يعود اول استخدام لتكنولوجيا البخار إلى المهندس اليوناني هيرو السكندري Hero of Alexandria الذي عاش في القرن الاول للميلاد الذي وضع ثلاثة كتب في الميكانيكا وخواص الهواء وعرض مخططات لمحرك بخاري بسيط. صمم هيرو قشرة كروية يخرج منها انبوبتين منحنيتين، وكانت فكرة عمله تقوم على ملء القشرة الكروية بالماء ووضعها فوق النار. عندما يتبخر الماء داخل الفجوة الكروية فان البخار يندفع من خارج الانبوبتين. وهذا يتسبب في دوران الكرة كما في الشكل الموضح.
ان طريقة هيرو لتحويل طاقة البخار إلى حركة كانت هي الاساس العلمي لمبدأ تكنولوجيا البخار فيما بعد. على اي حال كان هناك ضرورة لمساهمات العديد من العلماء للاستفادة من المحركات البخارية بشكل عملي. ومن اشهر المساهمات في استخدامات طاقة البخار فكرة المخترع ليناردو دافنشي Leonardo da Vinci في العام 1495 في استخدام البخار لاطلاق القذائف المدفعية.
في العام 1606 وضع العالم الايطالي جيوفاني باتيستا ديلا بورتا Giovanni Battista della Porta نظرية حول دور البخار في صناعة الفراغ. وتتلخص نظريته في ان تحويل الماء إلى بخار داخل وعاء مغلق يعمل على زيادة الضغط وعندما يتكثف البخار ويتحول إلى ماء داخل الوعاء المغلق فان الضغط ينخفض. هذا الفهم الجديد للبخار لعب دورا اساسيا في التطورات المستقبلية لتكنولوجيا البخار.
في العام 1679 تمكن عالم الرياضيات الفرنسي دنيس بابان Denis Papin من تحويل نظرية بورتا إلى حقيقة من خلال تصميم يساعد على الطهي وكان هذا اول استخدام للبخار في طهي الطعام من خلال وعاء أو قدر الضغط. حيث اضاف بابان مكبس متحرك على اسطوانة مغلقة مملؤة بالماء. عند تسخينها تدفع المكبس إلى الاعلى وعندما يبرد البخار ويتكثف ويصبح ماء مرة اخرى يقوم الفراغ بسحب المكبس إلى مكانه الاصلي.
في المرحلة التالية سوف نتحدث عن مخترعوا القرن السابع عشر الذي بدء استخدام تكنولوجيا البخار بشكل اوسع.
اسلحة بخارية
استخدمت قوة البخار في المحيطات والبحار وفي صناعة الاسلحة. قام البريطانيون بتجربة قوة البخار في توجيه اسلحة مضادة للطائرات باسم قاذف هولمان Holman اثناء الحرب العالمية الثانية الا انهم اكتشفوا انها غير دقيقة. كما استخدم البخار المضغوط في اطلاق صواريخ التوربيدو. كما يستخدم البخار في يومنا هذا لاطلاق الطائرات من على متن حاملات الطائرات.
اول محرك بخاري
في اواخر القرن السابع عشر واجهت بريطانيا ازمة قطع الاخشاب من الغابات لبناء السفن واستخدامه كحطب، وكانت السفن ضرورية للتجارة وكاسطول دفاع بحري، وتم الاعتماد على الفحم بدل من قطع الاخشاب المستخدمة كوقود لتشغيلها في ذلك الوقت. وللحصول على الفحم تطلب الحفر في اعماق الارض ولكن واجه العمال مشكلة تسرب المياه إلى المناجم فدعت الحاجة إلى ابتكار اساليب جديدة لسحب الماء من المناجم.
في العام 1698 حصل المهندس العسكري توماس سافيري Thomas Savery على براءة اختراع لاول مضخة بخارية. تتكون هذه المضخة من حجرة غليان توجه البخار إلى حجيرة اخرى تحتوي على انبوبة مزودة بصمام يعمل في اتجاه واحد. وبهذا يمكن وضع الانبوبة في المكان المطلوب سحب الماء منه. عند سكب الماء البارد على حجيرة البخار يبرد البخار ويتحول إلى سائل مما ينتج عنه فراغ يقوم بسحب الماء. وهذا الماء لا يمكن ان يعود مرة اخرى لان الصمام المثبت على الانبوبة تمنعه من العودة.
الا ان هذه المضخة التي ابتكرها سافيري لم تلقى الانتشار الذي كان يطمح له لان عملية التسخين والتبريد تتم بطريقة يدوية مما جعل الامر غير عمليا. كما ان العمق الذي تستطيع المضخة العمل عليه محدود مما تتطلب استخدام اكثر من مضخة تعمل على مراحل لمناجم الاكثر عمقا.
لكن في العام 1712 اخترع الحداد توماس نيوكمان Thomas Newcomen وزميله صانع الزجاج جون كالي John Calley مضخة بخارية اكثر فعالية، وسميت بمضخة نيوكمان Newcomen Engine وقاما بالاستفادة من اختراع سافيري ومكسب بابان لجعل المحرك يعمل بشكل افضل كما هو موضح في الصورة الفلاشية ادناه. حيث تعمل قوة الفراغ على سحب المكبس للاسفل وسحب السلسلة التي تشغل المضخة على الطرف الاخر من الساق المعلقة. عندما يتحول الماء في المكبس الاسطواني إلى بخار فانه يدفع المكبس إلى الأعلى والوزن على الجانب الاخر من الساق يعمل على اعادة المكبس إلى وضعه الابتدائي.
اثبتت مضخة نيوكمان نجاحها واستخدمت في مئات المناجم في جميع انحاء بريطانيا والعالم. وبالرغم من ان المضخة كانت تعمل بوتيرة بطيئة الا ان تكلفة تشغيلها اقل بكثير من الطريقة التقليدية المعتمدة على الاحصنة والخيول. بدأ المهندسون بالتعديل على مضخة نيوكمان واجراء بعض التحسينات على المكبس الاسطواني والصمامات.
في الجزء التالي سوف نتحدث عن التحسينات التي قام بها العالم جيمس وات James Watt والذي يعود له الفضل في تطور عصر تكنولوجيا البخار.
جيمس وات والمحرك البخاري
كان جيمس وات يعمل في صناعة الالات والمعدات في لندن ومن ثم انتقل كعامل في اسكتلندا بالقرب من جامعة جلاسكو. عندما تعطل احد محركات نيوكمان في الجامعة طلب من وات ان يقوم باصلاحه فوجد وات نفسه في وسط عالم المحركات وبمجرد ان بدأ في اصلاحه وتشغيله لاحظ وات ان هذا التصميم يتسبب في فقد الكثير من الوقود والبخار والوقت ايضا من خلال فكرة عمله المعتمدة على تسخين وتبريد داخل المكبس الاسطواني.
فقام وات بتطوير المحرك وجعل له اسطوانتين منفصلتين. سمحت عملية الفصل هذه للمكبس ان يبقى عند نفس درجة الحرارة عندما يدخل فيه البخار بدون ان يحدث اي فقد في الطاقة، في حين ان المكبس الاسطواني الاخر يقوم بتكثيف البخار عند درجة حرارة منخفضة مما يعني عدم الحاجة إلى تبريدها في كل مرة.
هذا ساهم في جعل عمل المحرك اسرع واقل استهلاكا للوقود ومن ثم انضم له المخترع ماثيو بولتون Matthew Boulton وقاما معا باختراعين بارعين وهو المحرك الاسطوانة المزدوجة التأثير double-acting engine ومحرك الكرة الدوارة fly-ball governor.
في هذا الفيديو توضيح لفكرة عمل محرك الاسطوانة المزدوجة التأثير
ساعد هذا التصميم بجعل المحرك البخاري اكثر كفاءة.
وفي هذا الفيديو توضيح لفكرة عمل الكرة الدوارة.
لاحظ مع زيادة سرعة الدوران يغلق الصمام وعندما يتحرك ببطء يفتح الصمام وبهذا يمكن التحكم في فتح واغلاق صمامات المحرك البخاري بطريقة اتوماتيكية.
في الجزء التالي سوف نتعرف على محرك كورنيش Cornish Engine والذي يعد بمثابة نقلة نوعية في تكنولوجيا المحركات البخارية.
محرك كورنيش Cornish Engine
الباخرة البخارية Steamship
في منتصف القرن التاسع عشر ابتكر العالم الفيزيائي البريطاني مايكل فارادي اول مولد كهربائي عرف باسم الدينامو dynamo وساهم الكثير من المخترعين في ذلك الوقت بافكار وطرق مختلفة للاستفادة من المحرك البخاري للحصول على الحركة الدورانية اللازمة لتوليد الكهرباء. ثم بسرعة اكتشفوا الحد الاقصى لعدد الدورات في الدقيقة التي يمكن ان يولدها المكبس العامل بواسطة البخار. لكن الحل لهذه المشكلة كان في التصميم الاولي الذي وضعه هيرو السكندري Hero of Alexandria في العام 75. حيث كانت الفكرة تقوم على الاستفادة من البخار المتدفق وتوجيهه على القرص الدوار للدينامو ليولد الكهرباء، وبالفعل قام المهندسون بتوجيه البخار مباشرة إلى مراوح مثتبة في قرص دوار من الحديد الصلب الا ان الحديد لم يتحمل الاجهاد الناتج عن الدوران السريع. في العام 1884 اخترع المهندس البريطاني تشارلز بارسونز ألغرنون Charles Algernon Parsons تصميم توربين من خليط حديدي قادر على الدوران بسرعة 18,000 دورة في الدقيقة. استخدم هذا التوربين الجديد في مولدات الكهرباء وانتشر استخدمها في اوروبا بشكل سريع.
مخاطر البخار Dangers of Steam
الجديد في تكنولوجيا البخار
ليست هناك تعليقات:
إرسال تعليق