به گزارش ابرار صنعتی، ماشین بخار یکی از اختراعات بنیادین بشر در دوران انقلاب صنعتی بود که ساختار و عملکرد آن بر پایه قوانین ساده اما قدرتمند فیزیک، به‌ویژه ترمودینامیک، استوار است. برای درک نحوه عملکرد این ماشین و همچنین درک نقش آن در تاریخ فناوری، شناخت اجزای اصلی آن اهمیت زیادی دارد. اجزای مختلف ماشین بخار در هماهنگی کامل با یکدیگر کار می‌کنند تا انرژی حرارتی حاصل از بخار آب را به انرژی مکانیکی تبدیل کنند. در ساعدنیوز به معرفی و توضیح هر یک از این اجزا می‌پردازیم.
ماشین بخار ترکیبی از هنر مهندسی و فهم عمیق انسان از طبیعت است. هر یک از اجزای آن، از دیگ بخار تا میل‌لنگ و سوپاپ‌ها، با دقت طراحی شده‌اند تا با استفاده از بخار آب، دنیای صنعتی را به حرکت درآورند. شناخت این اجزا نه تنها به ما درک بهتری از تاریخ فناوری می‌دهد، بلکه ما را با اصول اولیه تبدیل انرژی و طراحی سیستم‌های مکانیکی آشنا می‌کند.
قلب تپنده هر ماشین بخار، دیگ بخار یا بویلر است. این بخش مسئول تولید بخار آب با دمای بالا و تحت فشار زیاد است. سوخت (مانند زغال‌سنگ، چوب یا حتی نفت) درون دیگ سوزانده می‌شود و حرارت حاصل باعث تبخیر آب می‌شود. دیگ‌ها انواع مختلفی دارند؛ برخی لوله‌های آبی دارند و برخی لوله‌های آتشی، اما هدف نهایی در همه آنها یکسان است: تولید بخار با فشار و دمای بالا. کیفیت طراحی و جنس متریال دیگ بخار در کارایی و ایمنی ماشین نقش حیاتی دارد.
بخار تولید شده از دیگ بخار به سیلندر هدایت می‌شود. داخل سیلندر، پیستون قرار دارد که حرکت رفت و برگشتی آن نیروی مکانیکی تولید می‌کند. بخار داغ وارد یک سمت سیلندر می‌شود و پیستون را به حرکت درمی‌آورد. سپس با تعویض مسیر بخار، این فشار به سمت دیگر سیلندر منتقل می‌شود و باعث بازگشت پیستون به موقعیت اولیه می‌گردد. این حرکت رفت و برگشتی، اولین شکل انرژی مکانیکی تولید شده توسط ماشین بخار است.
سوپاپ‌ها نقش تنظیم و کنترل ورود و خروج بخار را در سیستم دارند. آنها مسیر بخار را در لحظه مناسب باز یا بسته می‌کنند تا حرکت پیستون هماهنگ و مداوم باشد. برخی از ماشین‌های بخار اولیه از سوپاپ‌های دستی استفاده می‌کردند، اما با پیشرفت فناوری، سوپاپ‌های خودکار و هماهنگ‌شده با حرکت پیستون نیز وارد سیستم شدند. یکی از معروف‌ترین انواع سوپاپ‌ها در ماشین بخار، سوپاپ اسلایدی بود که در موتورهای جیمز وات استفاده می‌شد.
حرکت خطی پیستون به خودی خود نمی‌تواند چرخ‌ها یا اجزای دیگر را به حرکت درآورد. برای همین، این حرکت رفت و برگشتی توسط میله رابط به میل‌لنگ منتقل می‌شود. میل‌لنگ با تبدیل حرکت خطی به چرخشی، امکان انتقال نیرو به چرخ‌ها، تسمه‌ها یا سایر سیستم‌های مکانیکی را فراهم می‌کند. طراحی دقیق این بخش‌ها باعث می‌شود که نیروی بخار به طور پیوسته و یکنواخت به اجزای مختلف منتقل شود.
چرخ طیار یک دیسک بزرگ و سنگین است که به میل‌لنگ متصل می‌شود و وظیفه اصلی آن تثبیت حرکت چرخشی ماشین است. از آنجا که حرکت پیستون‌ها نوسانی و رفت و برگشتی است، ممکن است ماشین دچار لرزش یا ناپایداری شود. چرخ طیار با ذخیره انرژی حرکتی و آزادسازی یکنواخت آن، باعث می‌شود که حرکت کلی ماشین صاف و روان باشد.
در برخی از ماشین‌های بخار پیشرفته‌تر، بخار پس از انجام کار فشرده و تبدیل به آب می‌شود تا بتوان آن را دوباره به دیگ بخار بازگرداند. این فرآیند در بخشی به نام کندانسور انجام می‌شود. کندانسورها نه تنها در کاهش مصرف آب مؤثرند، بلکه به حفظ فشار مناسب در سیستم نیز کمک می‌کنند. این بخش در ماشین بخار جیمز وات یکی از عوامل کلیدی در افزایش بازدهی بود.
پمپ تغذیه وظیفه دارد آب سرد یا آب کندانس‌شده را به داخل دیگ بخار پمپ کند. چون دیگ بخار باید همیشه سطح مشخصی از آب داشته باشد، این پمپ نقش مهمی در تداوم عملکرد سیستم دارد. در برخی از طراحی‌ها، حرکت پمپ به‌طور مکانیکی از خود ماشین بخار گرفته می‌شود و در برخی موارد از پمپ‌های مستقل استفاده می‌شود.
یکی از اختراعات هوشمندانه جیمز وات، استفاده از تنظیم‌کننده گریز از مرکز بود. این قطعه که از دو گلوله چرخان تشکیل شده، سرعت چرخش ماشین را اندازه‌گیری کرده و به صورت خودکار میزان بخار ورودی را تنظیم می‌کرد. اگر سرعت ماشین بیش از حد می‌شد، گلوله‌ها به سمت بیرون متمایل می‌شدند و باعث کاهش دریچه بخار می‌شدند، در نتیجه سرعت کاهش پیدا می‌کرد. این سامانه، اولین نمونه‌های کنترل خودکار را در مهندسی معرفی کرد.
همه اجزای ماشین بخار باید روی یک شاسی یا بدنه مقاوم نصب شوند. این بدنه نه تنها اجزا را در جای خود نگه می‌دارد، بلکه در بسیاری از موارد مسیر حرکت بخار و لوله‌کشی‌های داخلی نیز در دل آن تعبیه شده است. در ماشین‌های بخار بزرگ‌تر مانند قطارهای بخار یا کشتی‌های بخار، بدنه و ساختار اصلی نقش اسکلت‌بندی و محافظت از کل سیستم را ایفا می‌کند.
ویژگی | مزایا | معایب |
منبع انرژی | استفاده از منابع رایج مانند زغال‌سنگ یا چوب | نیاز به مصرف زیاد سوخت |
توان خروجی | تولید نیروی زیاد و مداوم مناسب برای صنایع سنگین | راندمان پایین و اتلاف بالای انرژی |
کاربرد | مناسب برای کارخانه‌ها، کشتی‌ها و قطارهای باری | نامناسب برای کاربردهای کوچک یا سبک |
ایمنی | در صورت نگهداری مناسب، قابل‌اطمینان | خطر انفجار دیگ بخار و آسیب‌های جدی |
زمان راه‌اندازی | مناسب برای استفاده بلندمدت در یک مکان | زمان‌بر برای گرم‌کردن و آماده‌سازی |
ماشین بخار رفت و برگشتی
ماشین بخار تک‌عمله و دو‌عمله
ماشین بخار با کندانسور
ماشین بخار بدون کندانسور
ماشین بخار ترکیبی
ماشین بخار چرخشی
ماشین بخار عمودی و افقی
ماشین بخار پرتابل و ثابت
ماشین بخار یکی از مهم‌ترین اختراعات بشر در مسیر صنعتی‌شدن جوامع بود و در طول قرن‌های هجده و نوزده میلادی، تحولات بزرگی در حمل‌ونقل، تولید و فناوری ایجاد کرد. با پیشرفت دانش و تجربه مهندسان، انواع مختلفی از ماشین‌های بخار با ساختارها و کاربردهای گوناگون طراحی و ساخته شد. این انواع را می‌توان بر اساس نحوه عملکرد، شکل حرکت، کاربرد و ساختار داخلی دسته‌بندی کرد.
یکی از رایج‌ترین و ابتدایی‌ترین نوع ماشین بخار، ماشین‌های رفت و برگشتی هستند. در این نوع، بخار تحت فشار وارد سیلندر می‌شود و موجب حرکت رفت و برگشتی پیستون درون آن می‌گردد. حرکت پیستون از طریق میل‌لنگ یا دیگر مکانیزم‌ها به حرکت چرخشی تبدیل شده و در نهایت برای به حرکت درآوردن دستگاه‌ها، چرخ‌ها یا ابزارهای دیگر استفاده می‌شود. این نوع ماشین در لوکوموتیوهای بخار، ماشین‌آلات صنعتی و پمپ‌های بزرگ کاربرد گسترده‌ای داشت.
ماشین‌های بخار از لحاظ نحوه تأثیر بخار بر پیستون به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: تک‌عمله و دو‌عمله. در نوع تک‌عمله، بخار فقط به یک طرف پیستون وارد شده و فقط در یک جهت موجب حرکت آن می‌شود. در مقابل، ماشین‌های دو‌عمله دارای سیلندرهایی هستند که بخار از دو طرف به پیستون وارد می‌شود و آن را در هر دو جهت به حرکت درمی‌آورد. نوع دوم بازدهی بالاتری دارد و در صنایع بزرگ‌تر به‌کار گرفته می‌شد.
یکی از پیشرفت‌های مهم در تاریخ ماشین‌های بخار، اضافه شدن کندانسور یا چگالنده بود. این فناوری نخستین بار توسط جیمز وات معرفی شد. در این نوع ماشین، بخار خروجی از سیلندر به جای تخلیه مستقیم در هوا، به یک کندانسور هدایت می‌شود تا دوباره به آب تبدیل گردد. این فرآیند باعث ایجاد خلأ نسبی در پشت پیستون می‌شود که به بهبود عملکرد و افزایش راندمان کمک می‌کند. استفاده از کندانسور، مصرف بخار و سوخت را به‌طور چشم‌گیری کاهش داد.
پیش از طراحی کندانسور توسط وات، توماس نیوکومن نوعی ماشین بخار ابتدایی طراحی کرده بود که بدون استفاده از کندانسور کار می‌کرد. در این ماشین، بخار پس از ورود به سیلندر و انجام کار، مستقیماً در هوا تخلیه می‌شد. هرچند طراحی ساده‌ای داشت و برای پمپ‌کردن آب از معادن استفاده می‌شد، اما راندمان آن بسیار پایین بود و نیاز به مقادیر زیادی سوخت داشت. این نوع ماشین در تاریخ فناوری نقطه آغاز مهمی به شمار می‌رود.
ماشین بخار ترکیبی یا کامپاند نوعی پیشرفته‌تر از ماشین‌های بخار رفت و برگشتی است که از چند سیلندر با فشارهای مختلف برای افزایش راندمان استفاده می‌کند. بخار ابتدا وارد سیلندر فشار بالا می‌شود، سپس به سیلندر فشار متوسط و در نهایت به سیلندر فشار پایین هدایت می‌شود. این تقسیم مراحل باعث استفاده بهینه از انرژی بخار و کاهش اتلاف انرژی می‌شود. ماشین‌های ترکیبی معمولاً در کشتی‌ها و تأسیسات بزرگ صنعتی مورد استفاده قرار می‌گرفتند.
بر خلاف ماشین‌های رفت و برگشتی که حرکت خطی پیستون را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کنند، در ماشین بخار چرخشی، بخار مستقیماً وارد یک توربین یا چرخ پره‌دار می‌شود و آن را به گردش درمی‌آورد. این نوع ماشین بخار بیشتر در کاربردهای نیروگاهی یا دریایی به‌کار گرفته می‌شود. نمونه کامل این نوع، توربین بخار است که در نیروگاه‌های برق استفاده می‌شود. راندمان بالا، لرزش کمتر و اندازه کوچک‌تر از مزایای آن نسبت به انواع رفت و برگشتی است.
از لحاظ ساختار فیزیکی، ماشین‌های بخار به دو نوع عمودی و افقی تقسیم می‌شوند. در ماشین‌های بخار عمودی، سیلندر و پیستون به‌صورت ایستاده قرار دارند و بیشتر در فضاهای محدود و ماشین‌های کوچک کاربرد داشتند. در مقابل، ماشین‌های افقی دارای سیلندرهایی هستند که به‌صورت افقی نصب شده‌اند و در صنایع بزرگ‌تر، کشتی‌ها و قطارهای بخار به‌کار می‌رفتند. نوع افقی از نظر استحکام و قابلیت نگهداری، برتری بیشتری دارد.
ماشین‌های بخار همچنین به دو دسته پرتابل (قابل‌حمل) و ثابت تقسیم می‌شوند. نوع ثابت معمولاً در کارخانه‌ها، معادن یا ایستگاه‌های نیرو مستقر شده و دائمی هستند. در مقابل، ماشین‌های بخار پرتابل روی چرخ یا وسایل نقلیه نصب می‌شدند و برای انجام کار در محل‌های مختلف جابه‌جا می‌شدند. از این نوع ماشین در کشاورزی، راه‌سازی و انتقال آب استفاده می‌شد.
موتور بخار یکی از مهم‌ترین اختراعات بشر در مسیر پیشرفت صنعتی به شمار می‌رود که پایه‌گذار تحولات گسترده‌ای در حمل‌ونقل، تولید و فناوری بود. در ساده‌ترین بیان، موتور بخار دستگاهی است که با استفاده از انرژی حرارتی حاصل از بخار آب، نیروی مکانیکی تولید می‌کند. در این مقاله تلاش می‌شود تا نحوه عملکرد این موتور به زبانی ساده و قابل فهم برای عموم توضیح داده شود.
فرآیند کار موتور بخار با تولید بخار آغاز می‌شود. آب درون یک مخزن فلزی مقاوم به نام «دیگ بخار» قرار داده می‌شود و با استفاده از سوخت‌هایی مانند زغال‌سنگ یا چوب حرارت داده می‌شود. با افزایش دما، آب به بخار تبدیل می‌گردد. این بخار در محیط بسته دیگ بخار تحت فشار بالا قرار می‌گیرد و آماده انجام کار مکانیکی می‌شود. بخار حاصل دارای انرژی زیادی است که می‌توان از آن برای به حرکت درآوردن قطعات مکانیکی استفاده کرد.
بخار تحت فشار، از طریق لوله‌هایی به درون سیلندر موتور هدایت می‌شود. در داخل سیلندر، قطعه‌ای به نام پیستون قرار دارد که می‌تواند به‌صورت رفت و برگشتی حرکت کند. هنگامی‌که بخار وارد یک طرف سیلندر می‌شود، فشار حاصل از آن باعث حرکت پیستون به سمت مقابل می‌شود. سپس با باز و بسته شدن سوپاپ‌ها، مسیر ورود بخار تغییر می‌کند و بخار به سمت دیگر سیلندر هدایت می‌شود. این فرآیند باعث می‌شود پیستون در یک حرکت رفت و برگشتی مداوم قرار گیرد.
حرکت رفت و برگشتی پیستون به تنهایی نمی‌تواند موجب چرخش چرخ‌ها یا ابزارها شود. برای این منظور، از سازوکارهایی مانند میله رابط و میل‌لنگ استفاده می‌شود. میله رابط پیستون را به میل‌لنگ متصل می‌کند و میل‌لنگ حرکت خطی پیستون را به حرکت چرخشی تبدیل می‌کند. این حرکت چرخشی همان نیرویی است که برای به‌کار انداختن چرخ قطار، تسمه‌های کارخانه یا هر نوع مکانیزم مکانیکی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.
در بسیاری از موتورهای بخار، قطعه‌ای به نام چرخ طیار به میل‌لنگ متصل می‌شود تا حرکت چرخشی را یکنواخت کند و از لرزش‌های ناشی از حرکت رفت و برگشتی جلوگیری نماید. همچنین در نسخه‌های پیشرفته‌تر موتور بخار، از تنظیم‌کننده‌های خودکار (مانند تنظیم‌کننده گریز از مرکز جیمز وات) برای کنترل میزان ورود بخار و در نتیجه، تنظیم سرعت موتور استفاده می‌شود.
منبع:
