تويت
آلية عمل المحرك البخاري
يرتكز عمل المحرك البخاري على اعتباره آلة تحرق الفحم لتحرير الطاقة الحرارية التي يحتوي عليها، لذلك فهي مثال لما نسميه المحرك الحراري.
يشبه عمل المحرك البخاري إلى حدٍ ما قدر غلي عملاق موضوع فوق محرقة فحم، فتقوم الحرارة الناتجة عن النار بغلي الماء في القدر، وتحويله إلى بخار، ولكن بدلًا من إطلاقه في الهواء، فإنّ المحرّك يقوم بتوظيف ذلك البخار، واستخدامه لتشغيل الآلة الميكانيكية.
والآن؛ دعونا نعرف كيف يتمّ ذلك!
أجزاء المحرك البخاري
قبل الخوض في عمل المحرك البخاري بشكلٍ أساسيٍّ؛ لنتعرف على أقسامه، هناك أربعة أقسام مميزة مختلفة في المحرك البخاري :
إنّ هذا الوصف مبسطٌ للغاية، وبالطبع؛ هناك المئات أو ربما الآلاف من الأجزاء ضمن المحرّك الواحد.
آلية عمل المحرك البخاري
يمكن توضيح عمل المحرك البخاري بشكلٍ سلسٍ بالاعتماد على المثال المبسّط لقاطرة بخارية موضّح بالصور التمثيلية أدناه:
داخل كابينة القاطرة، يتم تحميل الفحم إلى صندوق الاحتراق (1) والذي هو حرفيًّا صندوقٌ معدنيٌّ يحتوي على نار الفحم المتوهج، التي تقوم بتسخين المرجل أو وعاء الغلي (Boiler) العملاق داخل القاطرة.
إنّ المرجل (2) في القطار البخاري، لا يشبه تمامًا الوعاء الذي تستخدمه لصنع كوبٍ من الشاي، لكنه يعمل بنفس الطريقة، ويقوم بإنتاج البخار تحت ضغطٍ عالٍ، وهو عبارةٌ عن خزانٍ كبيرٍ من الماء، مع عشراتٍ من الأنابيب المعدنية الرفيعة التي تعمل من خلاله (للبساطة، نعرض هنا واحدًا ذا لون برتقاليّ فقط).
تمتدّ الأنابيب من صندوق الاحتراق، وصولًا إلى المدخنة، حاملةً معها الحرارة، ودخان النار (كما هو موضحٌ في النقاط البيضاء داخل الأنبوب).
إنّ هذا الترتيب لأنابيب المراجل، يعني أن نار المحرك يمكن أن تسخن الماء في الخزان بسرعةٍ أكبر، لذلك فإنها تنتج البخار بسرعةٍ أكبر، وكفاءةٍ أفضل.
تأتي المياه التي تصنع البخار إما من خزاناتٍ مركبةٍ على جانب القاطرة، أو من عربةٍ منفصلةٍ يتم سحبها خلف القاطرة، كما ويمكن أن تحمل تلك إمدادات الفحم كذلك.
يتدفق البخار المتولد في المرجل إلى أسطوانة (Cylinder) (3) تمامًا قبل العجلات، مما يؤدي إلى دفع مكبس، أو غاطس ضيق، يسمّى المكبس (Piston) ذهابًا وإيابًا (4).
تسمح البوابة الميكانيكية الصغيرة في الأسطوانة، والمعروفة باسم صمام المدخل (كما هو موضحٌ باللون البرتقالي) بدخول البخار.
يتم توصيل المكبس بواحدةٍ أو أكثر من عجلات القاطرة من خلال مفصل من نوع من ذراع ـ مرفق ـ كتف يدعى بالكرنك وعمود التوصيل (5).
بينما يقوم المكبس بالدفع، يدير الكرنك وعمود التوصيل عجلات قاطرة، ويمضي قُدمًا بالقطار (6).
عندما يصل المكبس إلى نهاية الأسطوانة، فإنه لا يستطيع القيام بمزيدٍ من الدفع، وينقل زخم القطار (النزعة إلى الاستمرار في الحركة) الكرنك إلى الأمام، مما يدفع المكبس إلى داخل الأسطوانة بالطريقة التي أتى بها.
يغلق صمام مدخل البخار، ويفتح صمام المخرج، ويدفع المكبس البخار من خلال الأسطوانة، ويخرج من مدخنة القاطرة.
إنّ الضجيج المتقطع الذي يخلّفه المحرك البخاري والدفعات المتقطعة من الدخان الصادر، يحدثان عندما يتحرك المكبس للخلف والأمام في الأسطوانة.
هناك أسطوانةٌ على كل جانبٍ من القاطرة، لضمان الوجود الدائم لقوة دفع المحرك.
محركات البخار اليوم
قد يكون من المفاجئ معرفة أن 95٪ من محطات الطاقة النووية تستخدم محركات بخارية لتوليد الطاقة، إذ يتم استخدام قضبان الوقود المشعة في محطةٍ للطاقة النووية تمامًا مثل الفحم في قاطرة بخارية لغلي الماء وخلق طاقة بخار.
مع ذلك، فإن التخلص من قضبان الوقود المشعة المستهلكة، وضعف محطات الطاقة النووية في مقاومة الزلازل وغيرها من القضايا، تترك العامة، والبيئة في خطرٍ كبيرٍ.
إنّ الطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة المولدة باستخدام البخار الناتج عن الحرارة المنبعثة من القلب المنصهر في الأرض، وتعتبر محطات الطاقة الحرارية الأرضية تقنية صديقة للبيئة نسبيًا، ولقد كانت شركة Kaldara Green Energy، وهي شركة تصنيع نرويجية/ أيسلندية لمعدات إنتاج الطاقة الكهربائية الحرارية الأرضية، هي المبتكر الرئيسي في هذا المجال.
يمكن لمحطات الطاقة الحرارية الشمسية أيضًا استخدام توربينات البخار لتوليد طاقتها.
يرتكز عمل المحرك البخاري على اعتباره آلة تحرق الفحم لتحرير الطاقة الحرارية التي يحتوي عليها، لذلك فهي مثال لما نسميه المحرك الحراري.
يشبه عمل المحرك البخاري إلى حدٍ ما قدر غلي عملاق موضوع فوق محرقة فحم، فتقوم الحرارة الناتجة عن النار بغلي الماء في القدر، وتحويله إلى بخار، ولكن بدلًا من إطلاقه في الهواء، فإنّ المحرّك يقوم بتوظيف ذلك البخار، واستخدامه لتشغيل الآلة الميكانيكية.
والآن؛ دعونا نعرف كيف يتمّ ذلك!
أجزاء المحرك البخاري
قبل الخوض في عمل المحرك البخاري بشكلٍ أساسيٍّ؛ لنتعرف على أقسامه، هناك أربعة أقسام مميزة مختلفة في المحرك البخاري :
- بيت النار؛ حيث يحرق الفحم.
- وعاء، أو مرجل (Boiler) مملوء بالماء، يتم تسخينه بالنار، لتحويله إلى البخار.
- أسطوانة (Cylinder)، ومكبس (Piston).
- آلة يتم ربطها بالمكبس، ويمكن أن تكون أي شيء ميكانيكيّ، من مضخة مياه، إلى آلة مصنع، أو حتى قاطرة بخار عملاقة تتحرك صعودًا ونزولًا على خط سكةٍ حديدٍ.
إنّ هذا الوصف مبسطٌ للغاية، وبالطبع؛ هناك المئات أو ربما الآلاف من الأجزاء ضمن المحرّك الواحد.
آلية عمل المحرك البخاري
يمكن توضيح عمل المحرك البخاري بشكلٍ سلسٍ بالاعتماد على المثال المبسّط لقاطرة بخارية موضّح بالصور التمثيلية أدناه:
داخل كابينة القاطرة، يتم تحميل الفحم إلى صندوق الاحتراق (1) والذي هو حرفيًّا صندوقٌ معدنيٌّ يحتوي على نار الفحم المتوهج، التي تقوم بتسخين المرجل أو وعاء الغلي (Boiler) العملاق داخل القاطرة.
إنّ المرجل (2) في القطار البخاري، لا يشبه تمامًا الوعاء الذي تستخدمه لصنع كوبٍ من الشاي، لكنه يعمل بنفس الطريقة، ويقوم بإنتاج البخار تحت ضغطٍ عالٍ، وهو عبارةٌ عن خزانٍ كبيرٍ من الماء، مع عشراتٍ من الأنابيب المعدنية الرفيعة التي تعمل من خلاله (للبساطة، نعرض هنا واحدًا ذا لون برتقاليّ فقط).
تمتدّ الأنابيب من صندوق الاحتراق، وصولًا إلى المدخنة، حاملةً معها الحرارة، ودخان النار (كما هو موضحٌ في النقاط البيضاء داخل الأنبوب).
إنّ هذا الترتيب لأنابيب المراجل، يعني أن نار المحرك يمكن أن تسخن الماء في الخزان بسرعةٍ أكبر، لذلك فإنها تنتج البخار بسرعةٍ أكبر، وكفاءةٍ أفضل.
تأتي المياه التي تصنع البخار إما من خزاناتٍ مركبةٍ على جانب القاطرة، أو من عربةٍ منفصلةٍ يتم سحبها خلف القاطرة، كما ويمكن أن تحمل تلك إمدادات الفحم كذلك.
يتدفق البخار المتولد في المرجل إلى أسطوانة (Cylinder) (3) تمامًا قبل العجلات، مما يؤدي إلى دفع مكبس، أو غاطس ضيق، يسمّى المكبس (Piston) ذهابًا وإيابًا (4).
تسمح البوابة الميكانيكية الصغيرة في الأسطوانة، والمعروفة باسم صمام المدخل (كما هو موضحٌ باللون البرتقالي) بدخول البخار.
يتم توصيل المكبس بواحدةٍ أو أكثر من عجلات القاطرة من خلال مفصل من نوع من ذراع ـ مرفق ـ كتف يدعى بالكرنك وعمود التوصيل (5).
بينما يقوم المكبس بالدفع، يدير الكرنك وعمود التوصيل عجلات قاطرة، ويمضي قُدمًا بالقطار (6).
عندما يصل المكبس إلى نهاية الأسطوانة، فإنه لا يستطيع القيام بمزيدٍ من الدفع، وينقل زخم القطار (النزعة إلى الاستمرار في الحركة) الكرنك إلى الأمام، مما يدفع المكبس إلى داخل الأسطوانة بالطريقة التي أتى بها.
يغلق صمام مدخل البخار، ويفتح صمام المخرج، ويدفع المكبس البخار من خلال الأسطوانة، ويخرج من مدخنة القاطرة.
إنّ الضجيج المتقطع الذي يخلّفه المحرك البخاري والدفعات المتقطعة من الدخان الصادر، يحدثان عندما يتحرك المكبس للخلف والأمام في الأسطوانة.
هناك أسطوانةٌ على كل جانبٍ من القاطرة، لضمان الوجود الدائم لقوة دفع المحرك.
محركات البخار اليوم
قد يكون من المفاجئ معرفة أن 95٪ من محطات الطاقة النووية تستخدم محركات بخارية لتوليد الطاقة، إذ يتم استخدام قضبان الوقود المشعة في محطةٍ للطاقة النووية تمامًا مثل الفحم في قاطرة بخارية لغلي الماء وخلق طاقة بخار.
مع ذلك، فإن التخلص من قضبان الوقود المشعة المستهلكة، وضعف محطات الطاقة النووية في مقاومة الزلازل وغيرها من القضايا، تترك العامة، والبيئة في خطرٍ كبيرٍ.
إنّ الطاقة الحرارية الأرضية هي الطاقة المولدة باستخدام البخار الناتج عن الحرارة المنبعثة من القلب المنصهر في الأرض، وتعتبر محطات الطاقة الحرارية الأرضية تقنية صديقة للبيئة نسبيًا، ولقد كانت شركة Kaldara Green Energy، وهي شركة تصنيع نرويجية/ أيسلندية لمعدات إنتاج الطاقة الكهربائية الحرارية الأرضية، هي المبتكر الرئيسي في هذا المجال.
يمكن لمحطات الطاقة الحرارية الشمسية أيضًا استخدام توربينات البخار لتوليد طاقتها.