Využití archimédova šroubu ve vodním hospodářství

Archimédův šroub je s ohledem na svou jednoduchost, nízké provozní náklady, minimální riziko ucpání, dlouhou životnost, snadnou regulaci využíván ve vodním hospodářství jako čerpadlo s využitím zejména na vstupních čerpacích stanicích odpadních vod na čistírnách odpadních vod (ČOV) a dále pak obráceně jako turbína pro generování elektrické energie v rámci malých vodních elektráren (MVE). Nejedná se však jen o tato využití, ale podle dostupných zahraničních studií je možné využít kombinaci Archimédovy turbíny pro generování elektrické energie s obrácených šroubem v podobě čerpadla pro dopravu vodních organismů, zejména ryb proti proudu vody.

Jakub Raček, Ivo Bukový, Tomáš Macsek, Tomáš Chorazy, Petr Hlavínek

Úvod

Archimédův šroub je jedno z nejstarších známých čerpadel, popsané Archimédem, který toto zařízení viděl při svých cestách po Egyptě. Údajně Visuté zahrady Semiramidiny byly zavlažovány tímto šroubovitým způsobem. Jde o šikmo uloženou šnekovou hřídel v korytě, případně o korýtko nebo trubku navinutou ve šroubovici kolem šikmo uložené hřídele. Přepravovaná kapalina (nejčastěji voda) je v kapsách tvořených závity držena gravitací a čerpání je prováděno otáčením šneku nebo hřídele. [1]

Archimédův šroub je s ohledem na svou jednoduchost a spolehlivost využíván dodnes jako čerpadlo silně znečištěných kapalin, zejména odpadních vod na čistírně odpadních vod (ČOV).

Další aplikací Archimédova šroubu může být využití energetického potenciálu vodních toků a zachování ekologické biodiverzity vodních toků. Výstavba vodních elektráren, jakožto obnovitelného zdroje energie, vytváří pozitivní efekt ve snižování produkce skleníkových plynů při výrobě elektrické energie a pokládá se za vysoce ekologickou volbu. Na druhé straně ovšem dochází ke značnému narušení biotopu v místě malé vodní elektrárny (MVE) na vodním toku. Pro co největší hydroenergetické využití je koryto vodního toku přehrazeno a část proudu (popřípadě i celý průtok tokem) je odkloněn přes turbíny generující elektrickou energii. Tímto řešením dochází k zamezení migrace ryb, jejich zdržování se v nadjezí a podjezí. To může vést k úhynům jedinců, migrujících po proudu přes turbíny elektrárny.

Pro zmírnění těchto dopadů je nutno navrhovat taková technická řešení, která navrací možnost bezpečné migrace ryb přes tyto umělé překážky. Mezi ně hlavně patří návrhy funkčních rybích přechodů a vývoj turbín MVE, které jsou přátelské k po proudné migraci ryb.

Archimédův šroub reprezentuje konstrukci, která umožňuje kombinaci turbíny pro generování elektrické energie s možností bezpečné migrace ryb přes ní přecházející do podjezí, ale také jako aplikace obráceného Archimedova čerpadla v podobě rybího přechodu (výtahu) pro protiproudně migrující organizmy.

Archimédův šroub jako čerpadlo

Šnekové, šroubové, a někdy označované jako vřetenové čerpadlo je tvořeno konstrukcí s Archimédovým šroubem. Jedná se tedy o šnek v hladké trubce, korytě či žlabu. V případě dopravování pevných materiálů se tato konstrukce často nazývá šnekovým dopravníkem. U tohoto čerpadla se kapalina pohybuje pouze působením smykových sil mezi šnekem a kapalinou. Toto řešení používá pro materiál statoru nepružných tuhých materiálů jako např. kovů nebo plastů, kdy součásti jsou uloženy s vůlí. Při této konstrukci pracují tato vřetenová čerpadla obdobně jako zubová čerpadla či dmychadla. Proto se obvykle používají jen pro nízkotlakou dopravu hustých produktů či čerpání vody jen do malých výšek, např. čerpání odpadní vody na ČOV. Výhoda této konstrukce je pak jednoduchá výroba a velmi dlouhá životnost. [2]

Čerpadla s Archimédovým šroubem byla v minulosti hojně navrhována a realizována na větších ČOV v prostoru vstupní čerpací stanice odpadních vod. Postupem doby byla však na některých místech v rámci intenzifikací ČOV necitlivě měněna za ponorná kalová čerpadla.

Nyní se trend v navrhování čerpání odpadních vod na ČOV vrací zpět právě do podoby šnekových čerpadel, jejíž hlavní výhodou je jednoduchost, nízké provozní náklady, minimální riziko ucpání, dlouhá životnost, snadná regulace a s tím související konstantní čerpané množství odpadních vod na mechanické předčištění a biologický stupeň na ČOV.

Archimédův šroub jako turbína pro výrobu elektrické energie

Archimédův šroub jako turbína pracuje na principu obráceného Archimédova čerpadla, kdy voda vstupuje do závitů šnekovnice a zároveň působí svou hmotností po celé dráze svého klesání a jejím působením se médium vytvořené mezi sousedními šnekovými plochami, nosnou rourou a žlabem vine směrem dolů a tím roztáčí celou šnekovnici [9]. Rotaci turbíny je pak možno konvertovat na elektrickou energii spřažením přes převodovku a asynchronní generátor pro zajištění optimálního výkonu pro jednotlivé rozsahy hltnosti.

Archimédovy turbíny jsou vhodné pro nízké spády (od 1 do 8 - 10 m), kdy dosahují vysoké účinnosti i při malých průtocích. Podle literatury [13] se již při 20 % hltnosti pohybuje účinnost na úrovni cca 74 %. Další výhoda šroubové turbíny je její využití i pro znečištěnou vodu bez potřeby umístění jemných česlí na vstupu, čímž je provozování jednodušší a nezabraňuje po proudé migraci ryb a vodních živočichů ani průchodu sedimentů a nutrientů.

Jedná se o ověřenou a používanou technologií pro výrobu elektrické energie s nejméně 400 instalacemi po celé Evropě. [14]

Archimedovy turbíny jsou považovány za přátelské k rybám z následujících důvodů [4]:

• jedná se o pomaloběžnou turbínu;
• nedochází k prudkým změnám tlaku ani ke střižným silám;
• po vstupu do turbíny zůstávají ryby ve stejné komoře až po vypuštění.

K případným zraněním ryb dochází přímým zásahem neupravenou vstupní hranou [4], v mezerách mezi pohyblivým šnekem a statickým „obalem“ [5], kdy může dojít k zachycení části těla ryby a následnému smrtelnému stlačení.

 Podle studie č. 1 Fishtek consulting [4][6] je možné definovat:

• úmrtnost a zranitelnost ryb;
• dezorientace ryb.

Úmrtnost a zranitelnost ryb byla sledována v rámci výše uvedené studie č. 1, která zaznamenala přes 1 000 přechodů přes tuto turbínu. Bylo prokázáno, že nedošlo k žádnému zranění ryby, které by vedlo k jejímu úhynu. Byly zaznamenány pouze drobné a zahojitelné poškození šupin v 1,4 % případů. Výsledky prokázaly, že Archimédova turbína je pro ryby přátelská (ryby pstruhovité, ryby lososovité, úhoře) a způsobuje jen minimální dopad na rybí obsádku. Podle [3][4] se ryby nevyhýbají přechodu přes Archimedův šroub a nebyla pozorována ani preference mezi migrováním přes turbínu a přes obtokový kanál.

Dezorientace popsaná v rámci studie č. 1 se může projevit při vysoko turbulentním proudění. Dezorientace prodlužuje reakční čas ryby, což ji činí náchylnější pro predátory. Na základě kamerových rozborů 80 ryb (pstruh hnědý,130 - 340 mm), které byly sledovány po dobu transportu, bylo zjištěno, že ryby na výstupu z turbíny neprojevují žádné známky dezorientace. Ryby opouštěli turbínu normálně a ve správném směru. V rámci transportu ryby plavaly ve stabilní poloze v rámci segmentu šneku a nedocházelo k různým rotacím ryb.

Využití Archimédova šroubu jako rybího přechodu pro protiproudovou migraci

Volná migrace je ryb v tocích je klíčovým požadavkem rámcové Evropské směrnice o vodě 2000/60/EC. Kontinuita toku sledující poproudní i protiproudní migraci je základním parametrem pro monitorování ekologického stavu toků. Tato kontinuita je narušována zásahy člověka vybudováním bariér na tocích (přehrady, jezy), které vodní organizmy nejsou schopné překonat. Pro obnovení kontinuity toku jsou na těchto překážkách budovány objekty – rybí přechody, které mají umožnit migraci vodních organizmů. V současnosti jsou v převážné míře používány rampy, kanály vybudovaný přímo na objektu překážky (na jezu) nebo obtokový kanály, který obchází překážku. Jedním z nových technických prostředků pro protiproudnou migraci je využití Archimédova šroubu.

Podle dostupné studie č. 2 Passage of Juvenile Chinook Salmon and Other Fish Species through Archimedes Lifts and a Hidrostal Pump at Red Bluff, California [8] byly sledovány dva Archimédovy šrouby (a paralelně umístněná čerpadla Hidrostal) na populaci lososa a dalších 26 druhů ryb. Z celkem 27 pokusů, kdy byla voda převáděna paralelně oběma Archimedovými šrouby, bylo průměrné procento přeživších ryb nejméně 98 %. Mikroskopické zkoumání mrtvých ryb ukázalo, že tyto ryby z větší části podlehly zraněním, které:

• souvisí s kolizí při vstupu do zařízení;
• jsou způsobeny stlačením mezi pohyblivými a statickými částmi šroubu.

Ve studii bylo celkem sledováno 6 110 ryb v rámci 27 druhů. Jednalo se o malé ryby, pouze 1,7 % bylo větších než 200 mm. 55 % z celkového počtu sledovaných ryb tvořili lososi (chinook salmon) v délce 28 - 39 mm.

Podle další studie č. 3 Research into the fish-friendly screw pumps [9] (Nizozemsko) bylo provedeno testování na upraveném Archimédově šroubu. Úprava spočívala v následujícím řešení:

• šroub je zapouzdřen v obalu, nemůže tedy dojít k zaseknutí ryby mezi rotorem a statickou částí čerpadla;
• byla provedena úprava posledního vinutí šroubu.

 Studie č. 3 dále uvádí, že bylo provedeno testování Archimédova šroubu s těmito parametry:

• byl použit šroub o průměru 700 mm při rychlosti 57 otáček.min^-1;
• byla sledována úmrtnost a zranění ryb při přechodu šroubem.

Další studie, která se zabývá upraveným Archimedovým šroubem je studie č. 4 Fish-ecological monitoring at the hydrodynamic screw “HYDROCONNECT” with “Albrecht fishLift inside” at the Jeßnitz River in Lower Austria [11].

Studie byla provedena na upraveném Archimédova šroubu patentovaným společností HYDROCONNECT v Rakousku. Instalace jsou provedeny na dvou lokalitách [12], např. se tedy jedná o integrovaný obousměrný přechod ryb turbínou na řece Jessnitz u Neubrucku [10]. Technicky se jedná o následující:

• turbína a čerpadlo v jednom – vnější šroub jako turbína, vnitřní jako rybí přechod;
• zapouzdřený šroub, z vnitřní i vnější strany;
• 13-22 otáček za minutu.

V rámci studie č. 4 byla sledována protiproudá migrace pro ryby: pstruh hnědý, pstruh duhový, vranka obecná. Ze 446 ryb nashromážděných v podjezí migrovalo přes turbínu 69 jedinců (50 - 450 mm), což dokazuje, že ryby chtěli přirozeně migrovat do nadjezí přes rybí přechod. Na výtoku z rybího přechodu byly tyto ryby podrobeny zkoumání a nebyly pozorovány žádné zranění jako ztráta šupin, otevřené rány nebo škrábance a odřeniny.

Byla sledována protiproudá migrace pro ryby kaprovité. Z celkového počtu 33 ryb (délky 300 - 750 mm) migrovalo protiproudně přes systém Hydroconnect až 76 %.

Závěr

Článek se v první části věnuje konvenčnímu způsobu využití Archimédova šroubu jako šnekového čerpadla pro dopravu zejména znečištěných vod s obvyklou instalací na ČOV a jako Archimédovy turbíny na vodních tocích jako součást MVE. Přínosem tohoto článku je však poskytnutí informací o možnosti využití Archimédova šroubu v kombinaci turbíny s čerpadlem pro zajištění migrace vodních organismů proti proudu vody. V článku jsou shrnuty výsledky 4 zahraničních studií, které se zabývají zejména bezpečností Archimédova rybího přechodu. V rámci ověření ukazatelů jako jsou úmrtnost, zranitelnost nebo dezorientace ryb procházející tímto typem rybího přechodem, studie jednoznačně potvrdily aplikovatelnost tohoto řešení. Čas ukáže, jestli využití kombinace Archimédova šroubu jako turbíny a rybího přechodu bude akceptovatelná a využitelná také v podmínkách ČR.

Literatura

1. Internetové stránky dostupné z https://cs.wikipedia.org/wiki/Archim%C3%A9d%C5%AFv_%C5%A1roub.
2. Internetové stránky dostupné z: https://automatizace.hw.cz/principy-prumyslovych-cerpadel-8dil-vretenova-cerpadla.
3. Branda K., Hlavínek P. Čerpadla ve vodním hospodářství. NOEL 2000. Brno 2004.
4. Fishtek P., Kibel C.L. FISHTEK consulting Fish Monitoring and Live Fish Trials. Archimedes Screw Turbine, River Dart Client : Project. 2007.
5. Buysse D., Mouton A.M., Baeyens R., Coeck J. Evaluation of downstream migration mitigation actions for eel at an Archimedes screw pump pumping station. Fish. Manag. Ecol., vol. 22, no. 4, pp. 286–294, 2015.
6. Kibel P., Coe T., Pike R. Howsham fish monitoring: assessment of fish passage through the Archimedes turbine and associated by-wash., 2009.
7. Havn T.B. et al. Downstream migration of Atlantic salmon smolts past a low head hydropower station equippped with Archimedes screw and Francis turbines. Ecol. Eng., vol. 105, pp. 262–275, 2017.
8. McNabb C.D., Liston C.R., Borthwick S.M. Passage of juvenile Chinook salmon and other fish species through Archimedes Lifts and a Hidrostal pump at Red Bluff, California,” Trans. Am. Fish. Soc., vol. 132, pp. 326–334, 2003.
9. Vriese F.T. Research into the fish-friendly screw pumps. 2009.
10. Tůma J. Archimédův šroub v roli vodní turbíny. Internetové stránky dostupné z: https://www.technickytydenik.cz/rubriky/veda-vyzkum-inovace/archimeduv-sroub-v-roli-vodni-turbiny_37014.html.
11. Grigull M. Fish-ecological monitoring at the hydrodynamic screw ‘HYDROCONNECT’ with ‘Albrecht fishLift inside’ at the Jeßnitz River in Lower Austria. University of Natural Resources and Life Science Vienna, 2015.
12. Internetové stránky dostupné z: www.hydroconnect.at.
13. Internetové stránky dostupné z: http://www.gess.cz/cz/male-vodni-elektrarny.html.
14. Internetové stránky dostupné z: http://greenbugenergy.com/how-we-do-it/archimedes-screw-generators.

Poděkování

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I"." Tento článek je výsledkem spolupráce s Rovina stavební, a.s.

Autoři

This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Ivo Bukový, Rovina stavební, a.s., Kroměřížská 134, 768 24 Hulín

Ing. Tomáš Macsek, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Ing. Tomáš Chorazy, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Purkyňova 651/139, 612 00 Brno

Recenze

Článek byl recenzován. Recenze jsou uloženy v redakci.

Bibliografiická citace

Raček, J., Bukový, I., Macsek, T., Chorazy, T., Hlavínek, P. Využití archimédova šroubu ve vodním hospodářství. Vodovod.info - vodárenský informační portál[online]. 5.3.2019, 03/2019, [cit. 2019-03-05]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.

English Summary

The article describes an application of an Archimedean screw in water management. Due to its low operational costs, minimal risks of blockage and long lifetime screw is world-widely used as a pump mainly for wastewater and as a turbine for power generation for small hydroelectric power plants. The article also gives a short review of Archimedean screw usage as a fish passage, which appears to be safe and cost effective technical solution beside the conventional fish passages at small hydroelectric power plants.