, структурное расположение жилых домов потребителей по отношению к водонапорной башне или использование водяного двигателя на более высоком этаже. Давление воды, поступающей в дом, обычно выше, чем на выходе из крана. Оно будет уменьшаться с каждым изгибом трубопровода, и около 0.3447 бар давления теряется каждый раз, когда вы поднимаетесь на один этаж выше.
Неравномерное давление воды
Расход воды еще больше увеличился из-за неравномерности давления воды. Использование водонапорной башни выгодно с точки зрения энергоэффективности, поскольку вы можете создать давление воды с помощью насосов малой мощности. Насосы должны удовлетворять только средний спрос. Спрос выше среднего (например, когда все принимают душ утром) можно устранить путем снижения уровня воды в башне. Резервуар снова наполнится, когда спрос ниже среднего (в основном ночью). С другой стороны, если вы решите создать давление воды, закачивая воду непосредственно в магистраль (современный подход, который набирает популярность), вам понадобятся насосы большой мощности, которые могут удовлетворить пиковый спрос, и большую часть времени они будут работать неэффективно.
В то время как использование водяных двигателей в США прекратилось в начале двадцатого века, европейцы продвинули гидравлическую передачу энергии на один шаг вперед.
Неравномерное давление воды не является проблемой для распределения питьевой воды, но оно очень невыгодно для использования водяных двигателей.Если уровень воды в башне падает, то же самое происходит и с давлением воды в трубах.Чтобы обеспечить достаточную мощность двигателя в случае более низкого давления воды, водяные двигатели должны быть больше и использовать трубы большего диаметра, чем строго необходимо, что еще больше увеличивает использование воды и тратит энергию. Неравномерное давление воды снижает энергетическую эффективность водяного двигателя, поскольку он достигает своей наивысшей эффективности только тогда, когда он оптимально настроен на преобладающее давление воды.
В поисках лучшего решения: гидравлический аккумулятор
Как мы уже упоминали ранее, максимальная выходная мощность водяного двигателя определяется двумя факторами: давлением воды и расходом воды. Увеличение диаметра трубы (и, следовательно, расхода и потребления воды) — это только один из способов увеличения мощности водяного двигателя. Другой способ — увеличить давление воды, что дает гораздо более интересные результаты. Например, мы могли бы производить гораздо больше энергии с гораздо меньшим количеством воды. При давлении воды 48 бар, что в десять раз превышает давление в общественных сетях, водяной двигатель, подключенный к трубе диаметром 1,25 см, мог бы вырабатывать мощность 3,3 лошадиных силы (или 2500 Вт механической энергии). Это в десять раз больше мощности для тех же 30 литров воды в минуту (или в десять раз меньше расхода воды для той же мощности). Чтобы создать давление воды 48 бар, пришлось бы построить водонапорную башню высотой почти 500 метров.
К сожалению, это непрактично для строительства. Хотя использование водяных двигателей в США прекратилось в начале двадцатого века, европейцы нашли решение для высокого потребления воды водяными двигателями и продвинули гидравлическую передачу энергии на один шаг дальше.
Во-первых, они создали специальные сети, которые распределяли воду под давлением только для целей движущей силы. Это устранило необходимость использования питьевой воды.
Во-вторых, Европа перешла на гораздо более высокое (и регулярное) давление воды, что стало возможным благодаря изобретению гидравлического аккумулятора.
P.S. - В наше время тоже иногда добывают энергию из водопровода.
