Parafuso de Arquimedes

O Parafuso de Arquimedes, também conhecido como o Parafuso de arqueação, parafuso hidrodinâmico, parafuso de água ou Parafuso egípcio, é uma das primeiras máquinas hidráulicas. Usando parafusos Archimedes como bombas de água (bomba de parafuso Archimedes (ASP) ou bomba de parafuso) remonta muitos séculos. Como uma máquina usada para transferir água de um corpo de baixa altitude de água em dichas de irrigação, a água é bombeada transformando uma superfície em forma de parafuso dentro de um tubo. No mundo moderno, as bombas de parafuso Archimedes são amplamente utilizadas em estações de tratamento de águas residuais e para desaguar regiões baixas. Executar em reverso, Arquimedes parafusos turbina atua como uma nova forma de pequena usina hidrelétrica que pode ser aplicada mesmo em locais de baixa cabeça. Tais geradores operam em uma ampla gama de fluxos (0.01 $Não. m^{3}$ para 14,5 $Não. m^{3}$) e cabeças (0,1 m a 10 m), incluindo baixas cabeças e taxas de fluxo moderadas que não são ideais para turbinas tradicionais e não ocupadas por tecnologias de alto desempenho. O parafuso Archimedes é uma máquina hidráulica reversível, e há vários exemplos de instalações de parafuso Archimedes onde o parafuso pode operar em diferentes momentos como bomba ou gerador, dependendo das necessidades de energia e fluxo de curso de água.

O parafuso de Arquimedes deve o seu nome ao matemático grego Arquimedes, que o descreveu pela primeira vez por volta de 234 a.C., embora haja evidências de que o dispositivo tenha sido usado no Antigo Egito muito antes de sua época. Um transportador helicoidal é um dispositivo semelhante que transporta materiais a granel, como pós e grãos.

Histórico

A bomba de parafuso é a bomba de deslocamento positivo mais antiga. Os primeiros registros de um parafuso de água, ou bomba de parafuso, datam do Egito helenístico, antes do século III aC. O parafuso egípcio, usado para retirar água do Nilo, era composto de tubos enrolados em um cilindro; à medida que toda a unidade gira, a água é elevada dentro do tubo espiral para uma elevação mais elevada. Um projeto posterior de bomba de parafuso do Egito tinha uma ranhura em espiral cortada na parte externa de um cilindro de madeira sólida e, em seguida, o cilindro era coberto por tábuas ou folhas de metal cobrindo estreitamente as superfícies entre as ranhuras.

Alguns pesquisadores propuseram que este dispositivo fosse usado para irrigar os Jardins Suspensos da Babilônia, uma das Sete Maravilhas do Mundo Antigo. Uma inscrição cuneiforme do rei assírio Senaqueribe (704–681 aC) foi interpretada por Stephanie Dalley para descrever a fundição de parafusos de água em bronze cerca de 350 anos antes. Isto é consistente com o autor clássico Estrabão, que descreve os Jardins Suspensos como irrigados por parafusos.

A bomba helicoidal foi posteriormente introduzida do Egito para a Grécia. Foi descrito por Arquimedes, por ocasião da sua visita ao Egito, por volta de 234 AC. Esta tradição pode refletir apenas que o aparelho era desconhecido dos gregos antes dos tempos helenísticos. Arquimedes nunca reivindicou crédito por sua invenção, mas ela foi atribuída a ele 200 anos depois por Diodoro, que acreditava que Arquimedes inventou a bomba helicoidal no Egito. Representações de parafusos de água gregos e romanos mostram-nos sendo movidos por uma pisada humana no invólucro externo para girar todo o aparelho como uma só peça, o que exigiria que o invólucro fosse rigidamente preso ao parafuso.

O engenheiro alemão Konrad Kyeser equipou o parafuso de Arquimedes com um mecanismo de manivela em seu Bellifortis (1405). Este mecanismo rapidamente substituiu a antiga prática de trabalhar o tubo por meio de pisada.

Projeto

O parafuso de Arquimedes consiste em um parafuso (uma superfície helicoidal envolvendo um eixo cilíndrico central) dentro de um tubo oco. O parafuso geralmente é girado por moinho de vento, trabalho manual, gado ou por meios modernos, como um motor. À medida que o eixo gira, a extremidade inferior recolhe um volume de água. Essa água é então empurrada para cima no tubo pelo helicóide giratório até sair do topo do tubo.

A superfície de contato entre o parafuso e o tubo não precisa ser perfeitamente estanque, desde que a quantidade de água retirada a cada volta seja grande em comparação com a quantidade de água que vaza de cada seção do parafuso por volta. Se a água de uma seção vazar para a próxima seção inferior, ela será transferida para cima pelo próximo segmento do parafuso.

Em alguns projetos, o parafuso é fundido ao invólucro e ambos giram juntos, em vez de o parafuso girar dentro de um invólucro estacionário. O parafuso pode ser selado ao invólucro com resina de breu ou outro adesivo, ou o parafuso e o invólucro podem ser fundidos como uma única peça em bronze.

O design do parafuso de água grego e romano do dia-a-dia, em contraste com o pesado dispositivo de bronze de Senaqueribe, com suas problemáticas correntes de transmissão, tem uma simplicidade poderosa. Uma hélice dupla ou tripla foi construída com tiras de madeira (ou ocasionalmente folhas de bronze) em torno de um pesado poste de madeira. Em torno das hélices foi construído um cilindro por meio de tábuas compridas e estreitas fixadas em sua periferia e impermeabilizadas com piche.

Estudos mostram que o volume de fluxo que passa pelos parafusos de Arquimedes é função da profundidade de entrada, do diâmetro e da velocidade de rotação do parafuso. Portanto, a seguinte equação analítica poderia ser usada para projetar parafusos de Arquimedes:

$Não. D_{O}={sqrt[{3}]{frac {16pi Q}{sigma omega (2theta) _{O}-sin2theta _{O}-delta ^{2}(2theta _{i}-sin(2theta _{i})}}}}}}$

Onde? $Não. D_{O}}$ em $(m)}$ e:

$- Sim.$: Velocidade de rotação do parafuso Archimedes (rad/s)

$Não.$: Vazão volumétrica $(m^{3}/s)}$

Com base nos padrões comuns que os projetistas de parafusos de Arquimedes usam, esta equação analítica pode ser simplificada como:

$Não. D_{O}approx eta Q^{3/7}}$

O valor de η poderia simplesmente determinar usando o $- Sim.$ gráfico ou $- Sim.$ grafo. Por determinação de $Não. D_{O}}$, outros parâmetros de projeto de parafusos Archimedes podem ser calculados usando um método analítico passo a passo.

Usos

O parafuso foi utilizado predominantemente para o transporte de água para sistemas de irrigação e para drenagem de minas ou outras áreas baixas. Foi usado para drenar terras subterrâneas na Holanda e em outros lugares na criação de pólderes.

Os parafusos de Arquimedes são usados em estações de tratamento de esgoto porque lidam bem com taxas variadas de fluxo e com sólidos em suspensão. Uma broca em um soprador de neve ou elevador de grãos é essencialmente um parafuso de Arquimedes. Os caminhões betoneiras usam parafusos de Arquimedes na parte interna do tambor para misturar ou descarregar o material.

O princípio também é encontrado nas escadas rolantes, que são parafusos de Arquimedes projetados para levantar peixes com segurança dos lagos e transportá-los para outro local. Esta tecnologia é utilizada principalmente em incubatórios de peixes, onde é desejável minimizar o manuseio físico dos peixes.

Um parafuso de Arquimedes foi usado na bem-sucedida estabilização da Torre Inclinada de Pisa em 2001. Pequenas quantidades de subsolo saturadas por águas subterrâneas foram removidas bem abaixo do lado norte da torre, e o peso da própria torre corrigiu a inclinação. Os parafusos de Arquimedes também são usados em fontes de chocolate.

As turbinas parafuso (ASTs) são uma nova forma de gerador para pequenas centrais hidrelétricas que pode ser aplicada mesmo em locais de baixa queda. A baixa velocidade de rotação dos ASTs reduz os impactos negativos na vida aquática e nos peixes.

Variantes

Um transportador helicoidal é uma rosca de Arquimedes contida dentro de um tubo e girada por um motor para entregar o material de uma extremidade à outra do transportador. É particularmente adequado para o transporte de materiais granulares, como grânulos de plástico utilizados em moldagem por injeção e grãos de cereais. Também pode ser usado para transportar líquidos. Em aplicações de controle industrial, o transportador pode ser usado como alimentador rotativo ou alimentador de taxa variável para fornecer uma taxa ou quantidade medida de material em um processo.

Uma variante do parafuso de Arquimedes também pode ser encontrada em algumas máquinas de moldagem por injeção, fundição sob pressão e extrusão de plásticos, que empregam um parafuso de passo decrescente para comprimir e derreter o material. Também é usado em compressores de ar de parafuso rotativo. Em uma escala muito maior, os parafusos de Arquimedes de passo decrescente são usados para a compactação de resíduos.

Ação reversa

Se a água for alimentada no topo de um parafuso de Arquimedes, ela forçará o parafuso a girar. O eixo giratório pode então ser usado para acionar um gerador elétrico. Tal instalação tem os mesmos benefícios que usar o parafuso para bombeamento: a capacidade de lidar com água muito suja e taxas de fluxo amplamente variadas com alta eficiência. Settle Hydro e Torrs Hydro são dois microesquemas hidrelétricos de parafuso reverso operando na Inglaterra. O parafuso funciona bem como gerador em quedas baixas, comumente encontrado em rios ingleses, incluindo o Tâmisa, que alimenta o Castelo de Windsor.

Em 2017, a primeira hidrelétrica de parafuso reverso dos Estados Unidos foi inaugurada em Meriden, Connecticut. O projeto Meriden foi construído e é operado pela New England Hydropower, com capacidade nominal de 193 kW e fator de capacidade de aproximadamente 55% durante um período de 5 anos.