قصة إختراع الآلة البخارية ، ماهى قصة إختراع الآلة البخارية ، بداية فكرة إختراع الآلة البخارية
بسم الله الرحمن الرحيم
السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
قصة اختراع الآلة البخارية كاملة
يمكنكم إخواني وأخواتي المعلمين والمعلمات أن تقصوا على طلابكم باختصار أو بقليل من التفصيل هذه القصة فقد قصتها علينا معلمتنا وأنا طالبة في الابتدائي وما زلت أقدر جهود العماء وأتذكر تلك القصة إلى الآن
مع التحية
تطور الآلة البخارية
مقدمة :-
منذ نهاية القرن الثامن عشر كان التقدم والتطور في العلوم الطبيعية مصحوبا بتقدم سريع في التكنولوجيا. ويمكن تتبع العلاقة المتبادلة بين تطور العلوم الطبيعية والتكنولوجيا على مدى تاريخ العصر الحديث كله.ففي النصف الثاني من القرن الثامن عشر والنصف الأول من القرن التاسع عشر ظهرت وتطورت الآلات البخارية وظهر من الفيزياء علم جديد هو الديناميكا الحرارية. وبسبب الاستخدام الواسع للآلات البخارية في وسائل النقل سميت هذه الفترة الزمنية بـ (( عصر البخار )) وفى نهاية القرن التاسع عشر وبداية القرن العشرين ظهرت وتطورت الآلات الكهربائية واخترع العديد والعديد من الاختراعات المدهشة وبرز من الفيزياء علوم الفيزياء الكهربية وكان الاستخدام الواسع للطاقة الكهربائية سببا في تسمية هذه الفترة الزمنية بـ (( عصر الكهرباء )) وفى النصف الثاني من القرن العشرين استخدمت الطاقة الذرية في الأغراض السلمية وبدأ (( عصر الذرة )) وفى مطلع الستينات بدأ غزو الفضاء واعتبر النصف الثاني من القرن العشرين (( عصر الفضاء )) والآن ومع الطور المذهل في وسائل الاتصال وتبادل المعلومات يمكن اعتبار العصر الحالي (( عصر المعلوماتية )) ولذلك يتضح لنا مدى الدور الذي تلعبه الفيزياء في جميع المجالات. وسبحان الله الذي علمنا ما لم نكن نعلمه والحمد لله الذي فتح علينا بهذا العلم .
الآلة البخارية
حدّاد ماهر ألماني عام 1630م وطفل ألماني يكوِّن اتجاه العالم إلى الآلة البخارية على يديهما!!! شيء لا يُصدق ولكنها الحقيقة .. و القصة بكاملها هي : صنع الحدّاد في عام 1630م إبريقاً رائعاً له غطاء محكم لا يدخل من خلاله أي بعوضة أو نملة وأكثر من صنع هذه الأباريق.
اشترت أم الطفل الألمانية هذا الإبريق وكل صباح تطبخ الشاي والحليب فيه ثم إنّ بخار الماء صار يدفع غطاء الإبريق إلى الأعلى فإذا أُبعد عن النار هبط الغطاء، وإذا اقترب من النار ارتفع من جديد.
الطفل الصغير كان يفكر كل يوم وهو ذاهب الى المدرسة بهذا البخار والغطاء والحركة وكبرت الفكرة لديه، ولما صار شاباً عزم على تجربة طرق الحديد والنحاس لصنع مراوح تدور بالبخار، لقد نجح في صنع أول آلة بخارية قادرة على سحب دلاء الماء من الأنهار .. جاء كبار التجار إليه طالبين منه صنع آلات بخارية وكان الشاب يسألهم: كم حصاناً تستخدمه لسحب الماء؟ ثم يصنع الآلة بقدر الأحصنة ومن هنا انبعثت فكرة (حصان بخاري ميكانيكي) .. وينجح (جول) وهو صديق لذاك الشاب في صنع آلات بخارية أخرى.
فمن يصدّق أن حدّاداً وطفلاً يغيران مجرى تاريخ البشرية، فمن الآلة البخارية صُنعت آلات النسيج 1720م والمراكب البخارية 1750 والقطارات 1807م والمولدات التي تدير وتنتج الكهرباء 1880م.
حقاً المهارة تؤدي الى مهارة والإبداع يولِّد إبداعاً آخر .. فمهارة الحداد ولدت مهارة صُنع الآلات البخارية.
المحرك البخاري
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.
كان ابتكار المحرك البخاري في القرن الثامن عشر قد مكّن من ظهور الصناعة الحديثة. وحتى ذلك الوقت كان الناس يعتمدون على قوة عضلاتهم أو قوة الحيوان أو قوة الرياح أو قوة المياه. ولكن محركاً بخاريًا واحدًا يمكنه أن يقوم بعمل مئات الخيول. ويستطيع المحرّك أن يمدّ كل الآلات في مصنع ما بالقدرة اللازمة. وتستطيع القوة البخارية أن تجر قطار شحن محملاً بالبضائع الثقيلة، مسافات طويلة خلال يوم واحد. وقد وفرت البواخر البخارية وسيلة انتقال آمنة وسريعة.
كيف تعمل محركات البخار
كيف يعمل المحرك البخاري البخار يشغل الآلة بالدفع أولاً على أحد أوجه المكبس ثم على الوجه الآخر. ويوجه صمام منزلق البخار من وجه إلى آخر. وفي الشكل (إلى اليسار) يدخل البخار من الجانب الأيسر للأسطوانة ويدفع المكبس إلى اليمين. وحالما يتحرك المكبس يُدير ذراعه الحذافة مقدار نصف دورة. وحين يصل المكبس للناحية اليمنى من الأسطوانة (في الشكل أعلاه) يتحرك الصمام المنزلق ويدفع البخار ليسري خلف المكبس مرة أخرى. يوجه البخار المكبس على التحرك إلى الجهة اليسرى. وعندئذ يجذب ذراع المكبس الحذافة لتُكمل دورة واحدة، ويخرج البخار في الناحية اليسرى من الأسطوانة عبر مخرج العادم.
لا ينتج المحرك البخاري القدرة، ولكنه يستخدم البخار لتحويل طاقة الحرارة الناشئة عن احتراق الوقود إلى حركة دورانية أو حركة إلى الأمام والخلف، لأداء شغل معين. ولكل آلة بخارية فرن يحرق فيه الفحم الحجري أو الزيت أو الخشب أو أي وقود آخر لإنتاج طاقة حرارية. وفي محطات القدرة الذرية يحل المفاعل محل الفرن، وتنشأ الحرارة من انشطار الذرات. انظر: المفاعل النووي. ولكل آلة بخارية مِرْجَل (غلاية) تتم داخله إحالة الماء إلى بخار. ويتمدد البخار أو يأخذ حجماً أكبر من حجم الماء عدة مرات. ويمكن استخدام طاقة التمدد هذه بطريقتين: 1- لدفع مكبس إلى الأمام والخلف 2- لإدارة توربين.
المحركات البخارية المكبسية. لها مكابس تتحرّك للأمام وللخلف في أسطوانات. وهناك أنظمة عديدة من الصمامات تسمح بدخول البخار إلى الأسطوانة، ودفع المكبس أولاً في اتجاه ثم في الاتجاه الآخر قبل تصريف البخار إلى العادم. وعادة ماتسمى هذه المحركات بالمحركات الترددية، بسبب حركة مكابسها جيئة وذهاباً. وتتطلب المطارق البخارية التي تستخدم في دفع خوازيق الأرض أو في طرق المعادن مثل هذا النوع من الحركةبيد أن القاطرة تتطلب حركة دورانية لإدارة عجلاتها. ويتم الحصول على هذه الحركة بتوصيل المكابس إلى عمود مرفقي. وفى بعض المحركات البخارية الترددية ـ وتسمى المحركات المركبة ـ ينساب البخار خلال أربع أسطوانات ويقوم بتشغيل أربعة مكابس.
التوربينات البخارية. تُنتج التوربينات البخارية حركة دورانية. ولتوربين البخار عدة مجموعات من العجلات ذات الرِّيَش المركبة على عمود طويل. ويدخل البخار من ناحية، فيدير العجلات ذات الرِّيَش أثناء اندفاعه عليها. وتُستخدم التوربينات البخارية في إدارة المولدات الكهربائية ورفّاسات البواخر
المحركات البخارية الأولى. اعتمدت على قدرة تكثف البخار إلى سائل لا على قدرته على التمدد. فعندما يتكثف البخار إلى سائل فإن الأخير يأخذ حيزاً أقل مما يحتاجه البخار. ولو أن عملية التكثف هذه قد حدثت في قارورة مُحكمة أو إناء فإنه ينتج تفريغاً جزئياً أو عملية شفط، وكلاهما ينتج شغلاً مفيدًا.
وفي عام 1698م ابتكر الإنجليزي توماس سافري (1650 - 1715م) أول محرك بخاري عملي، وكان له مضخة لسحب الماء من المناجم. ولم تحتو مضخة سافري على أجزاء متحركة، إلا صمامات تعمل باليد. وعندما تدار الصمامات فإنها تسمح للبخار بالدخول إلى الإناء المحكم. وكان يُصب ماء بارد على جدران الإناء حتى يبرد؛ ومن ثم يتكثف البخار. عندئذ يفتح صمام حتى يتم شفط الماء أعلى الأنبوبة بفعل تفريغ الهواء في الإناء.
وفي عام 1712م اخترع الحداد البريطانى توماس نيوكومن (1663 - 1729م) محركًا بخاريًا. وكان لمحرك نيوكومن دعامة أفقية كبيرة متزنة في الوسط مثل الأرجوحة. وتعلق مكبس داخل أسطوانة من إحدى نهايتي الدعامة. وعندما يسمح للبخار بالاندفاع إلى الأسطوانة، فإنّ البخار كان يدفع المكبس إلى أعلى خافضًا النهاية الأخرى للدعامة. عندئذ يرش رذاذ الماء البارد داخل الأسطوانة فيتكثف البخار ويسحب التفريغ المكبس إلى أسفل مرة أخرى، وبذلك ترتفع النهاية الأخرى للدعامة والتي ربطت بمكبس المضخة داخل البئر.
محرك واط. عندما بدأ المهندس الأسكتلندي جيمس واط (1736 - 1819) تجاربه عام 1763م كان محرك نيوكومن البخاري ذائع الانتشار. وكان ذلك حافزاً لجيمس واط على التفكير لأنّه كان يستهلك كميات هائلة من البخار، وكميات أخرى كبيرة من الوقود. وقد رأى واط أنّ التسخين والتبريد المترددين أضاعا حرارة زائدة. عندئذ اخترع واط محركًا بخاريًا بمكثف وأسطوانة منفصلين، وبذا تظل الأسطوانة ساخنة على الدوام. ووفر هذا النظام ثلاثة أرباع تكلفة الوقود، وذلك لفقدان كمية قليلة من البخار خلال تكثفه بدخوله الأسطوانة الباردة.
سجّل واط أول براءة لاختراع المحرك البخاري في عام 1769م، واستمر بعد ذلك في إجراء تحسينات على آلته. ولعل من أفضل التحسينات التي أدخلها استخدام مبدأ الفعل المزدوج. وفي المحركات التي تُبنى على هذا المبدأ فإنّ البخار يستخدم أولاً على ناحية من المكبس ثم على الناحية الأخرى. وتعلم واط أيضاً أن يغلق طريق البخار عندما تمتلئ الأسطوانة جزئيا، وأدّى ذلك إلى تمدد البخار الموجود أصلاً في الأسطوانة لتكملة مهمة المكبس. ويعتقد كثير من الناس خطأ أن واط اخترع المحرك البخاري، ولكنه قام فقط بإدخال تحسينات على التصميمات السابقة التي ابتكرها نيوكومن وخفض تكلفة استخدام محركات البخار المكثفة، وبذلك صار ممكناً استخدام هذه المحركات في أعمال أخرى غير الضخ.
المحركات البخارية الحديثة. كانت أهم التحسينات في السنوات التي تلت نيوكومن وواط تطوير محركات قادرة على استخدام بخار ذي ضغط عال. وحتى ذلك الوقت لم يختبر واط محركه عند ضغط عال خوفاً من الانفجار. فلم يزد الضغط في محركاته عن الضغط الجوي أو مايوازى 100 كيلو باسكال.
نبذه عن العالم جيمس وات :
جيمس وات (1736 –1819 م)
مخترع اسكتلندي
أعطى للعالم إحدى
أعظم الآلات في التاريخ
( المحرك البخاري ، المكثف)التي فجرت الثورة الصناعية ،
ولم يكن وات أول من اخترع الآلة
البخارية، فقد سبقته محاولات كثيرة من قبله، لكن تلك الآلات السابقة كانت ضعيفة الجهد بدرجة أنهم كانوا يستخدمونها فقط في ضخ الماء من المناجم، وتشارك وات مع المهندس الإنكليزي بارلتون وعمل الاثنان في إنشاء معمل لتصنيع مخترعات وات ومن اكتشافاته الأخرى المقياس المائي والعنفة البحرية والناظم النابذ لتنظيم سرعة المحرك.
أدخل تحسينات أساسية عام 1765 م على آلة نيوكومن البخارية مما أدى إلى انتشار استخدام الطاقة البخارية في كثير من المصانع.
تكريماً لإنجازاته أطلق اسمه على وحدة القدرة الكهربائية (الوات)
والوات = وحدة لقـياس القـوة الميكانيكـية، أو الكهربائية والوات الواحد يساوي نقلا لطاقة 1 جول في مدة 1 ثانية و(الكيلو وات) = 1.34 حصان.
توفى عام 1819 م .
والصورة التالية توضح شكل آلة وات البخارية
وفي أواخر القرن الثامن عشر، وأوائل القرن التاسع عشر، قام البريطاني ريتشارد تريفيثيك بتصميم وبناء أول محرك بخاري يعمل بالضغط العالي. وصمم إحدى تلك المحركات بحيث تعمل تحت ضغط يعادل 200 كيلو باسكال. وبحلول عام 1815م صنع الأمريكى أوليفر إيفانز محركاً بخارياً استخدم ضغطاً يعادل 1,400 كيلو باسكال من البخار. وتوجد في أيامنا هذه محركات تستخدم بخاراً عند ضغط يزيد على ما يعادل 7,000 كيلو باسكال.
وشملت التحسينات الأخرى التي دخلت على المحركات البخارية ابتكار واستخدام المحرك المركّب واستخدم البخار فائق التسخين. وفي هذه الحالة ترتفع درجة حرارة البخار إلى أكثر من 370°م بدون زيادة في ضغطه. وتساعد هذه العملية على حماية البخار القادم من التكثف على أسطح أسطوانة المكبس.
وكان اختراع توربينات البخار في أواخر القرن التاسع عشر علامة كبرى في تطوير المحركات البخارية. ووفرت توربينات البخار مصدرًا اقتصاديًا لتوليد القدرة المطلوبة لإدارة المولدات الكهربائية ولإدارة رفاسات البواخر البخارية.
وتستخدم الطاقة البخارية حديثا في محطات توليد الطاقة
محطات التوليد البخارية
تعتبر محطات التوليد البخارية محولا للطاقة (Energy Converter)
وتستعمل هذه المحطات أنواع مختلفة من الوقود حسب الأنواع المتوفرة مثل الفحم الحجري أو البترول السائل أو الغاز الطبيعي أو الصناعي .
تمتاز المحطات البخارية بكبر حجمها ورخص تكاليفها بالنسبة لإمكاناتها الضخمة كما تمتاز بإمكانية استعمالها لتحلية المياه المالحة ، الأمر الذي يجعلها ثنائية الإنتاج خاصة في البلاد التي تقل فيها مصادر المياه العذبة .
اختيار مواقع المحطات البخارية Site Selection of Steam Power Station
تتحكم في اختيار المواقع المناسبة لمحطات التوليد الحرارية عدة عوامل مؤثرة نذكر منها
ما يلي :
1. القرب من مصادر الوقود وسهولة نقله إلى هذه المواقع وتوفر وسائل النقل الاقتصادية.
2. القرب من مصادر مياه التبريد لأن المكثف يحتاج إلى كميات كبير من مياه التبريد . لذلك تبنى هذه المحطات عادة على شواطئ البحار أو بالقرب من مجاري الأنهار.
3. القرب من مراكز استهلاك الطاقة الكهربائية لتوفير تكاليف إنشاء خطوط النقل . مراكز الاستهلاك هي عادة المدن والمناطق السكنية والمجمعات التجارية والصناعية
وتعتمد محطات التوليد البخارية على استعمال نوع الوقود المتوفر وحرقه في أفران خاصة لتحويل الطاقة الكيميائية في الوقود الى طاقة حرارية في اللهب الناتج من عملية الاحتراق ثم استعمال الطاقة الحرارية في تسخين المياه في مراجل خاصة (BOILERS) وتحويلها الى بخار في درجة حرارة وضغط معين ثم تسليط هذا البخار على عنفات أو توربينات بخارية صممت لهذه الغاية فيقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات وبذلك تتحول الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية على محور هذه التوربينات . يربط محور المولد الكهربائي ربطا مباشرا مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي (AL TERNATOR) بنفس السرعة وباستغلال خاصة المغناطيسية الدوارة (ROTOR) من المولد والجزء الثابت (STATOR) منه تتولد على طرفي الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة . والرسم التمثيلي رقم يبين مسلسل تحويل الطاقة من أول حرق الوقود حتى إنتاج الطاقة الكهربائية .
لا يوجد فوارق أساسية بين محطات التوليد البخارية التي تستعمل أنواع الوقود المختلفة إلا من حيث طرق نقل وتخزين وتداول وحرق الوقود . وقد كان استعمال الفحم الحجري شائعا في أواخر القرن الماضي وأوائل هذا القرن ، إلا أن اكتشاف واستخراج البترول ومنتوجاته احدث تغييرا جذريا في محطات التوليد الحرارية حيث اصبح يستعمل بنسبة تسعين بالمئة لسهولة نقله وتخزينه وحرقة إن كان بصورة وقود سائل أو غازي .
مكونات محطات التوليد البخارية :
تتألف محطات التوليد البخارية بصورة عامة من الأجزاء الرئيسية التالية :
أ ) الفرن : Furnace
وهو عبارة عن وعاء كبير لحرق الوقود . ويختلف شكل ونوع هذا الوعاء وفقا لنوع الوقود المستعمل ويلحق به وسائل تخزين ونقل وتداول الوقود ورمي المخلفات الصلبة
ب ) المرجل : Boiler
وهو وعاء كبير يحتوي على مياه نقية تسخن بواسطة حرق الوقود لتتحول هذه المياه
الى بخار . وفي كثير من الأحيان يكون الفرن والمرجل في حيز واحد تحقيقا للاتصال
المباشر بين الوقود المحترق والماء المراد تسخينه .د
وتختلف أنواع المراجل حسب حجم المحطة وكمية البخار المنتج في وحدة الزمن .
ج ) العنفة الحرارية أو التوربين Turbine
وهي عبارة عن عنفة من الصلب لها محور ويوصل به جسم على شكل أسطواني مثبت به لوحات مقعرة يصطدم فيها البخار فيعمل على دورانها ويدور المحور بسرعة عالية جدا حوالي 3000 دورة بالدقيقة وتختلف العنفات في الحجم والتصميم والشكل باختلاف حجم البخار وسرعته وضغطه ودرجة حرارته ، أي باختلاف حجم محطة التوليد .
د ) المولد الكهربائي : Generator
هو عبارة عن مولد كهربائي مؤلف من عض دوار مربوط مباشرة مع محور التوربين وعضو ثابت .ويلف العضوين بالأسلاك النحاسية المعزولة لتنقل الحقل المغناطيسي الدوار وتحوله إلى تيار كهربائي على أطراف العضو الثابت . ويختلف شكل هذا المولد باختلاف حجم المحطة .
هـ ) المكثف: Condenser
وهو عبارة عن وعاء كبير من الصلب يدخل اليه من الأعلى البخار الآتي من التوربين بعد أن يكون قد قام بتدويرها وفقد الكثير من ضغطه ودرجة حرارته ، كما يدخل في هذا المكثف من أسفل تيار من مياه التبريد داخل أنابيب حلزونية تعمل على تحويل البخار الضعيف إلى مياه حيث تعود هذه المياه إلى المراجل مرة أخرى بواسطة مضخات خاصة .
و) المدخنة : Chimney
وهي عبارة عن مدخنة من الآجر الحراري ( Brick) أسطوانية الشكل مرتفعة جدا تعمل على طرد مخلفات الاحتراق الغازية إلى الجو على ارتفاع شاهق للإسراع في طرد غازات الاحتراق والتقليل من تلوث البيئة المحيطة بالمحطة .
ز) الآلات والمعدات المساعدة : Auxiliaries
وهي عبارة عن عدد كبير من المضخات والمحركات الميكانيكية والكهربائية ومنظمات السرعة ومعدات تحميص البخار التي تساعد على إتمام العمل في محطات التوليد .
الإثنين 15 مايو - 11:57
