تويت
محرك بخاري
Steam engine - Machine à vapeur
المحرك البخاري
المحرك البخاري steam engine، أو الآلة البخارية، محرك حراري heat engine مكبسي باحتراق خارجي، يتم فيه تحويل الطاقة الحرارية الكامنة في بخار الماء المسخن لدرجة حرارة معينة، وبضغط محدد، إلى عمل ميكانيكي في أسطوانة المحرك - التي تحوي مجموعة المكبس وذراع التوصيل والعمود المرفقي (الجذع المعقوف) crankshaft - تحت تأثير دفع البخار الوارد من المرجل boiler والمبادلات الحرارية heat exchangers.
يجري تسخين الماء خارجياً في مرجل خاص بحرق وقود من الفحم الحجري أو فحم الخشب أو من مشتقات النفط أو الغاز الطبيعي أو غير ذلك. أما عنصر التشغيل الحامل للطاقة الفعالة في هذا المحرك فهو بخار الماء، الذي يعمل في دارة مفتوحة غالباً، لكنها منفصلة عن غازات الاحتراق، أي إن البخار يخرج إلى الجو المحيط بعد أن ينجز فعله الميكانيكي، أوفي دارة مغلقة يعود فيها البخار إلى المرجل بعد تكاثفه في مكثف condenser، وتتغير أطواره إبان دورة عمله في حين يبقى تركيبه الكيمياوي ثابتاً لا يتغير، ويعطي المكثف فعالية أفضل ومردوداً أكبر.
لمحة تاريخية
طوَر الاسكتلندي جيمس واط James Watt عام 1769 المحرك البخاري إلى شكله العملي ورفع فعاليته، مما أتاح استخدامه في المراكب البخارية وفي ضخ المياه وفي أغراض أخرى. وفي عام 1804 قام ريتشارد تريفيثيك Richard Trevithick بصنع محرك بخاري لقطار سكة حديدية في ويلز Wales بالمملكة المتحدة. ثم توسع استخدام المحركات البخارية في القطارات والسفن البخارية (البواخر) وفي الصناعة، وكان له أشكال متعددة، لكن الشكل الأكثر استخداماً هو المحرك المكبسي الترددي reciprocating-piston engine، وقد بقي استخدامه شائعاً إلى نهاية القرن التاسع عشر وقت ظهور محركات الاحتراق الداخلي، وساعد على تطوير الثورة الصناعية. أصبحت التحسينات في تصميم المحرك البخاري ممكنة بعد التوصل إلى استخدام ضغوط أعلى للبخار بلغت 10- 14 بار bar عند درجات حرارة عالية، ومع سرعات أكبر لحركة المكبس 3- 5 م/ثا، وبذلك أمكن تحقيق استطاعات عالية بفعالية أكبر، لكن تعقيد المحرك البخاري وحاجته إلى المرجل، وإلى تعويض الماء باستمرار لم يمكن من استعماله في السيارات التي استخدمت محركات الاحتراق الداخلي.
مبدأ عمل المحرك البخاري
يبين الشكلان (1) و(2) مبدأ عمل المحرك البخاري البسيط، ويتألف من أسطوانة أساسية في داخلها مكبس يتحرك بفعل بخار الضغط العالي، وفي الأسطوانة صمام منزلق متصل بذراع يتحكم دورياً بتوجيه البخار العامل إلى حجرة سطح المكبس ثم إلى حجرة ساعد المكبس. يفتح المجرى دورياً لخروج البخار المستنفذ إلى الجو المحيط، ويأخذ ذراع التحكم حركته من منظم متصل مع دليل ساعد المكبس في نهاية كل شوط. يؤمن دفع البخار في الأسطوانة الحصول على حركة ترددية لساعد المكبس الذي يحولها إلى حركة ميكانيكية دورانية عن طريق جملة حركية إلى العمود المرفقي والدولاب المعدل. يمكن أن يكون المحرك وحيد الأسطوانة أو متعدد الأسطوانات، ويتصف بالحجم العامل لأسطواناته. كما أن الشوط العامل في الأسطوانة يكون غالباً ثنائي التأثير double acting أي ينجز عملاً في أثناء تقدم المكبس وفي أثناء تراجعه، أو يكون وحيد التأثير single acting وينجز عملاً في أثناء تقدم المكبس أو في أثناء تراجعه.
يتميز المحرك البخاري بقوة جرّ جيدة وموثوقية عمل عالية، ويملك إمكانية التحميل الزائد والعمل في اتجاه الدوران العكسي إن لزم الأمر، ويمكن أن تصل استطاعته إلى 15 ميغا واط. ويعد المحرك البخاري أقل تلويثاً للبيئة من محرك الاحتراق الداخلي لأن حرق الوقود فيه يتم دائماً بفائض من الأكسجين الموجود في هواء الاحتراق وغير محدد الكمية، كما لا يتأثر بانخفاض الضغط الجوي عند العمل في الأماكن المرتفعة. أما سيئاته الأساسية فهي كون مردود عمله منخفضاً نسبياً، ومتطلبات توفير البخار بالضغط والحرارة والكمية المطلوبة من مجموعة المرجل المرافقة له تعقد تصميمه عموماً.
تصنيف المحركات البخارية
يتم تصنيف المحركات البخارية وفق اعتبارات عدة، فهي تقسم حسب تكوينها إلى:
- المحركات المكبسية الترددية reciprocating-piston engines وحيدة الأسطوانة أو متعددة الأسطوانات، وهي تمتاز بفعالية كبيرة في تحقيق عزم دوران على العمود المرفقي وبسهولة الإقلاع، وتستخدم في وسائط النقل والصناعة.
- المحركات العنفية turbine engine المستخدمة على نطاق واسع لتوليد الطاقة الكهربائية، وتكون مزودة بمرجل ومبادلات حرارية لتوليد البخار مع دارة لتكاثفه واسترجاعه.
كما تصنف حسب مجال استخدامها إلى محركات بخارية للقطارات والسفن. وتستخدم أساساً مع المفاعلات النووية لتوليد الطاقة الكهربائية.
مسلم طعمة
Steam engine - Machine à vapeur
المحرك البخاري
المحرك البخاري steam engine، أو الآلة البخارية، محرك حراري heat engine مكبسي باحتراق خارجي، يتم فيه تحويل الطاقة الحرارية الكامنة في بخار الماء المسخن لدرجة حرارة معينة، وبضغط محدد، إلى عمل ميكانيكي في أسطوانة المحرك - التي تحوي مجموعة المكبس وذراع التوصيل والعمود المرفقي (الجذع المعقوف) crankshaft - تحت تأثير دفع البخار الوارد من المرجل boiler والمبادلات الحرارية heat exchangers.
يجري تسخين الماء خارجياً في مرجل خاص بحرق وقود من الفحم الحجري أو فحم الخشب أو من مشتقات النفط أو الغاز الطبيعي أو غير ذلك. أما عنصر التشغيل الحامل للطاقة الفعالة في هذا المحرك فهو بخار الماء، الذي يعمل في دارة مفتوحة غالباً، لكنها منفصلة عن غازات الاحتراق، أي إن البخار يخرج إلى الجو المحيط بعد أن ينجز فعله الميكانيكي، أوفي دارة مغلقة يعود فيها البخار إلى المرجل بعد تكاثفه في مكثف condenser، وتتغير أطواره إبان دورة عمله في حين يبقى تركيبه الكيمياوي ثابتاً لا يتغير، ويعطي المكثف فعالية أفضل ومردوداً أكبر.
لمحة تاريخية
طوَر الاسكتلندي جيمس واط James Watt عام 1769 المحرك البخاري إلى شكله العملي ورفع فعاليته، مما أتاح استخدامه في المراكب البخارية وفي ضخ المياه وفي أغراض أخرى. وفي عام 1804 قام ريتشارد تريفيثيك Richard Trevithick بصنع محرك بخاري لقطار سكة حديدية في ويلز Wales بالمملكة المتحدة. ثم توسع استخدام المحركات البخارية في القطارات والسفن البخارية (البواخر) وفي الصناعة، وكان له أشكال متعددة، لكن الشكل الأكثر استخداماً هو المحرك المكبسي الترددي reciprocating-piston engine، وقد بقي استخدامه شائعاً إلى نهاية القرن التاسع عشر وقت ظهور محركات الاحتراق الداخلي، وساعد على تطوير الثورة الصناعية. أصبحت التحسينات في تصميم المحرك البخاري ممكنة بعد التوصل إلى استخدام ضغوط أعلى للبخار بلغت 10- 14 بار bar عند درجات حرارة عالية، ومع سرعات أكبر لحركة المكبس 3- 5 م/ثا، وبذلك أمكن تحقيق استطاعات عالية بفعالية أكبر، لكن تعقيد المحرك البخاري وحاجته إلى المرجل، وإلى تعويض الماء باستمرار لم يمكن من استعماله في السيارات التي استخدمت محركات الاحتراق الداخلي.
مبدأ عمل المحرك البخاري
يبين الشكلان (1) و(2) مبدأ عمل المحرك البخاري البسيط، ويتألف من أسطوانة أساسية في داخلها مكبس يتحرك بفعل بخار الضغط العالي، وفي الأسطوانة صمام منزلق متصل بذراع يتحكم دورياً بتوجيه البخار العامل إلى حجرة سطح المكبس ثم إلى حجرة ساعد المكبس. يفتح المجرى دورياً لخروج البخار المستنفذ إلى الجو المحيط، ويأخذ ذراع التحكم حركته من منظم متصل مع دليل ساعد المكبس في نهاية كل شوط. يؤمن دفع البخار في الأسطوانة الحصول على حركة ترددية لساعد المكبس الذي يحولها إلى حركة ميكانيكية دورانية عن طريق جملة حركية إلى العمود المرفقي والدولاب المعدل. يمكن أن يكون المحرك وحيد الأسطوانة أو متعدد الأسطوانات، ويتصف بالحجم العامل لأسطواناته. كما أن الشوط العامل في الأسطوانة يكون غالباً ثنائي التأثير double acting أي ينجز عملاً في أثناء تقدم المكبس وفي أثناء تراجعه، أو يكون وحيد التأثير single acting وينجز عملاً في أثناء تقدم المكبس أو في أثناء تراجعه.
 |
 |
| الشكل (1) التحكم بعمل أسطوانة القدرة | الشكل (2) الأجزاء الرئيسية لمحرك بخاري |
تصنيف المحركات البخارية
يتم تصنيف المحركات البخارية وفق اعتبارات عدة، فهي تقسم حسب تكوينها إلى:
- المحركات المكبسية الترددية reciprocating-piston engines وحيدة الأسطوانة أو متعددة الأسطوانات، وهي تمتاز بفعالية كبيرة في تحقيق عزم دوران على العمود المرفقي وبسهولة الإقلاع، وتستخدم في وسائط النقل والصناعة.
- المحركات العنفية turbine engine المستخدمة على نطاق واسع لتوليد الطاقة الكهربائية، وتكون مزودة بمرجل ومبادلات حرارية لتوليد البخار مع دارة لتكاثفه واسترجاعه.
كما تصنف حسب مجال استخدامها إلى محركات بخارية للقطارات والسفن. وتستخدم أساساً مع المفاعلات النووية لتوليد الطاقة الكهربائية.
مسلم طعمة