حداد ماهر الماني عام 1630م وطفل الماني يكون اتجاه العالم الى الالة البخارية على يديهما!!!
شيء لا يصدق ولكنها الحقيقة .. و القصة بكاملها هي : صنع الحداد في عام
1630م ابريقا رائعا له غطاء محكم لا يدخل من خلاله اي بعوضة او نملة واكثر
من صنع هذه الاباريق.
اشترت ام الطفل الالمانية هذا الابريق وكل صباح تطبخ الشاي والحليب فيه ثم ان بخار
الماء صار يدفع غطاء الابريق الى الاعلى فاذا ابعد عن النار هبط الغطاء، واذا 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 شابا عزم على تجربة طرق الحديد والنحاس لصنع مراوح تدور بالبخار،
لقد نجح في صنع اول الة بخارية قادرة على سحب دلاء الماء من الانهار ..
جاء كبار التجار اليه طالبين منه صنع الات بخارية وكان الشاب يسالهم: كم حصانا تستخدمه
لسحب الماء؟ ثم يصنع الالة بقدر الاحصنة ومن هنا انبعثت فكرة (حصان بخاري ميكانيكي) ..
وينجح (جول) وهو صديق لذاك الشاب في صنع الات بخارية اخرى.
فمن يصدق ان حدادا وطفلا يغيران مجرى تاريخ البشرية، فمن الالة البخارية صنعت الات النسيج
1720م والمراكب البخارية 1750 والقطارات 1807م والمولدات التي تدير وتنتج الكهرباء 1880م.
حقا المهارة تؤدي الى مهارة والابداع يولد ابداعا اخر .. فمهارة الحداد ولدت مهارة صنع
الالات البخارية.
المحرك البخاري
المحرك البخاري الة تعمل بطاقة تمدد البخار. ويستخدم البخار في دفع المكابس التي تدير عجلات
القاطرات القوية، او يمكن استخدامه في تدوير توربينات ضخمة تحرك مولدات كهربائية، وعابرات محيطات عملاقة.
وتدار بالبخار ايضا المضخات الكبيرة، ومعدات الحفر وانواع اخرى كثيرة من الالات القوية.
كان ابتكار المحرك البخاري في القرن الثامن عشر قد مكن من ظهور الصناعة الحديثة. وحتى
ذلك الوقت كان الناس يعتمدون على قوة عضلاتهم او قوة الحيوان او قوة الرياح او
قوة المياه. ولكن محركا بخاريا واحدا يمكنه ان يقوم بعمل مئات الخيول. ويستطيع المحرك ان
يمد كل الالات في مصنع ما بالقدرة اللازمة. وتستطيع القوة البخارية ان تجر قطار شحن
محملا بالبضائع الثقيلة، مسافات طويلة خلال يوم واحد. وقد وفرت البواخر البخارية وسيلة انتقال امنة
وسريعة.
كيف تعمل محركات البخار
كيف يعمل المحرك البخاري البخار يشغل الالة بالدفع اولا على احد اوجه المكبس ثم على
الوجه الاخر. ويوجه صمام منزلق البخار من وجه الى اخر. وفي الشكل (الى اليسار) يدخل
البخار من الجانب الايسر للاسطوانة ويدفع المكبس الى اليمين. وحالما يتحرك المكبس يدير ذراعه الحذافة
مقدار نصف دورة. وحين يصل المكبس للناحية اليمنى من الاسطوانة (في الشكل اعلاه) يتحرك الصمام
المنزلق ويدفع البخار ليسري خلف المكبس مرة اخرى. يوجه البخار المكبس على التحرك الى الجهة
اليسرى. وعندئذ يجذب ذراع المكبس الحذافة لتكمل دورة واحدة، ويخرج البخار في الناحية اليسرى من
الاسطوانة عبر مخرج العادم.
لا ينتج المحرك البخاري القدرة، ولكنه يستخدم البخار لتحويل طاقة الحرارة الناشئة عن احتراق الوقود
الى حركة دورانية او حركة الى الامام والخلف، لاداء شغل معين. ولكل الة بخارية فرن
يحرق فيه الفحم الحجري او الزيت او الخشب او اي وقود اخر لانتاج طاقة حرارية.
وفي محطات القدرة الذرية يحل المفاعل محل الفرن، وتنشا الحرارة من انشطار الذرات. انظر: المفاعل
النووي. ولكل الة بخارية مرجل (غلاية) تتم داخله احالة الماء الى بخار. ويتمدد البخار او
ياخذ حجما اكبر من حجم الماء عدة مرات. ويمكن استخدام طاقة التمدد هذه بطريقتين: 1-
لدفع مكبس الى الامام والخلف 2- لادارة توربين.
المحركات البخارية المكبسية. لها مكابس تتحرك للامام وللخلف في اسطوانات. وهناك انظمة عديدة من الصمامات
تسمح بدخول البخار الى الاسطوانة، ودفع المكبس اولا في اتجاه ثم في الاتجاه الاخر قبل
تصريف البخار الى العادم. وعادة ماتسمى هذه المحركات بالمحركات الترددية، بسبب حركة مكابسها جيئة وذهابا.
وتتطلب المطارق البخارية التي تستخدم في دفع خوازيق الارض او في طرق المعادن مثل هذا
النوع من الحركةبيد ان القاطرة تتطلب حركة دورانية لادارة عجلاتها. ويتم الحصول على هذه الحركة
بتوصيل المكابس الى عمود مرفقي. وفى بعض المحركات البخارية الترددية وتسمى المحركات المركبة ينساب البخار
خلال اربع اسطوانات ويقوم بتشغيل اربعة مكابس.
التوربينات البخارية. تنتج التوربينات البخارية حركة دورانية. ولتوربين البخار عدة مجموعات من العجلات ذات الريش
المركبة على عمود طويل. ويدخل البخار من ناحية، فيدير العجلات ذات الريش اثناء اندفاعه عليها.
وتستخدم التوربينات البخارية في ادارة المولدات الكهربائية ورفاسات 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. ولو ان
عملية التكثف هذه قد حدثت في قارورة محكمة او اناء فانه ينتج تفريغا جزئيا او
عملية شفط، وكلاهما ينتج شغلا مفيدا.
وفي عام 1698م ابتكر الانجليزي توماس سافري (1650 – 1715م) اول محرك بخاري عملي، وكان
له مضخة لسحب الماء من المناجم. ولم تحتو مضخة سافري على اجزاء متحركة، الا صمامات
تعمل باليد. وعندما تدار الصمامات فانها تسمح للبخار بالدخول الى الاناء المحكم. وكان يصب ماء
بارد على جدران الاناء حتى يبرد؛ ومن ثم يتكثف البخار. عندئذ يفتح صمام حتى يتم
شفط الماء اعلى الانبوبة بفعل تفريغ الهواء في الاناء.
وفي عام 1712م اخترع الحداد البريطانى توماس نيوكومن (1663 – 1729م) محركا بخاريا. وكان لمحرك
نيوكومن دعامة افقية كبيرة متزنة في الوسط مثل الارجوحة. وتعلق مكبس داخل اسطوانة من احدى
نهايتي الدعامة. وعندما يسمح للبخار بالاندفاع الى الاسطوانة، فان البخار كان يدفع المكبس الى اعلى
خافضا النهاية الاخرى للدعامة. عندئذ يرش رذاذ الماء البارد داخل الاسطوانة فيتكثف البخار ويسحب التفريغ
المكبس الى اسفل مرة اخرى، وبذلك ترتفع النهاية الاخرى للدعامة والتي ربطت بمكبس المضخة داخل
البئر.
محرك واط. عندما بدا المهندس الاسكتلندي جيمس واط (1736 – 1819) تجاربه عام 1763م كان
محرك نيوكومن البخاري ذائع الانتشار. وكان ذلك حافزا لجيمس واط على التفكير لانه كان يستهلك
كميات هائلة من البخار، وكميات اخرى كبيرة من الوقود. وقد راى واط ان التسخين والتبريد
المترددين اضاعا حرارة زائدة. عندئذ اخترع واط محركا بخاريا بمكثف واسطوانة منفصلين، وبذا تظل الاسطوانة
ساخنة على الدوام. ووفر هذا النظام ثلاثة ارباع تكلفة الوقود، وذلك لفقدان كمية قليلة من
البخار خلال تكثفه بدخوله الاسطوانة الباردة.
سجل واط اول براءة لاختراع المحرك البخاري في عام 1769م، واستمر بعد ذلك في اجراء
تحسينات على الته. ولعل من افضل التحسينات التي ادخلها استخدام مبدا الفعل المزدوج. وفي المحركات
التي تبنى على هذا المبدا فان البخار يستخدم اولا على ناحية من المكبس ثم على
الناحية الاخرى. وتعلم واط ايضا ان يغلق طريق البخار عندما تمتلئ الاسطوانة جزئيا، وادى ذلك
الى تمدد البخار الموجود اصلا في الاسطوانة لتكملة مهمة المكبس. ويعتقد كثير من الناس خطا
ان واط اخترع المحرك البخاري، ولكنه قام فقط بادخال تحسينات على التصميمات السابقة التي ابتكرها
نيوكومن وخفض تكلفة استخدام محركات البخار المكثفة، وبذلك صار ممكنا استخدام هذه المحركات في اعمال
اخرى غير الضخ.
المحركات البخارية الحديثة. كانت اهم 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 خوفا من الانفجار. فلم يزد الضغط في محركاته عن الضغط الجوي او مايوازى 100
كيلو باسكال.
نبذه عن العالم جيمس وات :
جيمس وات (1736 –1819 م)
مخترع اسكتلندي
اعطى للعالم احدى
اعظم الالات في التاريخ
( المحرك البخاري ، المكثف)التي فجرت الثورة الصناعية ،
ولم يكن وات اول من اخترع الالة
البخارية، فقد سبقته محاولات كثيرة من قبله، لكن تلك الالات السابقة كانت ضعيفة الجهد بدرجة
انهم كانوا يستخدمونها فقط في ضخ الماء من المناجم، وتشارك وات مع المهندس الانكليزي بارلتون
وعمل الاثنان في انشاء معمل لتصنيع مخترعات وات ومن اكتشافاته الاخرى المقياس المائي والعنفة البحرية
والناظم النابذ لتنظيم سرعة المحرك.
ادخل تحسينات اساسية عام 1765 م على الة نيوكومن البخارية مما ادى الى انتشار استخدام
الطاقة البخارية في كثير من المصانع.
تكريما لانجازاته اطلق اسمه على وحدة القدرة الكهربائية (الوات)
والوات = وحدة لقياس القوة الميكانيكية، او 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 الة وات البخارية
وفي اواخر القرن الثامن عشر، واوائل القرن التاسع عشر، قام البريطاني ريتشارد تريفيثيك بتصميم وبناء
اول محرك بخاري يعمل بالضغط العالي. وصمم احدى تلك المحركات بحيث تعمل تحت ضغط يعادل
200 كيلو باسكال. وبحلول عام 1815م صنع الامريكى اوليفر ايفانز محركا بخاريا استخدم ضغطا يعادل
1,400 كيلو باسكال من البخار. وتوجد في ايامنا هذه محركات تستخدم بخارا عند ضغط يزيد
على ما يعادل 7,000 كيلو باسكال.
وشملت التحسينات الاخرى التي دخلت على المحركات البخارية ابتكار واستخدام المحرك المركب واستخدم البخار فائق
التسخين. وفي هذه الحالة ترتفع درجة حرارة البخار الى اكثر من 370°م بدون زيادة في
ضغطه. وتساعد هذه العملية على حماية البخار القادم من التكثف على اسطح اسطوانة المكبس.
وكان اختراع توربينات البخار في اواخر القرن التاسع عشر علامة كبرى في تطوير المحركات البخارية.
ووفرت توربينات البخار مصدرا اقتصاديا لتوليد القدرة المطلوبة لادارة المولدات الكهربائية ولادارة 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 انواع مختلفة من الوقود حسب الانواع المتوفرة مثل الفحم الحجري او البترول
السائل او الغاز الطبيعي او الصناعي .
تمتاز المحطات البخارية بكبر حجمها ورخص تكاليفها بالنسبة لامكاناتها الضخمة كما تمتاز بامكانية استعمالها لتحلية
المياه المالحة ، الامر الذي يجعلها ثنائية الانتاج 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 الى هذه المواقع وتوفر وسائل النقل الاقتصادية.
2. القرب من مصادر مياه التبريد لان المكثف يحتاج الى كميات كبير من مياه التبريد
. لذلك تبنى هذه 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 والمناطق السكنية والمجمعات التجارية والصناعية
وتعتمد محطات التوليد البخارية على استعمال نوع الوقود المتوفر وحرقه في افران 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 او 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 اول حرق الوقود حتى انتاج الطاقة الكهربائية .
لا يوجد فوارق اساسية بين محطات التوليد البخارية التي تستعمل انواع الوقود المختلفة الا من
حيث طرق نقل وتخزين وتداول وحرق الوقود . وقد كان استعمال الفحم الحجري شائعا في
اواخر القرن الماضي واوائل هذا القرن ، الا ان اكتشاف واستخراج البترول ومنتوجاته احدث تغييرا
جذريا في محطات التوليد الحرارية حيث اصبح يستعمل بنسبة تسعين بالمئة لسهولة نقله وتخزينه وحرقة
ان كان بصورة وقود سائل او غازي .
مكونات محطات التوليد البخارية :
تتالف محطات التوليد البخارية بصورة عامة من الاجزاء الرئيسية التالية :
ا ) 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 الاحيان يكون الفرن والمرجل في حيز واحد تحقيقا للاتصال
المباشر بين الوقود المحترق والماء المراد تسخينه .د
وتختلف انواع المراجل حسب حجم المحطة وكمية البخار المنتج في وحدة الزمن .
ج ) العنفة الحرارية او التوربين Turbine
وهي عبارة عن عنفة من الصلب لها محور ويوصل به جسم على شكل اسطواني 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 ، اي 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 بالاسلاك النحاسية المعزولة لتنقل الحقل المغناطيسي الدوار وتحوله الى تيار كهربائي على
اطراف العضو الثابت . ويختلف شكل هذا المولد باختلاف حجم المحطة .
ه ) المكثف: Condenser
وهو عبارة عن وعاء كبير من الصلب يدخل اليه من الاعلى البخار الاتي من التوربين
بعد ان يكون قد قام بتدويرها وفقد الكثير من ضغطه ودرجة حرارته ، كما يدخل
في هذا المكثف من اسفل تيار من مياه التبريد داخل انابيب حلزونية تعمل على تحويل
البخار الضعيف الى مياه حيث تعود هذه المياه الى المراجل مرة اخرى بواسطة مضخات خاصة
.
و) المدخنة : Chimney
وهي عبارة عن مدخنة من الاجر الحراري ( Brick) اسطوانية الشكل مرتفعة جدا تعمل على
طرد مخلفات الاحتراق الغازية الى الجو على ارتفاع شاهق للاسراع في طرد غازات الاحتراق والتقليل
من تلوث البيئة المحيطة بالمحطة .
ز) الالات والمعدات المساعدة : Auxiliaries
وهي عبارة عن عدد كبير من المضخات والمحركات الميكانيكية والكهربائية ومنظمات السرعة ومعدات تحميص البخار
التي تساعد على اتمام العمل في محطات التوليد .
