پیچ ارشمیدس (Archimedes Screw) که به عنوان توربین و پمپ مورد استفاده است، جزء قدیمی‌ترین ماشین‌های هیدرولیکی به شمار می‌آید. این ماشین هیدرولیکی یکی از انواع تلمبه است که از یک مارپیچ بی‌انتها ساخته شده و یکی از ابتدایی‌ترین انواع تلمبه محسوب می‌شود. البته امروزه در دستگاه‌ها و وسایل زیادی مانند کمباین نیز از این پیچ استفاده می‌شود. در این مقاله قصد داریم به معرفی پیچ ارشمیدس و ساختار آن بپردازیم و نقش آن را در پمپ آب بررسی کنیم.
پیچ ارشمیدس چیست؟
ساخت پیج ارشمیدس یا Archimedes Screw را به ارشمیدس نسبت می‌دهند که متشکل از یک مارپیچ بی‌انتهاست و در یک استوانۀ تنگ می‌چرخد. از این وسیله برای آبیاری استفاده می‌کنند و نحوۀ کار آن به این صورت است که بخش پایینی دستگاه در آب فرو رفته و با چرخش مارپیچی این پیچ، آب درون استوانه به سمت بالا حرکت می‌کند.
شیب استوانه در این دستگاه به گونه‌ای طراحی شده که با چرخش بعدی مارپیچ، حرکت آب تا بالای پرۀ بعدی و کشش آب به سمت بالا توسط پرۀ پایینی صورت می‌گیرد.
مارپیچ به صورت پیوسته می‌چرخد و آب را به صورت پره به پره به سمت بالا هدایت می‌کند تا زمانی که آب از سر استوانه به بیرون بریزد. از این تلمبۀ ابتدایی برای آبیاری و زهکشی زمین استفاده می‌شود و قدمت آن بسیار زیاد است.
به این پیچ نام‌های دیگری مانند پیچ هیدرودینامیکی، پیچ آب یا پیچ مصری نیز داده شده است. دلیل نام‌گذاری آن به پیچ مصری این است که عده‌ای معتقد هستند پیش از ارشمیدس این دستگاه در مصر باستان مورد استفاده بوده است.
از پیچ ارشمیدس میتوان به عنوان دستگاه دوکاره پمپ-توربین و همینطور پمپ و توربین مجزا نیز استفاده کرد. مولدهای انرژی جدیدی برای نیروگاه‌های کوچک برق آبی ابداع شده که به توربین پیچ ارشمیدس مشهور هستند و از نیروگاه‌های آبی، برق تولید می‌کنند.
این پیچ را میتوان یک ماشین هیدرولیکی دانست که نمونه‌های مختلفی از نصب آن وجود دارد و در آنها میتوان پیچ را در زمان‌های مختلف و بسته به نیاز به برق و یا آب، به عنوان پمپ و یا ژنراتور مورد استفاده قرار داد.
پیشینۀ پیچ ارشمیدس
اولین سوابق از پمپ پیچ به مصر باستان برمی‌گردد. مصریان از پیچ مصری برای برداشتن آب از رود نیل استفاده می‌کردند. این پمپ از لوله‌هایی تشکیل شده بود که به دور یک استوانه پیچیده بودند. زمانی که کل واحد به چرخش درمی‌آمد، ارتفاع آب در داخل لوله مارپیچ افزایش می‌یافت.
پس از آن مصریان توانستند پمپ پیچی با شیار مارپیچ در قسمت بیرونی یک استوانه جامد چوبی ابداع کنند و سپس استوانه را با ورقه‌های فلزی بپوشانند که سطوح بین شیارها از نزدیک پوشانده شود. برخی از باستان‌شناسان معتقدند که از این وسیله برای آبیاری باغ‌های معلق بابل استفاده می‌شد.
سپس این پمپ پیچ از مصر به یونان معرفی شد و ارشمیدس تغییراتی در آن ایجاد کرد. بعدها این پیچ توسط مهندسین آلمانی به میل‌لنگ مجهز شد و این سازوکار به سرعت توانست جایگزین روش باستانی کار با لوله شود. نخستین کشتی بخار دریایی جهان که توسط پروانه پیچی هدایت می‌شد، در سال 1839 به آب انداخته شد و به افتخار ارشمیدس و کار کردن او بر روی این پیچ به SS Archimedes مشهور شد.
امروزه از این پیچ‌ها در تصفیه‌خانه‌های فاضلاب استفاده می‌شود زیرا به خوبی با نرخ‌های مختلف جریان و مواد جامد معلق سازگار هستند. در اختراعات دیگری مانند توربین پیچ، آسانسور دانه، میکسر بتن و … نیز از این پیچ ابداعی توسط ارشمیدس استفاده شده است.
نقش پیچ ارشمیدس در پمپ آب
به این پمپ‌ها که توسط این پیچ و بر اساس قانون ارشمیدس ساخته شده‌اند، پمپ ارشمیدسی نیز گفته می‌شود. سازوکار سادۀ این پمپ‌ها سبب شده تا از دیرباز تاکنون مورد استفاده باشند و به منظور انتقال آب به کار برده شوند.
این پمپ‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که قسمت پایین آنها در سیال غوطه‌ور بوده و چرخش پمپ سبب حرکت آرام سیال به سمت بالا شده و در نهایت در قسمت بالا تخلیه می‌شود. از این پمپ‌ها در انتقال حجم زیادی از سیال و معمولا در ابتدای تصفیه‌خانه‌های فاضلاب به منظور تامین اختلاف ارتفاع موردنیاز استفاده می‌شود. پمپ ارشمیدسی را میتوان روی بتن و یا بدنۀ فلزی نصب کرد.
از این پمپ پیچی به غیر از تصفیه‌خانه‌های آب و فاضلاب میتوان به منظور کنترل سیلاب، کنترل آب باران و استفاده در مجموعه‌های آبی نیز استفاده کرد.
همچنین از این دستگاه می توان برای پروژه‌های آبیاری، زهکشی، احیای تالاب، پارک‌های آبی و در ایستگاه‌های پمپاژ ورودی تصفیه‌خانه نیز استفاده کرد. ظرفیت این پمپ‌ها به تعداد ردیف پره‌ها، عمق غرق‌شدگی در آب، سرعت چرخش مارپیچ، قطر مارپیچ، فاصله بین مارپیچ‌ها و بسیاری از عوامل دیگر بستگی دارد. از این پمپ‌های ارشمیدسی میتوان برای انتقال پودر و دانه نیز استفاده کرد.
مزایای پمپ ارشمیدسی
- این پمپ‌ها به راحتی می‌توانند سیال را همراه با تمام ذرات معلق در آن انتقال دهند، بدون آنکه افت بازدهی داشته باشند. ذرات بزرگی همچون شیشه، چوب، سنگ، قوطی و … به آسانی با این پمپ‌ها منتقل می‌شوند، بدون اینکه به اسکرین دانه‌ریز برای جلوگیری از ورود ذرات به پمپ داشته باشند. این مسئله سبب می‌شود تا هزینه‌های نگهداری و تهیۀ اسکرین نیز کاهش پیدا کند.
- استفاده از پیچ ارشمیدس در پمپ آب و فاضلاب سبب کاهش هزینه‌های تعمیر و نگهداری نسبت به انواع دیگر پمپ‌ها به ویژه پمپ سانتریفیوژ می‌شود.
- پمپ‌های ارشمیدسی تا 75 درصد بازدهی دارند و هزینه برق مصرفی را به شدت کاهش می‌دهند و بازدهی بالای آنها ثابت است و در کارکرد بالا، ظرفیت کاهش پیدا نمی‌کند.
- از این پمپ میتوان حتی در دبی صفر نیز بدون بروز مشکل استفاده کرد.
- طول عمر این پمپ‌ها بالا و بین 20 تا 40 سال است.
- نگهداری و مدیریت این پمپ نیاز به اپراتور متخصص ندارد و هزینه تعمیر و نگهداری آن نیز در مقایسه با پمپ‌های سانتریفیوژ بسیار پایین است.
توربین پیچ ارشمیدس
امروزه بشر نیاز روزافزونی به انرژی برق پیدا کرده و منابع تجدیدپذیری که برای تولید برق استفاده می‌شد کاهش یافته است. توربین پیچ ارشمیدس یکی از وسایلی است که برای تولید انرژی پاک در مجاری آبی استفاده می‌شود و بر روی اجزای تشکیل‌دهندۀ آن و تاثیر این اجزا بر راندمان دستگاه، مطالعات آزمایشگاهی و عددی زیادی صورت گرفته است.
این توربین پیچ یک روتور است که به شکل یک پیچ ارشمیدس بوده و در یک کانال نیم‌دایره‌ای در حال چرخش است. آب وارد توربین می‌شود و وزن آب سبب گردش توربین می‌شود. سپس آب از انتهای توربین به رودخانه وارد می‌شود. اتصال بین انتهای فوقانی پیچ و ژنراتور از طریق جعبه دنده است.
از این توربین پیچ در رودخانه‌هایی استفاده می‌شود که ارتفاع آب آنها از 0.1 تا 10 متر بوده و دبی آب رودخانه کم است. آثار منفی این توربین بر روی آبزیان و جانداران بسیار اندک است زیرا سرعت حرکت پره‌ها بسیار آرام بوده و ساختار پره‌ها به گونه‌ای است که زیان قابل توجهی ایجاد نمی‌کند.
سخن پایانی
در این مقاله درباره پیچ ارشمیدس و نقش آن در پمپ آب و توربین پیچ صحبت کردیم و تاریخچه اختراع این پیچ را مطرح نمودیم. استفاده از این پیچ به دلیل ساختار ساده و کاربردی آن هر روز توسعه یافته و در حال حاضر طراحی نیروگاه برق آبی با استفاده از این دستگاه قابل انجام است. گفته می‌شود که در حال حاضر بیشتر از 180 نیروگاه برق آبی توربین پیچ ارشمیدس در حال بهره‌برداری است.
اختراعات زیادی با کمک این پیچ صورت گرفته و در مکان‌های کلیدی بسیاری از آن استفاده شده است. از جمله می توان به تثبیت موفقیت‌آمیز برج پیزا در سال 2001 اشاره کرد که با استفاده از این پیچ صورت گرفته است.