يوم 23 سبتمبر 2020 الأربعاء 3:03 صباحًا

تطور الالة البخارية

صور

 

حداد ما هر الماني عام 1630م و طفل الماني يصبح اتجاه العالم الى الالة البخارية على يديهما!! شيء لا يصدق و لكنها الحقيقة .. و القصة بكاملها هي صنع الحداد بعام 1630م ابريقا رائعا له غطاء محكم لا يدخل من خلاله اي بعوضة او نملة و اكثر من صنع هذي الاباريق.

اشترت ام الطفل الالمانية ذلك الابريق و كل صباح تطبخ الشاي و الحليب به بعدها ان بخار الماء صار يدفع غطاء الابريق الى الاعلى فاذا ابعد عن النار هبط الغطاء، و اذا اقترب من النار ارتفع من جديد.

الطفل الصغير كان يفكر كل يوم و هو ذاهب الى المدرسة بهذا البخار و الغطاء و الحركة و كبرت الفكرة لديه، و لما صار شابا عزم على تجربة طرق الحديد و النحاس لصنع مراوح تدور بالبخار، لقد نجح بصنع اول الة بخارية قادرة على سحب دلاء الماء من الانهار .. جاءكبيرة التجار اليه طالبين منه صنع الات بخارية و كان الشاب يسالهم: كم حصانا تستعمله لسحب الماء بعدها يصنع الالة بقدر الاحصنة و من هنا انبعثت فكرة حصان بخاري ميكانيكي .. و ينجح جول و هو صديق لذاك الشاب بصنع الات بخارية اخرى.

فمن يصدق ان حدادا و طفلا يغيران مجرى تاريخ البشرية، فمن الالة البخارية صنعت الات النسيج 1720م و المراكب البخارية 1750 و القطارات 1807م و المولدات التي تدير و تنتج الكهرباء 1880م.

حقا المهارة تؤدي الى مهارة و الابداع يولد ابداعا احدث .. فمهارة الحداد و لدت مهارة صنع الالات البخارية.

المحرك البخاري

المحرك البخاري الة تعمل بطاقة تمدد البخار. و يستعمل البخار بدفع المكابس التي تدير عجلات القاطرات القوية، او ممكن استخدامه بتدوير توربينات ضخمة تحرك مولدات كهربائية، و عابرات محيطات عملاقة. و تدار بالبخار كذلك المضخات الكبيرة، و معدات الحفر و نوعيات ثانية =عديدة من الالات القوية.

كان ابتكار المحرك البخاري بالقرن الثامن عشر ربما مكن من ظهور الصناعة الحديثة. و حتى هذا الوقت كان الناس يعتمدون على قوة عضلاتهم او قوة الحيوان او قوة الرياح او قوة المياه. و لكن محركا بخاريا واحدا يمكنه ان يقوم بعمل مئات الخيول. و يستطيع المحرك ان يمد كل الالات بمصنع ما بالقدرة اللازمة. و تستطيع القوة البخارية ان تجر قطار شحن محملا بالبضائع الثقيلة، مسافات طويلة اثناء يوم واحد. و ربما و فرت البواخر البخارية و سيلة انتقال امنة و سريعة.

كيف تعمل محركات البخار

كيف يعمل المحرك البخاري البخار يشغل الالة بالدفع اولا على احد اوجه المكبس بعدها على الوجه الاخر. و يوجه صمام منزلق البخار من وجه الى اخر. و بالشكل الى اليسار يدخل البخار من الجانب الايسر للاسطوانة و يدفع المكبس الى اليمين. و حالما يتحرك المكبس يدير ذراعه الحذافة مقدار نص دورة. و حين يصل المكبس للناحية اليمني من الاسطوانة بالشكل اعلاه يتحرك الصمام البيتق و يدفع البخار ليسري خلف المكبس مرة اخرى. يوجه البخار المكبس على التحرك الى الجهة اليسرى. و عندئذ يجذب ذراع المكبس الحذافة لتكمل دورة واحدة، و يظهر البخار بالناحية اليسرى من الاسطوانة عبر مخرج العادم.

لا ينتج المحرك البخاري القدرة، و لكنه يستعمل البخار لتحويل طاقة الحرارة الناشئة عن احتراق الوقود الى حركة دورانية او حركة الى الامام و الخلف، لاداء شغل معين. و لكل الة بخارية فرن يحرق به الفحم الحجري او الزيت او الخشب او اي و قود احدث لانتاج طاقة حرارية. و بمحطات القدرة الذرية يحل المفاعل محل الفرن، و تنشا الحرارة من انشطار الذرات. انظر: المفاعل النووي. و لكل الة بخارية مرجل غلاية تتم داخله احالة الماء الى بخار. و يتمدد البخار او ياخذ حجما اكبر من حجم الماء عدة مرات. و ممكن استعمال طاقة التمدد هذي بطريقتين: 1 لدفع مكبس الى الامام و الخلف 2 لادارة توربين.

المحركات البخارية المكبسية. لها مكابس تتحرك للامام و للخلف باسطوانات. و هنالك انظمة كثيرة من الصمامات تسمح بدخول البخار الى الاسطوانة، و دفع المكبس اولا باتجاه بعدها بالاتجاه الاخر قبل تصريف البخار الى العادم. و عادة ما تسمى هذي المحركات بالمحركات الترددية، بسبب حركة مكابسها جيئة و ذهابا. و تتطلب المطارق البخارية التي تستعمل بدفع خوازيق الارض او بطرق المعادن مثل ذلك النوع من الحركةبيد ان القاطرة تتطلب حركة دورانية لادارة عجلاتها. و يتم الحصول على هذي الحركة بتوصيل المكابس الى عمود مرفقي. و ببعض المحركات البخارية الترددية و تسمى المحركات المركبة ينساب البخار اثناء اربع اسطوانات و يقوم بتشغيل اربعة مكابس.

التوربينات البخارية. تنتج التوربينات البخارية حركة دورانية. و لتوربين البخار عدة مجموعات من العجلات ذات الريش المركبة على عمود طويل. و يدخل البخار من ناحية، فيدير العجلات ذات الريش خلال اندفاعه عليها. و تستعمل التوربينات البخارية بادارة المولدات الكهربائية و رفاسات البواخر

المحركات البخارية الاولى. اعتمدت على قدرة تكثف البخار الى سائل لا على قدرته على التمدد. فعندما يتكثف البخار الى سائل فان الاخير ياخذ حيزا اقل مما يحتاجه البخار. و لو ان عملية التكثف هذي ربما حدثت بقارورة محكمة او اناء فانه ينتج تفريغا جزئيا او عملية شفط، و كلاهما ينتج شغلا مفيدا.

وفي عام 1698م ابتكر الانجليزي توماس سافري 1650 – 1715م اول محرك بخاري عملي، و كان له مضخة لسحب الماء من المناجم. و لم تحتو مضخة سافري على اجزاء متحركة، الا صمامات تعمل باليد. و عندما تدار الصمامات فانها تسمح للبخار بالدخول الى الاناء المحكم. و كان يصب ماء بارد على جدران الاناء حتى يبرد؛ و من بعدها يتكثف البخار. عندئذ يفتح صمام حتى يتم شفط الماء اعلى الانبوبة بفعل تفريغ الهواء بالاناء.

وفي عام 1712م اخترع الحداد البريطانى توماس نيوكومن 1663 – 1729م محركا بخاريا. و كان لمحرك نيوكومن دعامة افقية كبار متزنة بالوسط مثل الارجوحة. و تعلق مكبس داخل اسطوانة من احدى نهايتي الدعامة. و عندما يسمح للبخار بالاندفاع الى الاسطوانة، فان البخار كان يدفع المكبس الى اعلى خافضا النهاية الثانية =للدعامة. عندئذ يرش رذاذ الماء البارد داخل الاسطوانة فيتكثف البخار و يسحب التفريغ المكبس الى اسفل مرة اخرى، و بذلك ترتفع النهاية الثانية =للدعامة و التي ربطت بمكبس المضخة داخل البئر.

محرك و اط. عندما بدا المهندس الاسكتلندي جيمس و اط 1736 – 1819 تجاربه عام 1763م كان محرك نيوكومن البخاري ذائع الانتشار. و كان هذا حافزا لجيمس و اط على التفكير لانه كان يستهلك كميات هائلة من البخار، و كميات ثانية = كبار من الوقود. و ربما راى و اط ان التسخين و التبريد المترددين اضاعا حرارة زائدة. عندئذ اخترع و اط محركا بخاريا بمكثف و اسطوانة منفصلين، و بذا تظل الاسطوانة ساخنة على الدوام. و وفر ذلك النظام ثلاثة ارباع تكلفة الوقود، و هذا لفقدان كمية قليلة من البخار اثناء تكثفه بدخوله الاسطوانة الباردة.

سجل و اط اول براءة لاختراع المحرك البخاري بعام 1769م، و استمر بعد هذا باجراء تحسينات على الته. و لعل من اروع التحسينات التي ادخلها استعمال مبدا الفعل المزدوج. و بالمحركات التي تبنى على ذلك المبدا فان البخار يستعمل اولا على ناحية من المكبس بعدها على الناحية الاخرى. و تعلم و اط كذلك ان يغلق طريق البخار عندما تمتلئ الاسطوانة جزئيا، و ادى هذا الى تمدد البخار الموجود اصلا بالاسطوانة لتكملة مهمة المكبس. و يعتقد كثير من الناس خطا ان و اط اخترع المحرك البخاري، و لكنه قام فقط بادخال تحسينات على التصميمات السابقة التي ابتكرها نيوكومن و خفض تكلفة استعمال محركات البخار المكثفة، و بذلك صار ممكنا استعمال هذي المحركات باعمال ثانية =غير الضخ.

المحركات البخارية الحديثة. كانت اهم التحسينات بالسنوات التي تلت نيوكومن و واط تطوير محركات قادرة على استعمال بخار ذي ضغط عال. و حتى هذا الوقت لم يختبر و اط محركة عند ضغط عال خوفا من الانفجار. فلم يزد الضغط بمحركاته عن الضغط الجوي او ما يوازى 100 كيلو باسكال.

نبذه عن العالم جيمس و ات

جيمس و ات 1736 1819 م)

مخترع اسكتلندي

[imgl]http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:X5GmhIAo3TWlCM:http://www.hazemsakeek.com/magazine/images/stories/2008tafseerat/james_watt.jpg[/imgl]

اعطى للعالم احدى

اعظم الالات بالتاريخ

المحرك البخاري ، المكثف)التي فجرت الثورة الصناعية ،

ولم يكن و ات اول من اخترع الالة

البخارية، فقد سبقته محاولات عديدة من قبله، لكن تلك الالات السابقة كانت ضعيفة الجهد بدرجة انهم كانوا يستعملونها فقط بضخ الماء من المناجم، و تشارك و ات مع المهندس الانكليزي بارلتون و عمل الاثنان بانشاء معمل لتصنيع مخترعات و ات و من اكتشافاته الثانية =المقياس المائي و العنفة البحرية و الناظم النابذ لتنظيم سرعة المحرك.

ادخل تحسينات رئيسية عام 1765 م على الة نيوكومن البخارية مما ادى الى انتشار استعمال الطاقة البخارية بعديد من المصانع.

تكريما لانجازاته اطلق اسمه على و حدة القدرة الكهربائية الوات)

والوات = و حدة لقياس القوة الميكانيكية، او الكهربائية و الوات الواحد يساوي نقلا لطاقة 1 جول بمدة 1 ثانية =و الكيلو و ات = 1.34 حصان.

توفى عام 1819 م .

والصورة الاتية توضح شكل الة و ات البخارية

وفي اواخر القرن الثامن عشر، و اوائل القرن التاسع عشر، قام البريطاني ريتشارد تريفيثيك بتصميم و بناء اول محرك بخاري يعمل بالضغط العالي. و صمم احدى تلك المحركات بحيث تعمل تحت ضغط يعادل 200 كيلو باسكال. و بحلول عام 1815م صنع الامريكي اوليفر ايفانز محركا بخاريا استعمل ضغطا يعادل 1,400 كيلو باسكال من البخار. و توجد بايامنا هذي محركات تستعمل بخارا عند ضغط يزيد على ما يعادل 7,000 كيلو باسكال.

وشملت التحسينات الثانية =التي دخلت على المحركات البخارية ابتكار و استعمال المحرك المركب و استعمل البخار فائق التسخين. و بهذه الحالة ترتفع درجة حرارة البخار الى اكثر من 370°م بدون زيادة بضغطه. و تساعد هذي العملية على حماية البخار القادم من التكثف على اسطح اسطوانة المكبس.

وكان اختراع توربينات البخار باواخر القرن التاسع عشر علامة كبرى بتطوير المحركات البخارية. و وفرت توربينات البخار مصدرا اقتصاديا لتوليد القدرة المطلوبة لادارة المولدات الكهربائية و لادارة رفاسات البواخر البخارية.

وتستخدم الطاقة البخارية حديثا بمحطات توليد الطاقة

محطات التوليد البخارية

تعتبر محطات التوليد البخارية محولا للطاقة Energy Converter)

وتستعمل هذي المحطات نوعيات مختلفة من الوقود حسب الانواع المتوفرة مثل الفحم الحجري او البترول السائل او الغاز الطبيعي او الصناعي .

تمتاز المحطات البخارية بكبر حجمها و رخص تكاليفها بالنسبة لامكاناتها الضخمة كما تمتاز بامكانية استعمالها لتحلية المياه المالحة ، الامر الذي يجعلها ثنائية الانتاج خاصة بالبلاد التي تقل بها مصادر المياه العذبة .

اختيار مواقع المحطات البخارية Site Selection of Steam Power Station

تتحكم باختيار المواقع المناسبة لمحطات التوليد الحرارية عدة عوامل مؤثرة نذكر منها

ما يلي

1. القرب من مصادر الوقود و سهولة نقله الى هذي المواقع و توفر و سائل النقل الاقتصادية.

2. القرب من مصادر مياه التبريد لان المكثف يحتاج الى كميات كبير من مياه التبريد . لذا تبنى هذي المحطات عادة على شواطئ البحار او بالقرب من مجاري الانهار.

3. القرب من مراكز استهلاك الطاقة الكهربائية لتوفير تكاليف انشاء خطوط النقل . مراكز الاستهلاك هي عادة المدن و المناطق السكنية و المجمعات التجارية و الصناعية

وتعتمد محطات التوليد البخارية على استخدام نوع الوقود المتوفر و حرقه بافران خاصة لتحويل الطاقة الكيميائية بالوقود الى طاقة حرارية باللهب الناتج من عملية الاحتراق بعدها استخدام الطاقة الحرارية بتسخين المياه بمراجل خاصة BOILERS و تحويلها الى بخار بدرجة حرارة و ضغط معين بعدها تسليط ذلك البخار على عنفات او توربينات بخارية صممت لهذه الغاية فيقوم البخار السريع بتدوير محور التوربينات و بذلك تتحول الطاقة الحرارية الى طاقة ميكانيكية على محور هذي التوربينات . يربط محور المولد الكهربائي ربطا مباشرا مع محور التوربينات البخارية فيدور محور المولد الكهربائي AL TERNATOR بنفس السرعة و باستغلال خاصة المغناطيسية الدوارة ROTOR من المولد و الجزء الثابت STATOR منه تتولد على طرفي الجزء الثابت من المولد الطاقة الكهربائية اللازمة . و الرسم التمثيلي رقم يبين مسلسل تحويل الطاقة من اول حرق الوقود حتى انتاج الطاقة الكهربائية .

لا يوجد فوارق رئيسية بين محطات التوليد البخارية التي تستخدم نوعيات الوقود المختلفة الا من حيث طرق نقل و تخزين و تداول و حرق الوقود . و ربما كان استخدام الفحم الحجري شائعا باواخر القرن الماضي و اوائل ذلك القرن ، الا ان اكتشاف و استخراج البترول و منتوجاته اخر تغييرا جذريا بمحطات التوليد الحرارية حيث اصبح يستخدم بنسبة تسعين بالمئة لسهولة نقله و تخزينه و حرقة ان كان بصورة و قود سائل او غازي .

مكونات محطات التوليد البخارية

تتالف محطات التوليد البخارية بصورة عامة من الاجزاء الاساسية الاتية

ا الفرن Furnace

وهو عبارة عن و عاء كبير لحرق الوقود . و يختلف شكل و نوع ذلك الوعاء و فقا لنوع الوقود المستعمل و يلحق فيه و سائل تخزين و نقل و تداول الوقود و رمي المخلفات الصلبة

ب المرجل Boiler

وهو و عاء كبير يحتوي على مياه نقية تسخن بواسطة حرق الوقود لتتحول هذي المياه

الى بخار . و بعديد من الاحيان يصبح الفرن و المرجل بحيز واحد تحقيقا للاتصال

المباشر بين الوقود المحترق و الماء المراد تسخينه .د

وتختلف نوعيات المراجل حسب حجم المحطة و كمية البخار المنتج بو حدة الزمن .

ج العنفة الحرارية او التوربين Turbine

وهي عبارة عن عنفة من الصلب لها محور و يوصل فيه جسم على شكل اسطواني مثبت فيه لوحات مقعرة يصطدم بها البخار فيعمل على دورانها و يدور المحور بسرعة عالية جدا جدا حوالي 3000 دورة بالدقائق و تختلف العنفات بالحجم و التصميم و الشكل باختلاف حجم البخار و سرعته و ضغطه و درجة حرارته ، اي باختلاف حجم محطة التوليد .

د المولد الكهربائي Generator

هو عبارة عن مولد كهربائي مؤلف من عض دوار مربوط مباشرة مع محور التوربين و عضو ثابت .ويلف العضوين بالاسلاك النحاسية المعزولة لتنقل الحقل المغناطيسي الدوار و تحوله الى تيار كهربائي على اطراف العضو الثابت . و يختلف شكل ذلك المولد باختلاف حجم المحطة .

ه المكثف: Condenser

وهو عبارة عن و عاء كبير من الصلب يدخل اليه من الاعلى البخار التالي من التوربين بعد ان يصبح ربما قام بتدويرها و فقد العديد من ضغطه و درجة حرارته ، كما يدخل بهذا المكثف من اسفل تيار من مياه التبريد داخل انابيب حلزونية تعمل على تحويل البخار الضعيف الى مياه حيث تعود هذي المياه الى المراجل مرة ثانية =بواسطة مضخات خاصة .

و المدخنة Chimney

وهي عبارة عن مدخنة من الاجر الحراري Brick اسطوانية الشكل مرتفعة جدا جدا تعمل على طرد مخلفات الاحتراق الغازية الى الجو على ارتفاع شاهق للاسراع بطرد غازات الاحتراق و التقليل من تلوث البيئة المحيطة بالمحطة .

ز الالات و المعدات المساعدة Auxiliaries

وهي عبارة عن عدد كبير من المضخات و المحركات الميكانيكية و الكهربائية و منظمات السرعة و معدات تحميص البخار التي تساعد على اتمام العمل بمحطات التوليد .

2٬030 views