تاریخچه پیدایش موتور بخار و کاربردهای آن

موتور بخار یک موتور احتراق خارجی است که از انرژی گرمایی موجود دربخار آب استفاده میکند

موتور بخار

قبل از این که موتور بخار اختراع شود بیشتر کالاها دست ساز بودند و چرخ آب ها و کاربرد حیوانات بارکش صرفا برای تامین نیروی صنعتی موجود بود. انقلاب صنعتی که بزرگترین تغيير در کوتاه ترین بازده زمانی از تاریخ تمدن است، پیشرفت خود را مدیون ماشین بخار است. وظایف ماشین های بخار علاوه بر تامین انرژی موردنیاز کارخانه هایی با تولید سریع کالاها، به حرکت درآوردن بهتر قطارها و کشتی های بخاری میباشد که کالاهایی که توسط این کارخانه ها تولید میشد به نقاط مختلف دنیا منتقل می کردند. موتور بخار به یک موتور احتراق خارجی گفته میشود و در بخار آب، یک نوع انرژی گرمایی وجود دارد که از آن استفاده می کند و آنرا تبدیل به کار مکانیکی می کند. از دیگر کاربردهای موتور بخار می توان به استفاده برای موتور اصلی پمپ ها و لکوموتیو ها، کشتی های بخار و تراکتور اشاره کرد.

تاریخچه پیدایش موتور بخار

حدود ۲۰۰۰ سال پیش برای ایجاد نیروی حرکتی، ایده ی استفاده از بخار آب داده شد. ولی دستگاه های بخار تا حدود ۳۰۰ سال قبل در حوزهٔ نیروی مکانیکی به عنوان تولیدکنندگان مهمی محسوب نمی شدند. نیروی موردنیاز ماشین های تولید از طریق توسعه استفاده از بخارهای پر فشار و تبدیل آن ها به نیروهای خطی و دورانی تامین میشد. این دستگاه ها در جاهایی استفاده میشود که آب و سوخت هایی نظیر زغال سنگ یا چوب دردسترس باشد.

در سال ۱۶۹۰دنی پاپن، موفق به اختراع نخستین ماشین بخار شد. قسمت اعظم ماشین اختراع شده ی پاپن، متشکل از سیلندرها و پیستون ها بود. آب بعد از تبدیل شدن به بخار در داخل سیلندرها، سبب بالا رفتن پیستون ها می شدند. وقتی که این پیستون ها بالا می رفت موجب فشرده شدن هوای قسمت فوقانی این سیلندرها می شد. بنابراین در صورت سرد شدن بخار آب زیر پیستون ها و تبدیل شدن به آب، هوای فشرده قسمت فوقانی سیلندرها سبب میشد تا پیستون ها با قدرت به طرف پائین بروند و این پائین رفتن پیستون ها باعث میشد تا یک چرخ، حرکت کند.

افراد دیگری بودند که بعد از پاپن، راه او را در پیش گرفتند ولی به نتیجه ای نرسیدند تا این که در سال ۱۶۹۷ توماس ساوری توانست اولین را بسازد و پس از آن در سال ۱۷۱۲ توماس نیو کامن چنین وسیله ای را ساخت. درواقع این موتور بخار میتوانست آب معدنها را تخلیه کند و آب را برای چرخاندن چرخهای آبی بالا ببرد. با وجود غیر کارامد و کند بودن این موتورها، باز هم باعث گشایش راه گسترش دانش جدید شدند.

موتور بخار به عنوان موتور اصلی پمپ‌ها و لکوموتیو ها، کشتی‌های بخار و تراکتور استفاده می‌شد

تلمبه ی نیو کومن انگلیسی، نخستین دستگاهی بود که از طریق بخار در نیمه دوم قرن هجدهم راه اندازی شد. نیوکومن در سال ۱۷۶۴ یکی از آن ها را به قصد تعمیر نزد جیمز وات‏ اسکاتلندی که سازنده ی ابزار بود، برد. جیمزوات، موفق به رفع عیب آن شد و از آن پس‏ دستگاه کاملتری را ساخت و پس از گذشت پنج سال برای راه اندازی کارگاههای مختلف، یک آتش‏خانه ساخت و صاحبان کارگاههای نختابی و پارچه‏ بافی که از باد و آب تا آن زمان بهره میبردند؛ درصورت عدم وزش‏ باد و خشک و منجمد بودن آب رودخانه مجبور میشدند کارخانه ها را تعطیل کنند، بنابراین همین امر سبب شد تا استقبال ویژه ای از اختراع وات شود و جیمزوات، نواقص کار خود را تا پایان عمر خود یعنی تا سال ۱۸۱۹ برطرف کرد.

ژرژاستیونسن در همان برهه زمانی، اختراع وات را مطالعه کرد و قصد داشت آتش‏خانه‏ ای‏ را به منظور به حرکت درآوردن چرخ گاری های بارکش، بسازد. او با کسب اطلاعاتی به این نتیجه رسید که افراد دیگری هم با تلاش در این‏ راه به نتیجه ای نرسیدند اما باامید راه خود را ادامه داد و عاقبت در سال ۱۸۱۴ توانست به موفقیت برسد و آن را تکمیل کند. صاحبان معادن ذغال‏ سنگ واقع در « دارلینگ تن» در این هنگام تصمیم گرفتند که راه‏ آهنی را بکشند و محصول خود را از طریق اسب به کنار دریا برسانند. استیونسن با او قرار گذاشت که آتش‏خانه‏ ای که ذغال را سریعتر و بیشتر از اسب‏ به مقصد می رساند، درست کند. از این رو اولین لوکوموتیو در ۲۷ سپتامبر ۱۸۲۵ با عده‏ای مسافر و سی و چهار واگون بار از دارلینگتون حرکت کرد و در هر ساعت، با سروصدا و دود زیاد، ۸ کیلومتر راه را طی کرد تا به مقصدش یعنی« استو کتون» رسید.

اجزای موتور بخار

موتور بخار دارای دو جزء اصلی میباشد که به صورت مجزا و با فاصله یا پیوسته طراحی و ساخته میشود که عبارتست از:

۱- دیگ بخار

۲- بخش موتور

از دیگر اجزای موتور بخار میتوان به پمپ( برای انتقال آب به دیگ بخار)، فوق داغ کننده ها( افزایش دمای بخار اشباع به بخار فوق داغ) و چگالنده( با هدف میعان کردن بخار خروجی از موتور) اشاره کرد. یک خط دیگر در زمان استفاده از زغال سنگ به عنوان سوخت، به منظور اماده سازی و مصرف آن وجود دارد.

انقلاب صنعتی

در کشور انگلستان، قرن هجدهم دستخوش تغییرات بزرگی به نام انقلاب صنعتی بود. ماشین بخار یکی از این اختراعات جدید بود که باعث تولید سریعتر و ارزان تر کالاها نسبت به قبل می شد. گسترش صنعت در قرن نوزدهم به اروپا و آمریکا راه یافت. راه آهن موجب زیاد شدن سرعت مسافرت شد. محل زندگی بسیاری از مردم در شهر و محل کارشان در کارخانه ها بود. انقلاب صنعتی باعث شد تا تکنولوژی به جهتی کاملاً نوین سوق داده شود. ماشین های برقی و مکانیکی سبب شدند تا تولید اقتصادی از مزرعه به کارخانه منتقل شود و افراد خانواده دیگر با هم به صورت یک واحد کار نکردند. ولی تاریخ نگاران اقتصادی تا قبل از پایان قرن ۱۹ به اصطلاح انقلاب صنعتی خوی می گرفتند و منظورشان بوجود آمدن نوآوری های فنی و اقتصادی در انگلستان در دوره ی ۱۷۶۰ تا ۱۸۳۰ بود.

اختراع ماشین بخار در اولین مرحله در اواسط قرن ۱۸ به عنوان مهم ترین نوآوری دوران در کشور انگلستان شناخته شد. در میانه قرن ۱۹ که دومین مرحله بود راه آهن تولید فولاد توسعه پیدا کرد و کشتی های بادبانی جانشین کشتی های بخاری شدند.

ایده استفاده از موتور بخار برای ایجاد نیروی حرکتی، پیشینه‌ای طولانی در حدود ۲۰۰۰ سال دارد

نحوه ی کار موتور بخار

اکثر ماشین های بخار برای بالا و پائین بردن پیستون، از فشار بخار داخل سیلندر بهره می گرفتند. نحوه ی تشکیل بخار به وسیلۀ دیگ آب جوش میباشد که بر روی شعلۀ زغال سنگ یا مشتقات نفت قرار گرفته است. بخار تولید شده در دیگ از طریق یک دریچه به بالای سیلندر وارد می شود و پس از منبسط شدن در همان جا باعث هدایت پیستون به طرف پائین می شود. دریچه بعد از این که پیستون به پائین سیلندر رسید، حرکت می کند و موجب خروج بخار اولیه و ورود بخار جدید به پائین سیلندر می شود و همین عمل باعث میشود تا پیستون بطرف بالا حرکت کند. بعداز رسیدن پیستون به نقطۀ بالا با حرکت دوباره ی دریچه، پیستون به طرف پائین می رود و مجددا این عمل تکرار میشود.

تبدیل حرکت بالا و پائین پیستون به حرکت دورانی از طریق دستۀ محور انجام می شود. دستۀ محور، موجب به حرکت درآوردن چرخ طیّار سنگین می شود و در نتیجه موتور به آرامی حرکت می کند. چرخ طیّار، به حرکت درآوردن چرخ ها یا ماشین آلات دیگر کمک میکند.

عملکرد موتورهای بخار، با بخارهای دارای فشار زیاد، بهتر است. بعضی از عوامل برای مقاومت دربرابر فشار بخار باید قدرت و استحکام زیادی داشته باشند که از آن ها می توان به دیگ، لوله ها و سیلندرها اشاره کرد. یک دستگاه منقبض کننده در بعضی از موتورهای بخار وجود دارد که باعث جمع آوری و خنک کردن بخار خارج شده از سیلندر می شود. این بخار بعد از منقبض( تبدیل به آب) شدن، دوباره به دیگ برمیگردد و مورد استفاده قرار میگیرد. موتور بخار با استفاده از دستگاه منقبض کننده، این قابلیت را دارد که بدون آن که آبش تمام شود، مدت زمان بیشتری کار کند.

کاربرد موتور بخار

کاربرد موتور بخار از اوایل قرن ۱۹ میلادی در صنعت، بسیار زیاد بوده است. موتور بخار در ابتدا بعنوان محرک« پمپ رفت و برگشتی» کاربرد داشت؛ ولی با ظهور موتورهای دورانی( تبدیل حرکت رفت و برگشت به حرکت دورانی) از سال ۱۷۸۰ در ماشین های صنعتی انقلابی رخ داد. موتور بخار از اواخر قرن ۱۹، در حوزه ی حمل ونقل دریایی و زمینی به محرک اصلی تبدیل شد و کاربرد آن با گذر زمان گسترده تر شد.

از بخار به عنوان نیروی محرک انقلاب صنعتی یاد میشود. از کاربردهای اقتصادی بخار در اماکنی استفاده میشد که از آن ها می توان به کارخانه ها و آسیاب ها، راه اندازی ایستگاه های پمپاژ و حمل ونقل اشاره کرد. از موتور بخار در این حوزه در لوکوموتیوها، کشتی ها و خودروها استفاده شد. وقتی که در بخش کشاورزی از این نوع فن آوری استفاده شد باعث شد تا سطح زمین قابل شخم زدن و کاشت، افزایش پیدا کند. همچنین در کاربردهایی که به انرژی پائین نیاز داشت مثل ساعت بخار از این موتور استفاده شده است. به خاطر این که بین منبع گرمایی تا مرحله ی آخر تولید توان، مراحل زیادی وجود دارد ، سبب شده تا ضریب تولید توان به وزن موتور نسبت به موتورهای درون سوز کاهش پیدا کند. به همین خاطر در کاربردهای حمل ونقل هوایی از موتور بخار، خیلی کم استفاده شده است.

فن آوری موتور بخار در کاربردهایی با مقیاس کوچک و متوسط، نسبت به رقبای خود نظیر موتور درون سوز و موتور الکتریکی، پیشرفت آنچنانی نداشته است. به همین خاطر بسیاری از افراد فکر می کنند که موتور بخار، خارج از رده می باشد. ضمناً این نکته را در نظر بگیرید که نیمی از برق تولیدی جهان از بخار تولید شده است. از این انرژی در بسیاری از صنایع بعنوان نیروی محرک تجهیزات فراوان استفاده می شود.

اکثر موتورهای بخار، از فشار بخار برای بالا و پایین بردن پیستون در داخل سیلندر استفاده می‌کنند

بازده موتور بخار

نحوه ی محاسبه ی بازده یک از طریق تقسیم مقدار کار مفید مکانیکی تولید شده، نسبت به میزان کل انرژی حرارتی مصرفی می باشد. البته میزان بازدهی هیچ موتوری بیشتر از « چرخه ی کارنو» نیست. این چرخه به عنوان یک چرخه ی ترمودینامیکی بازگشت پذیر محسوب میشود که شخصی به نام« سعدی کارنو» در سال ۱۸۲۴ آن را معرفی کرد. درصورتی میزان بازده تمام ماشین های بازگشت پذیر با هم برابر است که بین دماهای یکسان کار کنند ولی بازده هیچ ماشین بازگشت ناپذیری، که بین همان دو دما کار می کند، بیشتر از این نمی تواند باشد. نحوه ی انتقال گرما در این فرایند از یک منبع دما بالا به یک منبع دما پائین میباشد و باتوجه به اختلاف درجه حرارت این دو منبع، بازده آن مشخص میشود.

در صورت بالا بودن دمای بخار تولیدی و پائین بودن دمای بخار خروجی از موتور، بیشترین بازده به دست می آید. در عمل، وقتی که بخار توسط موتور بخار به اتمسفر تخلیه شود میزان بازدهی آن تنها بین یک تا ۱۰ درصد میباشد ولی اگر یک چگالنده و روش انبساط چندگانه اضافه شود، این بازده به ۲۵ درصد می رسد. میزان بازدهی یک نیروگاه برق با مصرف بخار بین ۲۰ تا ۴۰ درصد می باشد. البته برای گرمایش منازل و ساختمان ها با استفاده از گرمای هدر رفته تا ۹۰ درصد از انرژی مصرفی را میتوان مورد بهره برداری قرار داد.

موتورهای توربینی

روتور به یک توربین بخار گفته میشود که یک سری از دیسک های چرخان نصب شده بر روی یک شفت را دارد. استاتور به دیسک هایی گفته میشود که روی بدنه ی توربین به صورت ثابت نصب شده اند. پره هایی با سازمان منظم بر روی روتورها کار شده که با برخورد بخار به آن ها روتور می چرخد. وظیفه ی پره های استاتورها، هدایت بخار به مرحله ی بعد می باشد. بخار خروجی یک توربین بخار عموما با ورود به یک چگالنده سطحی باعث تولید خلا نسبی می شود. هدف از مراحلی که در این تجهیز طراحی شده اینست که با تولید بيش ترین کار از بخار ساخته شود. البته توجه کنید که تنها زمانی بازده توربین های بخار، مناسب است که سرعتش بالا باشد. از این رو به منظور کاهش سرعت در کاربردهایی قابل استفاده است که از آن ها می توان به پره ی پیشران کشتی، از سیستم جعبه دنده اشاره کرد.

با توجه به این که وظیفه ی توربین ها تبدیل انرژی بخار به حرکت مکانیکی دورانی است، دیگر برای تبدیل حرکت رفت و برگشتی به دورانی به سیستمی نیاز نیست. به همین خاطر، نیاز به تعمیرات و استهلاک دستگاه کاهش پیدا میکند. تولید الکتریسیته از اصلی ترین کاربرد توربین بخار به شمار می رود. تمام نیروگاه های هسته ای و بعضی از زیردریایی های هسته ای، وظیفه ی بخار کردن آب تا دما و فشار بالا را دارند. سپس برای چرخاندن توربین از همین بخار استفاده میشود. وظیفه ی شفت توربین که جفت شده به شفت ژنراتور برق است، به حرکت دراوردن ژنراتور و تولید برق می باشد.

از موتور بخار به ندرت در کاربردهای حمل‌ونقل هوایی استفاده شده است

گردآوری: بخش علمی سرپوش