اولین ماشین بخار تجاری موفق که می‌توانست قدرت مداوم را به یک ماشین منتقل کند، در سال 1712 توسط توماس نیوکامن توسعه یافت. جیمز وات با بهبود حیاتی این اختراع، بخار مصرف‌شده را به یک ظرف جداگانه برای متراکم شدن هدایت کرد که این کار مقدار کار به‌دست‌آمده در ازای هر واحد سوخت مصرفی را به‌طور چشمگیری افزایش داد. تا قرن نوزدهم، موتورهای بخار ثابت، کارخانه‌های انقلاب صنعتی را به حرکت درآوردند. موتورهای بخار جایگزین بادبان‌ها در کشتی‌های پارویی شدند و لوکوموتیوهای بخار روی ریل‌ها کار می‌کردند.
موتورهای بخار پیستونی رفت‌وبرگشتی تا اوایل قرن بیستم منبع اصلی قدرت بودند، تا اینکه پیشرفت در طراحی موتورهای الکتریکی و موتورهای احتراق داخلی به‌تدریج جایگزین موتورهای بخار در استفاده تجاری شدند. توربین‌های بخار به دلیل هزینه کمتر، سرعت عملیاتی بالاتر و راندمان بیشتر، جایگزین موتورهای رفت‌وبرگشتی در تولید برق شدند.
موتور بخار چگونه کار می‌کند؟
در موتور بخار، بخار داغ، که معمولاً توسط یک دیگ بخار تأمین می‌شود، تحت فشار منبسط می‌شود و بخشی از انرژی گرمایی به کار تبدیل می‌شود. بخش باقی‌مانده از گرما ممکن است آزاد شود یا، برای حداکثر راندمان موتور، بخار در یک دستگاه جداگانه به نام کندانسور، در دما و فشار نسبتاً پایین متراکم شود. برای راندمان بالا، بخار باید در طی انبساط در موتور، افت دمایی گسترده‌ای را تجربه کند. بهترین عملکرد، یعنی بیشترین خروجی کار نسبت به گرمای تأمین‌شده، با استفاده از دمای پایین کندانسور و فشار بالای دیگ بخار به دست می‌آید.
بخار ممکن است با عبور از یک سوپرهیتر در مسیر خود از دیگ به موتور، بیشتر گرم شود. سوپرهیتر معمولی شامل گروهی از لوله‌های موازی است که سطوح آن‌ها در معرض گازهای داغ کوره دیگ قرار دارد. با استفاده از سوپرهیترها، بخار می‌تواند فراتر از دمایی که از جوشاندن آب تولید می‌شود، گرم شود. در موتور رفت‌وبرگشتی، که نوع پیستون و سیلندری موتور بخار است، بخار تحت فشار از طریق مکانیزم سوپاپ به سیلندر وارد می‌شود. با انبساط بخار، پیستون را که معمولاً به یک میل‌لنگ روی چرخ طیار متصل است، به حرکت درمی‌آورد و حرکت چرخشی تولید می‌کند. در موتور دوطرفه، بخار از دیگ به‌طور متناوب به هر دو طرف پیستون وارد می‌شود.
در یک موتور بخار ساده، انبساط بخار فقط در یک سیلندر رخ می‌دهد، در حالی که در موتور ترکیبی، دو یا چند سیلندر با اندازه‌های افزایش‌یابنده برای انبساط بیشتر بخار و راندمان بالاتر وجود دارد؛ پیستون اول و کوچک‌تر توسط بخار اولیه با فشار بالا کار می‌کند و پیستون دوم توسط بخار با فشار پایین‌تر که از اولی خارج شده است. در توربین بخار، بخار با سرعت بالا از طریق نازل‌ها خارج می‌شود و سپس از میان مجموعه‌ای از تیغه‌های ثابت و متحرک عبور می‌کند و باعث می‌شود روتور با سرعت بالا بچرخد. توربین‌های بخار فشرده‌تر هستند و معمولاً دماهای بالاتر و نسبت انبساط بیشتری نسبت به موتورهای بخار رفت‌وبرگشتی فراهم می‌کنند. توربین وسیله جهانی برای تولید مقادیر زیاد برق با بخار است.
اجزای موتور بخار
- جعبه آتش (Firebox): جایی که سوخت سوزانده می‌شود تا گرما تولید کند.
- دیگ بخار (Boiler): لیندی از دیگ بخار لوله‌آتشی استفاده می‌کند. گازهای داغ تولیدشده در جعبه آتش از میان ردیفی از لوله‌ها در دیگ کشیده می‌شوند. این لوله‌ها آب اطراف خود را گرم می‌کنند تا بخار تولید شود. بخار در گنبد بخار بالای دیگ جمع می‌شود.
- گنبد بخار (Steam Dome): در داخل گنبد بخار، سوپاپ تنظیم‌کننده، سوپاپ ایمنی و سوت قرار دارند. سوپاپ تنظیم‌کننده به دریچه گاز در کابین متصل است. مهندس از دریچه گاز برای کنترل مقدار بخار تحویلی به سیلندرها استفاده می‌کند. سوت، یک سوت چهارآوایی بالدوین مدل ۱۹۲۵ است که با فشار بخار کار می‌کند. سوپاپ ایمنی برای آزاد کردن بخار در صورت بالا رفتن بیش از حد فشار باز می‌شود.
- سوپاپ‌ها، سیلندرها و پیستون‌ها: بخار در سیلندرها به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود. بخار تحت فشار از طریق سوپاپ‌های سیلندر به محفظه وارد می‌شود و پیستون را به حرکت درمی‌آورد. لیندی، مانند اکثر لوکوموتیوها، از سیلندرهای دوطرفه استفاده می‌کند. این کار با وارد کردن متناوب بخار به هر دو طرف پیستون، قدرت را دو برابر می‌کند و میله پیستون را در هر دو جهت حرکت می‌دهد و در هر دو ضربه قدرت تولید می‌کند.
- میله‌ها (Rods): پیستون در سیلندر توسط یک صلیب‌سر که روی یک ریل هدایت‌کننده حرکت می‌کند، تراز می‌شود. صلیب‌سر انتهای کوچک میله اتصال را حمل می‌کند. انتهای بزرگ‌تر، قدرت را از طریق پین میل‌لنگ به چرخ‌ها منتقل می‌کند. لیندی، مانند اکثر لوکوموتیوها، بیش از یک مجموعه چرخ محرک دارد تا قدرت تولیدشده توسط سیلندرهای دوطرفه را تقسیم کند. میل‌لنگ‌ها در دو طرف لوکوموتیو با زاویه ۹۰ درجه جابه‌جا شده‌اند تا قدرت را در یک دور کامل چرخ‌ها توزیع کنند.
- جعبه دود (Smokebox): بخار مصرف‌شده از سیلندرها از طریق لوله انفجار زیر دودکش آزاد می‌شود. این چیدمان کاهش فشار در جعبه دود را ایجاد می‌کند که گازهای جعبه آتش را از طریق لوله‌های دیگ می‌کشد. هرچه لوکوموتیو سخت‌تر کار کند، گاز بیشتری از لوله‌ها کشیده می‌شود و بخار بیشتری تولید می‌شود.
- دودکش (The Stack): بخار مصرف‌شده از لوله انفجار با گازهای لوله‌های دیگ مخلوط می‌شود و از دودکش خارج می‌شود. هرچه لوکوموتیو سخت‌تر کار کند، گازها و بخار بیشتری از دودکش خارج می‌شود.
- کابین (Cab): خدمه قطار موتور را از کابین کنترل می‌کنند. وظیفه آتش‌بان تولید بخار با کنترل آتش در جعبه آتش و تأمین آب دیگ است. مهندس با کار با دریچه گاز از بخار استفاده می‌کند و فشار بخار، سوخت و آب را نظارت می‌کند.
- گنبد شن (Sand Dome): گنبدی حاوی شن است که مهندس از آن برای پاشیدن در جلو یا پشت چرخ‌های محرک استفاده می‌کند تا اصطکاک بین چرخ‌ها و ریل را افزایش دهد.
کاربردهای موتور بخار
موتورهای بخار در انواع کاربردها استفاده می‌شدند، از جمله:
- کارخانه‌ها
- معادن
- لوکوموتیوها
- کشتی‌های بخار
ماشین‌های بخار را می‌توان به دو نوع تقسیم کرد:
- ماشین بخار پیستونی: این نوع از پیستون یا پیستونی متصل به مکانیزم میله اتصال-میل‌لنگ استفاده می‌کند. در این نوع می‌توان به موتور بخار انبساط چندگانه، موتور جریان یکنواخت یا یونیفلو اشاره کرد.
- ماشین بخار توربینی: موتور بخار یک موتور احتراق خارجی است که قادر به تبدیل انرژی گرمایی به انرژی مکانیکی روی محور چرخان است. این انرژی گرمایی از انرژی موجود در بخار آب با فشار و دمای بالا استفاده می‌کند.
ماشین‌های بخار را به‌عنوان ماشین‌هایی در نظر می‌گیریم که انرژی گرمایی یک سیال را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. به‌طور کلی، سیال باید از قبل گرم شود و خروجی ماشین بخار برای تکرار فرآیند خنک شود. این نوع ماشین‌ها نتیجه بهبودهایی است که جیمز وات بر روی ماشین توماس نیوکامن انجام داد. در ادامه، موتور بخار نقش اساسی در توسعه اولین انقلاب صنعتی ایفا کرد.
ماشین بخار پیستونی
ماشین‌های بخار پیستونی اولین موتورهای بخار توسعه‌یافته بودند که از پیستون یا پیستونی متصل به مکانیزم میله اتصال-میل‌لنگ استفاده می‌کردند. بخار با فشار و دمای بالا به این مکانیزم اعمال می‌شد و با مجموعه‌ای از سوپاپ‌ها هماهنگ می‌شد تا انرژی جنبشی و در نتیجه حرکت مکانیکی به دست آید.
ماشین بخار پیستونی چگونه کار می‌کند؟
بخار آب در یک مولد بخار مانند دیگ تولید می‌شود. بخار به محفظه‌ای وارد می‌شود که در آن یک سوپاپ کنترلی وجود دارد. این سوپاپ کنترلی به‌طور همزمان توسط مکانیزمی متصل به میل‌لنگ ماشین فعال می‌شود. حرکت جابه‌جایی سوپاپ کنترلی باعث می‌شود محفظه ورودی، جایی که بخار تأمین می‌شود، به‌طور متناوب با بالا یا پایین پیستون ارتباط برقرار کند.
بخار پیستون را در هر دو جهت هل می‌دهد تا میل‌لنگ را بچرخاند. در همان زمان، این سوپاپ کنترلی در سمت مقابل پیستون به مجرای خروجی ارتباط برقرار می‌کند تا بخار سرد و بی‌فایده با فشار پایین خارج شود. دما و فشار بخار خروجی به اندازه کافی بالا نیست تا در این نوع ماشین از انرژی آن بهره بیشتری برده شود.
چگونه عملکرد بهتری با ماشین‌های چندمرحله‌ای به دست می‌آید؟
این موتور بخار ابتدایی بسیار ناکارآمد است. بخار خارج‌شده هنوز گرم است و فشار کافی برای انجام کارهای مفیدتر دارد. برای بهبود راندمان این نوع ماشین بخار از ماشین‌های چندمرحله‌ای استفاده می‌شود. در ماشین‌های چندمرحله‌ای، بخار زائد از یک مرحله به مرحله دیگری با پیستون بزرگ‌تر وارد می‌شود تا از انرژی موجود در آن بیشتر استفاده شود. بخار از یک مرحله به مرحله بعدی وارد می‌شود تا پیستونی با اندازه بزرگ‌تر را به حرکت درآورد. به این ترتیب، انرژی بخار خروجی نهایی به‌طور کامل بهره‌برداری می‌شود.
این افزایش اندازه پیستون ضروری است تا هر مرحله از موتور بخار بتواند نیروی محرکه تقریباً یکسانی ارائه دهد. باید در نظر داشت که هر بار فشار بخار کمتر می‌شود. افزایش اندازه پیستون سطح آن را افزایش می‌دهد. طبق قوانین فیزیک، نیروی رانش حاصل‌ضرب فشار در مساحت پیستون است. در میان ماشین‌های پیستونی، انواع زیر را برجسته می‌کنیم:
- موتور بخار انبساط چندگانه
- موتور جریان یکنواخت یا یونیفلو
موتور بخار انبساط چندگانه چگونه کار می‌کند؟
موتور بخار انبساط چندگانه نوع دیگری از موتور بخار است. این موتور از چندین سیلندر تک‌اثره استفاده می‌کند. هر سیلندر قطر و حرکت بزرگ‌تری نسبت به قبلی دارد. با بخار پرفشار از دیگ، پیستون اول، که کوچک‌ترین قطر را دارد، به سمت پایین رانده می‌شود. در حرکت رو به بالای پیستون اول، بخار تا حدی منبسط‌شده در سیلندر دوم که شروع به حرکت رو به پایین کرده است، فعال می‌شود. پایین آمدن پیستون دوم انبساط بیشتری از بخار با فشار نسبتاً بالا که در محفظه اول آزاد شده بود، ایجاد می‌کند.
همچنین، محفظه میانی به محفظه نهایی تخلیه می‌شود که به نوبه خود به یک کندانسور آزاد می‌شود. تغییری در این نوع موتور، دو پیستون کوچک‌تر را در محفظه آخر به کار می‌گیرد. ویژگی‌های این نوع موتور بخار آن را به موتوری بهینه برای استفاده در کشتی‌های بخار تبدیل کرد. مزیت آن این بود که کندانسور با بازیافت مقداری از قدرت، بخار را به آب تبدیل می‌کرد که می‌توانست دوباره در دیگ استفاده شود.
برای موتورهای بخار زمینی این مزیت چندان مهم نبود. ماشین‌های زمینی می‌توانستند بخش زیادی از بخار خود را تخلیه کنند و از برج آب شیرین دوباره پر شوند، اما در دریا این امکان وجود نداشت. قبل و در طول جنگ جهانی دوم، موتور انبساط در وسایل نقلیه دریایی که نیازی به سرعت بالا نداشتند، استفاده می‌شد. با این حال، هنگامی که سرعت بیشتری مورد نیاز بود، با توربین بخار جایگزین شد.
موتور جریان یکنواخت یا یونیفلو چگونه کار می‌کند؟
نوع دیگری از ماشین پیستونی، موتور جریان یکنواخت یا یونیفلو است. این نوع موتور از بخاری استفاده می‌کند که در هر نیمه سیلندر فقط در یک جهت جریان دارد. راندمان حرارتی این موتور بخار با داشتن گرادیان دما در سراسر سیلندر به دست می‌آید. بخار همیشه از انتهای داغ سیلندر وارد می‌شود و از طریق روزنه‌هایی در مرکز بخش خنک‌تر خارج می‌شود. به این ترتیب، گرمایش و سرمایش نسبی دیواره‌های سیلندر کاهش می‌یابد.
در موتورهای بخار یونیفلو، ورودی بخار معمولاً توسط سوپاپ‌های ساقه‌ای که توسط یک میل‌بادامک فعال می‌شوند کنترل می‌شود. سوپاپ‌های ساقه‌ای مشابه سوپاپ‌های استفاده‌شده در موتورهای احتراق داخلی عمل می‌کنند. سوپاپ‌های ورودی برای پذیرش بخار هنگامی که حداقل حجم انبساط در شروع حرکت به دست آمد، باز می‌شوند.
در نقطه خاصی از چرخش میل‌لنگ، بخار وارد می‌شود و ورودی بوش بسته می‌شود، که امکان انبساط مداوم بخار را فراهم می‌کند. ورود بخار به پیستون اجازه می‌دهد تا انرژی جنبشی مشخصی به آن منتقل شود. در انتهای حرکت، پیستون حلقه‌ای از سوراخ‌های خروجی را در اطراف مرکز سیلندر آشکار می‌کند. این سوراخ‌ها به کندانسور متصل هستند. این عمل فشار را در محفظه کاهش می‌دهد و آزادسازی سریع را ایجاد می‌کند. چرخش مداوم میل‌لنگ است که پیستون را به حرکت درمی‌آورد.
انواع ماشین‌های بخار
ماشین‌های بخار بر اساس طراحی، کاربرد و مکانیزم عملکرد به انواع مختلفی تقسیم می‌شوند. در ادامه به بررسی مهم‌ترین انواع آن‌ها می‌پردازیم:
1. ماشین‌های بخار پیستونی
این نوع ماشین‌ها از رایج‌ترین انواع ماشین‌های بخار در دوران انقلاب صنعتی بودند. در این دستگاه‌ها، بخار وارد سیلندر شده و پیستون را به حرکت درمی‌آورد. حرکت پیستون از طریق میله‌های اتصال به چرخ‌ها یا سایر اجزای مکانیکی منتقل می‌شود.
کاربردها:
- لوکوموتیوهای بخار: قطارهای بخار از ماشین‌های پیستونی برای حرکت روی ریل‌ها استفاده می‌کردند. این قطارها نقش مهمی در توسعه حمل‌ونقل و تجارت جهانی داشتند.
- کشتی‌های بخار: کشتی‌هایی مانند “کلرمونت” رابرت فالتون از ماشین‌های پیستونی برای حرکت در رودخانه‌ها و اقیانوس‌ها بهره می‌بردند.
- کارخانه‌ها: ماشین‌های پیستونی برای راه‌اندازی دستگاه‌های نساجی، پمپ‌های آب و سایر تجهیزات صنعتی استفاده می‌شدند.
مزایا:
- طراحی ساده و قابل اعتماد
- توانایی کار با سوخت‌های مختلف مانند زغال‌سنگ و چوب
معایب:
- بازده پایین در مقایسه با فناوری‌های مدرن
- نیاز به تعمیر و نگهداری مداوم
2. ماشین‌های بخار توربینی
ماشین‌های بخار توربینی در اواخر قرن نوزدهم توسط چارلز پارسونز توسعه یافتند. در این نوع ماشین‌ها، بخار با فشار بالا به پره‌های توربین برخورد می‌کند و باعث چرخش سریع آن‌ها می‌شود. این حرکت چرخشی برای تولید برق یا راه‌اندازی دستگاه‌های بزرگ استفاده می‌شود.
کاربردها:
- نیروگاه‌های برق: توربین‌های بخار هنوز هم در نیروگاه‌های حرارتی برای تولید برق استفاده می‌شوند. حدود 80 درصد برق جهان در اوایل قرن بیستم توسط توربین‌های بخار تولید می‌شد.
- کشتی‌های اقیانوس‌پیما: کشتی‌های بزرگی مانند تایتانیک از توربین‌های بخار برای حرکت استفاده می‌کردند.
- صنایع سنگین: توربین‌های بخار در پالایشگاه‌ها و کارخانه‌های شیمیایی برای تأمین انرژی کاربرد دارند.
مزایا:
- بازده بالاتر نسبت به ماشین‌های پیستونی
- توانایی تولید انرژی در مقیاس بزرگ
معایب:
- هزینه ساخت و نگهداری بالا
- نیاز به مهندسی دقیق برای طراحی توربین‌ها
3. ماشین‌های بخار ثابت
این ماشین‌ها برای استفاده در مکان‌های ثابت مانند کارخانه‌ها و معادن طراحی شده بودند. برخلاف لوکوموتیوها یا کشتی‌ها، ماشین‌های ثابت قابلیت جابه‌جایی نداشتند و برای تأمین انرژی دستگاه‌های صنعتی به کار می‌رفتند.
کاربردها:
- معادن: پمپاژ آب از معادن زغال‌سنگ یکی از اولین کاربردهای ماشین‌های بخار ثابت بود.
- کارخانه‌های نساجی: این ماشین‌ها چرخ‌های نخ‌ریسی و دستگاه‌های بافندگی را به حرکت در ترجمه تخصصی حرکت می‌دادند.
- تولید برق: در اوایل قرن بیستم، ماشین‌های بخار ثابت برای تولید برق در مقیاس کوچک استفاده می‌شدند.
4. ماشین‌های بخار قابل حمل
این ماشین‌ها نسخه‌های کوچک‌تر و قابل حمل ماشین‌های بخار بودند که برای استفاده در کشاورزی و کارهای ساختمانی طراحی شده بودند.
کاربردها:
- کشاورزی: برای خرمن‌کوبی و سایر فعالیت‌های کشاورزی
- ساخت‌وساز: برای راه‌اندازی جرثقیل‌ها و دستگاه‌های حفاری
تأثیرات ماشین‌های بخار بر جامعه
ماشین‌های بخار تأثیرات عمیقی بر جوامع بشری گذاشتند. برخی از مهم‌ترین این تأثیرات عبارتند از:
- انقلاب صنعتی: ماشین‌های بخار امکان تولید انبوه کالاها را فراهم کردند و به رشد کارخانه‌ها و شهرنشینی کمک کردند.
- حمل‌ونقل: قطارها و کشتی‌های بخار فاصله‌های جغرافیایی را کاهش دادند و تجارت جهانی را گسترش دادند.
- توسعه علمی: نیاز به بهبود ماشین‌های بخار به پیشرفت‌هایی در ترمودینامیک و مهندسی مکانیک منجر شد.
- تغییرات اجتماعی: افزایش تولید و ثروت، ساختارهای اجتماعی را تغییر داد و طبقه کارگر صنعتی را به وجود آورد.
اگرچه ماشین‌های بخار پیستونی امروزه به ندرت استفاده می‌شوند، توربین‌های بخار همچنان نقش مهمی در تولید برق دارند. نیروگاه‌های حرارتی مدرن از توربین‌های بخار پیشرفته برای تولید انرژی استفاده می‌کنند. علاوه بر این، علاقه به فناوری‌های قدیمی باعث شده است که لوکوموتیوهای بخار و کشتی‌های بخار به عنوان جاذبه‌های گردشگری در برخی نقاط جهان حفظ شوند.
سوالات متداول
چه نوع ماشین‌های بخاری وجود دارند؟
ماشین‌های بخار به انواع پیستونی، توربینی، ثابت و قابل حمل تقسیم می‌شوند. هر کدام برای کاربردهای خاصی مانند حمل‌ونقل، تولید برق یا فعالیت‌های صنعتی طراحی شده‌اند.
چرا ماشین‌های بخار در حمل‌ونقل اهمیت داشتند؟
ماشین‌های بخار امکان سفرهای طولانی و سریع‌تر را فراهم کردند. قطارهای بخار و کشتی‌های بخار فاصله‌های جغرافیایی را کاهش دادند و تجارت و مهاجرت را آسان‌تر کردند. برای مثال، لوکوموتیوهای بخار در قرن نوزدهم شبکه‌های ریلی گسترده‌ای ایجاد کردند که به توسعه اقتصادی و صنعتی کمک کرد.
آیا ماشین‌های بخار هنوز استفاده می‌شوند؟
بله، توربین‌های بخار هنوز در نیروگاه‌های حرارتی برای تولید برق استفاده می‌شوند، اما ماشین‌های بخار پیستونی به دلیل بازده پایین و هزینه‌های نگهداری بالا، بیشتر در موزه‌ها و به عنوان جاذبه‌های گردشگری یافت می‌شوند. توربین‌های بخار مدرن با فناوری‌های پیشرفته‌تر همچنان نقش مهمی در تولید انرژی دارند.
مزایا و معایب ماشین‌های بخار چیست؟
مزایای ماشین‌های بخار شامل توانایی کار با سوخت‌های مختلف، دوام بالا و کاربرد گسترده در صنایع است. اما معایب آن‌ها شامل بازده پایین، آلودگی محیط‌زیست و نیاز به نگهداری مداوم است. برای مثال، ماشین‌های بخار قدیمی تنها بخش کوچکی از انرژی سوخت را به کار مفید تبدیل می‌کردند که در مقایسه با موتورهای مدرن بسیار ناکارآمد بود.
منبع: ابرار صنعتی
