موتور بخار چیست؟

موتور بخار یک موتور حرارتی است که کار مکانیکی را با استفاده از بخار به عنوان سیال کار خود انجام می دهد. موتور بخار از نیروی تولید شده توسط فشار بخار برای فشار دادن پیستون به جلو و عقب در داخل یک سیلندر استفاده می کند.

این نیروی هل را می توان با یک شاتون و چرخ طیار به نیروی چرخشی برای کار تبدیل کرد. اصطلاح “موتور بخار” به طور کلی فقط برای موتورهای رفت و برگشتی همانطور که قبلاً توضیح داده شد به کار می رود، نه برای توربین بخار.

موتورهای بخار موتورهای احتراق خارجی هستند که در آن سیال کار از محصولات احتراق جدا می شود. سیکل ایده آل ترمودینامیکی که برای تحلیل این فرآیند استفاده می شود، سیکل رانکین نامیده می شود.

به طور کلی، اصطلاح موتور بخار می‌تواند به کارخانه‌های بخار کامل (از جمله دیگ‌های بخار و غیره) مانند لوکوموتیو بخار راه‌آهن و موتورهای قابل حمل اشاره کند، یا ممکن است به ماشین‌های پیستونی یا توربین به تنهایی اشاره کند، مانند موتور پرتو و ثابت. موتور بخار.

اگرچه دستگاه‌های بخار رانده در اوایل قرن اول پس از میلاد شناخته شده بودند، با چند کاربرد دیگر که در قرن‌های 16 و 17 ثبت شده است، توماس ساوری مخترع اولین دستگاه تجاری با موتور بخار، پمپ بخار در نظر گرفته می‌شود. که از فشار بخار مستقیماً روی آب استفاده می کرد.

چه کسی موتور بخار را اختراع کرد؟

اولین موتور موفق تجاری که می‌توانست نیروی پیوسته را به ماشین منتقل کند در سال 1712 توسط توماس نیوکومن ساخته شد. جیمز وات با انتقال بخار مصرف شده به یک مخزن جداگانه برای تراکم، پیشرفت مهمی انجام داد و میزان کار به دست آمده به ازای هر واحد سوخت مصرفی را تا حد زیادی بهبود بخشید.

در قرن نوزدهم، موتورهای بخار ثابت نیروی کار کارخانه های انقلاب صنعتی را تامین کردند. موتورهای بخار جایگزین بادبان‌ها برای کشتی‌های بخارشوی پارویی شدند و لوکوموتیوهای بخار در راه‌آهن کار می‌کردند.

موتورهای بخار پیستونی رفت و برگشتی تا اوایل قرن بیستم منبع اصلی قدرت بودند، زمانی که پیشرفت در طراحی موتورهای الکتریکی و موتورهای احتراق داخلی منجر به جایگزینی تدریجی موتورهای بخار در استفاده تجاری شد. توربین های بخار جایگزین موتورهای رفت و برگشتی در تولید برق شدند، زیرا هزینه کمتر، سرعت عملیاتی بالاتر و راندمان بالاتری داشتند.

موتور بخار چگونه کار می کند؟

در یک موتور بخار، بخار داغ که معمولاً توسط دیگ تامین می شود، تحت فشار منبسط می شود و بخشی از انرژی گرمایی به کار تبدیل می شود. باقیمانده گرما ممکن است خارج شود، یا برای حداکثر بازده موتور، بخار ممکن است در یک دستگاه جداگانه، یک کندانسور، در دما و فشار نسبتاً پایین متراکم شود.

برای راندمان بالا، بخار باید در محدوده دمایی وسیعی به دلیل انبساط آن در داخل موتور سقوط کند. کارآمدترین عملکرد یعنی بیشترین خروجی کار در رابطه با گرمای عرضه شده با استفاده از دمای پایین کندانسور و فشار بالا دیگ تامین می شود.

بخار ممکن است با عبور دادن آن از یک سوپرهیتر در مسیر خود از دیگ به سمت موتور، بیشتر گرم شود. یک سوپرهیتر معمولی گروهی از لوله های موازی است که سطوح آنها در معرض گازهای داغ در کوره دیگ بخار قرار دارد.

با استفاده از سوپرهیترها، بخار ممکن است فراتر از دمایی که در آن توسط آب جوش تولید می شود، گرم شود.

در موتورهای رفت و برگشتی ، نوع پیستونی و سیلندری موتور بخار، بخار تحت فشار توسط مکانیزم سوپاپ وارد سیلندر می شود. همانطور که بخار منبسط می شود، پیستون را که معمولاً به میل چرخ فلایویل متصل می شود را فشار می دهد تا حرکت چرخشی ایجاد کند. در موتور دوگانه، بخار از دیگ بخار به طور متناوب به هر طرف پیستون وارد می شود.

در یک موتور بخار ساده، انبساط بخار تنها در یک سیلندر انجام می شود، در حالی که در موتور ترکیبی دو یا چند سیلندر با اندازه فزاینده برای انبساط بیشتر بخار و راندمان بالاتر وجود دارد. اولین و کوچکترین پیستون بوسیله بخار پرفشار اولیه و دومی توسط بخار کم فشار خروجی از اولی کار می کند.

در توربین بخار، بخار با سرعت بالا از طریق نازل ها تخلیه می شود و سپس از طریق یک سری پره های ثابت و متحرک جریان می یابد و باعث می شود روتور با سرعت بالا حرکت کند. توربین‌های بخار فشرده‌تر هستند و معمولا دماهای بالاتر و نسبت انبساط بیشتری نسبت به موتورهای بخار رفت و برگشتی می‌دهند. توربین وسیله ای جهانی است که برای تولید مقادیر زیادی نیروی الکتریکی با بخار استفاده می شود.

قطعات موتور بخار

فایر باکس: جایی است که سوخت برای ایجاد گرما سوزانده می شود.
بویلر: لیندی از دیگ بخار لوله آتش استفاده می کند . گازهای داغ تولید شده در محفظه آتش از طریق قفسه ای از لوله ها در دیگ بخار کشیده می شوند. این لوله ها آب اطراف آنها را برای تولید بخار گرم می کنند. بخار در گنبد بخار در بالای دیگ جمع می شود.
گنبد بخار: در داخل گنبد بخار، شیر تنظیم کننده، شیر اطمینان و سوت قرار دارد. شیر رگولاتور به دریچه گاز در کابین وصل شده است. مهندس از دریچه گاز برای کنترل مقدار بخار تحویلی به سیلندرها استفاده می کند. سوت یک سوت بالدوین 1925 با چهار زنگ است که با فشار بخار می وزد. هنگامی که فشار بیش از حد بالا می رود، دریچه ایمنی باز می شود تا بخار آزاد شود.
سوپاپ ها، سیلندرها و پیستون ها: بخار در سیلندرها به انرژی مکانیکی تبدیل می شود. بخار تحت فشار از طریق دریچه های سیلندر به داخل محفظه منتقل می شود و پیستون را به حرکت در می آورد. لیندی مانند اکثر لوکوموتیوها از سیلندرهای دو کاره استفاده می کند. این کار با وارد کردن متناوب بخار در دو طرف پیستون دو برابر قدرت را به دست می‌آورد تا میله پیستون هم فشار داده و هم کشیده شود و در هر دو حرکت نیرو تولید کند.
میله ها: پیستون در سیلندر توسط یک سر متقاطع که روی یک راهنما قرار دارد، تراز می شود. کراس هد انتهای کوچک شاتون را حمل می کند. سر دیگر، انتهای بزرگ، نیرو را با میل لنگ به چرخ ها منتقل می کند. لیندی، مانند اکثر لوکوموتیوها، بیش از یک مجموعه چرخ محرک برای به اشتراک گذاشتن قدرت تولید شده توسط سیلندرهای دوگانه دارد. میل لنگ در دو طرف لوکوموتیو 90 درجه جابجا می شود تا قدرت را در یک چرخش کامل چرخ ها پخش کند.
Smokebox: بخار مصرف شده از سیلندرها از طریق لوله انفجار در زیر پشته خارج می شود. این آرایش باعث کاهش فشار در جعبه دود می شود که گازهای جعبه آتش را از طریق لوله های دیگ بخار می کشد. هرچه لکوموتیو سخت‌تر کار کند، گاز بیشتری از لوله‌ها کشیده می‌شود و بخار بیشتری تولید می‌کند.
پشته: بخار مصرف شده از لوله انفجار با گازهای لوله های دیگ مخلوط شده و از پشته خارج می شود. هر چه لکوموتیو سخت تر کار کند، گاز و بخار بیشتری از پشته خارج می شود.
کابین: خدمه قطار موتور را از کابین کار می کند. کار آتش نشان این است که با کنترل آتش در جعبه آتش نشانی و آبرسانی به دیگ بخار تولید کند. مهندس با استفاده از دریچه گاز از بخار استفاده می کند و فشار بخار، سوخت و آب را کنترل می کند.
گنبد شنی: گنبد حاوی ماسه ای است که مهندس با پاشش در جلو یا پشت چرخ های محرک برای کشش بین چرخ ها و ریل از آن استفاده می کند.