كيف تعمل المحركات البخارية
How Steam Engines Work
المحرك البخاري آلة تعمل بطاقة تمدد البخار. ويُسْتخدم البخار في دفع المكابس التي تدير عجلات القاطرات القوية، أو يمكن استخدامه في تدوير توربينات ضخمة تحرك مولدات كهربائية، وعابرات محيطات عملاقة. وتدار بالبخار أيضاً المضخات الكبيرة، ومعدات الحفر وأنواع أخرى كثيرة من الآلات القوية. اخترع المحرك البخاري بواسطة العالمين Thomas Newcomen في العام 1705 و James Watt الذي أضاف الكثير من التطويرات للمحرك البخاري في العام 1769. المحرك البخاري استخدم في تشغيل القطارات والبواخر والمصانع لذا تعتبر هذه المحركات أساس النهضة الصناعية.
مخترع المحرك البخاري هو جيمس واط 1736 – 1819م كان مهندس اسكتلندي، ولد في غرينوك من أب كان يعمل في بالتجارة دون أن يحقق نجاحا. تلقى وات تدريبه عن صانع للأدوات في لندن، ثم عاد إلى جلاسجو ليعمل في مهنته. وقد كان وات على علاقة صداقة قوية مع الفيزيائي جوزيف بلاك مكتشف الحرارة الكامنة، وكان لهذه الصداقة الأثر الهام في توجيه وات إلى الاهتمام بالطاقة التي يمكن الاستفادة منها من البخار كقوة محركة وقد أجرى عدة تجارب للاستفادة من ضغط البخار. ثم وقع في يده محرك بخاري من طراز نيوكو من فاخترع له مكثفا وأجرى عليه بعض التعديلات والتحسينات مثل المضخة الهوائية وغلاف لاسطوانة البخار ومؤشر للبخار مما جعل المحرك البخاري آلة تجارية ناجحة . وقد أدعى وات اكتشاف تركيب الماء قبل كافندش أو في نفس الوقت. وقد سميت وحدة القدرة الكهربية باسم وات تخليدا له . أسس وات بالاشتراك مع بولتون شركة هندسية هي شركة سوهو للأعمال الهندسية وقد أذهل الشريكان مصطلح وحدة القدرة الحصانية H.P Horse Power حيث كيلو وات1H.P = 0.746 .
فكرة عمل المحرك البخاري Steam Engine Operation
سوف نستعين بالشكل التالي لتوضيح فكرة عمل المحرك البخاري steam engine حيث يوضح الشكل اهم جزء في المحرك وهو المكبس الحراري piston steam engine وهذا المحرك المستخدم لتحريك القطارات.
لاحظ أن المكبس الحراري يحتوي على صمامين ليسمح لدخول البخار عند ضغط مرتفع من الصمامين بطريقة تباديلة كما هو موضح في عرض الفيديو التالي:
كذلك لاحظ حركة الصمام المتحرك slide valve المثبت على ساق معدنية valve rod وهذه الحركة تسمح يسمح بدخول البخار في كلا الصمامين لاسطوانة المكبس. يتم توصيل الساق المعدنية في بطريقة ميكانيكية بـ cross head الذي يتحرك على ذراع التوجيه cross head guide وحركته للأمام والخلف يتم تحويلها لحركة دائرية بواسطة العجلات. وبهذا الاتصال فان حركة الذراع سوف تحرك أيضا ساق الصمام ليفتح ويغلق في الوقت المناسب حسب سرعة الحركة.
كما تلاحظ في الشكل العادم exhaust steam الذي يسمح بخروج العادم (ماء) إلى الخارج. ولهذا فان القطارات البخارية تحتاج إلى مصدر مستمر من الماء. والصوت المميز للقطار البخاري ينتج عند خروج العادم من الصمام فيصدر الصفير المميز لصوت القطار.
السخان Boilers
يستخدم سخان boiler للحصول على بخار ماء ذو ضغط عالي. ويعمل السخان إما بطريقة أنابيب النار fire tube أو أنابيب الماء water tube.
الطريقة الأولى أنابيب النار هي طريقة كانت شائعة في القرن التاسع عشر. تحتوي على خزان ماء يحتوي على أنابيب كما في الشكل الموضح أدناه. يدخل الغاز الحار الناتج عن احتراق الفحم والأخشاب ليسخن الماء داخل الخزان.
أنابيب النار fire tube
في سخان أنابيب النار كل الخزان يكون تحت ضغط عالي وهذا يشكل خطورة ان ينفجر الخزان إذا تعرض للمزيد من الضغط والحرارة.
أما السخان المستخدم حاليا هو سخان أنابيب الماء حيث يتم تمرير الماء في أنابيب خاصة تتعرض لحرارة احتراق الخشب والفحم كما في الشكل الموضح أدناه.
أنابيب الماء water tube
يعكف المهندسون على تحسين تصميم السخان لاستغلال كل الحرارة الناتجة عنه في تسخين الماء لرفع كفاء المحرك.
ولمزيد من المعلومات يمكنك الاستعانة بالروابط التالية:
http://science.howstuffworks.com/steam.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Steam_engine
وإلى اللقاء في موضوع جديد
د.حازم فلاح سكيك
