Ατμομηχανή

Γενικά ως ατμομηχανή χαρακτηρίζεται οποιαδήποτε μηχανή χρησιμοποιεί την ενέργεια και πίεση του ατμού προκειμένου να παραγάγει έργο.

Η Ρουκέτα (Rocket) του Τζορτζ Στέφενσον, μια από τις πρώτες ατμομηχανές για τρένα, που κατασκευάστηκε το 1829. Η συγκεκριμένη βρίσκεται στο Μουσείο Επιστημών του Λονδίνου

Η Ατμομηχανή των Boulton & Watt, 1784.

Γενικά

Αν και απλές ατμομηχανές είχαν κατασκευαστεί ήδη από την αρχαιότητα, με γνωστότερο παράδειγμα την ατμάμαξα αιολόσφαιρα, ή ατμοστρόβιλος - η πρώτη ατμομηχανή στην ιστορία-του Ήρωνα (Έλληνα μηχανικού και γεωμέτρη), ωστόσο ποτέ δεν βρήκαν πρακτική εφαρμογή, καθώς οι τότε κοινωνίες χρησιμοποιούσαν κυρίως την απλή μυϊκή δύναμη. Η ατμομηχανή που κατασκεύασε ο Τόμας Σέιβερι το 1698 για την άντληση νερού είναι η πρώτη μηχανή του είδους που κατασκευάστηκε για πρακτικές εφαρμογές. Επόμενος σημαντικός σταθμός ήταν η μηχανή του Τόμας Νιούκομεν, το 1712, την οποία βελτίωσε ο Τζέιμς Βατ. Έκτοτε οι ατμομηχανές συνέχισαν να βελτιώνονται και να εξελίσσονται συνεχώς, παίζοντας το βασικό ρόλο στην πραγματοποίηση της βιομηχανικής επανάστασης και επομένως τη μετάβαση από τον χειρωνακτικό τρόπο εργασίας και παραγωγής στον μηχανοποιημένο. Επίσης, έπαιξαν σπουδαίο ρόλο στην ανάπτυξη της ναυσιπλοΐας και της ναυτιλίας, με την εμφάνιση του ατμόπλοιου, που δεν εξαρτιόταν από τον άνεμο για την κίνησή του, όπως τα ιστιοφόρα, και την καθιέρωση του σιδηροδρόμου ως κύριου τρόπου χερσαίων μεταφορών στις ανεπτυγμένες χώρες. Τον εικοστό αιώνα, οι ατμομηχανές εκτοπίστηκαν σε μεγάλο βαθμό από τους κινητήρες ντίζελ, τους ηλεκτροκινητήρες και άλλα είδη κινητήρων εσωτερικής καύσης, μια και αυτοί ήταν οι τρόποι παραγωγής ενέργειας που έκαναν την εμφάνισή τους στο προσκήνιο εκείνη την εποχή (19ος αιώνας).

Ιστορία

Πρώτα πειράματα

Η πρώτη καταγεγραμμένη στοιχειώδης ατμοκίνητη "μηχανή" ήταν το Aeolipile που περιγράφει ο Ήρων ο Αλεξανδρεύς, μαθηματικός και μηχανικός στη Ρωμαϊκή Αίγυπτο τον 1ο αιώνα μ.Χ. Στους επόμενους αιώνες, οι λίγοι ατμοκίνητοι "κινητήρες" που ήταν γνωστοί ήταν, όπως και το Aeolipile, ουσιαστικά πειραματικές συσκευές που χρησιμοποιούν οι εφευρέτες για να επιδείξουν τις ιδιότητες του ατμού. Μια υποτυπώδης συσκευή ατμοστρόβιλων περιγράφηκε από τον Taqi al-Din στην Οθωμανική Αίγυπτο το 1551 και από τον Giovanni Branca στην Ιταλία το 1629. Ο Jerónimo de Ayanz y Beaumont έλαβε διπλώματα ευρεσιτεχνίας το 1606 για 50 εφευρέσεις με ατμό, συμπεριλαμβανομένης μιας αντλίας νερού για την αποστράγγιση πλημμυρισμένων ορυχείων. Ο Ντενί Παπέν, ένας πρόσφυγας του Huguenot, έκανε κάποια ωφέλιμη δουλειά στο χωνευτή ατμού το 1679 και χρησιμοποίησε πρώτα ένα έμβολο για να αυξήσει τα βάρη το 1690.

Αντλίες κινητήρων

Η πρώτη εμπορική ατμοκίνητη συσκευή ήταν μια αντλία νερού, που αναπτύχθηκε το 1698 από τον Τόμας Σέιβερι. Χρησιμοποίησε ατμό συμπύκνωσης για να δημιουργήσει ένα κενό το οποίο σήκωσε νερό από κάτω και έπειτα χρησιμοποίησε πίεση ατμού για να το ανεβάσει ψηλότερα. Οι μικρές μηχανές ήταν αποτελεσματικές, αν και τα μεγαλύτερα μοντέλα ήταν προβληματικά. Είχαν ένα περιορισμένο ύψος ανύψωσης και ήταν επιρρεπείς σε εκρήξεις λέβητα. Ο μηχανισμός Σέιβερι χρησιμοποιήθηκε σε ορυχεία, αντλιοστάσια και τροφοδότες νερού σε τροχούς νερού που τροφοδότησαν κλωστοϋφαντουργικά μηχανήματα. Ο κινητήρας του Σέιβερι ήταν χαμηλού κόστους. Η Bento de Moura Πορτογαλίας εισήγαγε μια βελτίωση της κατασκευής του Σέιβερι "για να την καταστήσει ικανή να εργαστεί", όπως περιγράφεται από τον John Smeaton στις Φιλοσοφικές Συναλλαγές που δημοσιεύθηκε το 1751. Συνέχισε να παράγεται μέχρι τα τέλη του 18ου αιώνα. Ένας κινητήρας ήταν ακόμα γνωστός ότι λειτουργεί το 1820.

Ατμομηχανές εμβολοφόρο

Jacob Leupold Ατμομηχανή 1720

Ο πρώτος εμπορικά επιτυχημένος κινητήρας που μπορούσε να μεταδώσει τη συνεχή ισχύ σε μια μηχανή ήταν ο ατμοσφαιρικός κινητήρας που εφευρέθηκε από τον Thomas Newcomen γύρω στο 1712. Βελτιώθηκε στην αντλία ατμού του Σέιβερι, χρησιμοποιώντας ένα έμβολο όπως πρότεινε ο Παπέν. Ο κινητήρας του Newcomen ήταν σχετικά ανεπαρκής και χρησιμοποιείται κυρίως για την άντληση νερού. Δούλεψε δημιουργώντας ένα μερικό κενό με συμπύκνωση ατμού κάτω από ένα έμβολο μέσα σε έναν κύλινδρο. Χρησιμοποιήθηκε για την αποστράγγιση των ορυχείων σε βάθη που μέχρι τώρα ήταν αδύνατο και για την παροχή επαναχρησιμοποιούμενου νερού για την οδήγηση τροχαλιών σε εργοστάσια που βρίσκονται μακριά από ένα κατάλληλο "κεφάλι". Το νερό που πέρασε πάνω από τον τροχό αντλήθηκε σε μια δεξαμενή αποθήκευσης πάνω από τον τροχό. Το 1780 ο James Pickard κατοχύρωσε τη χρήση ενός σφονδύλου και ενός στροφαλοφόρου άξονα για την παροχή περιστροφικής κίνησης από έναν βελτιωμένο κινητήρα Newcommen.

Το 1720 ο Jacob Leupold περιγράφει μια δίκυκλη ατμομηχανή υψηλής πίεσης. Η εφεύρεση δημοσιεύθηκε στο σημαντικό έργο του "Theatri Machinarum Hydraulicarum". Ο κινητήρας χρησιμοποίησε δύο βαριά έμβολα για να παρέχει κίνηση σε αντλία νερού. Κάθε έμβολο ανυψώθηκε από την πίεση του ατμού και επέστρεψε στην αρχική του θέση με βαρύτητα. Τα δύο έμβολα μοιράστηκαν μια κοινή περιστροφική βαλβίδα τεσσάρων κατευθύνσεων συνδεδεμένη απευθείας με ένα λέβητα ατμού.

Μηχανή άντλησης Watt

Το επόμενο σημαντικό βήμα συνέβη όταν ο Τζέιμς Βατ ανέπτυξε (1763-1775) μια βελτιωμένη έκδοση του κινητήρα της Newcomen, με έναν ξεχωριστό συμπυκνωτή. Οι πρώτοι κινητήρες των Boulton και Βατ χρησιμοποίησαν το μισό άνθρακα όσο και η βελτιωμένη έκδοση του Newcomen για τον John Smeaton. Οι πρώτες μηχανές του Newcomen και του Βατ ήταν "ατμοσφαιρικές". Τροφοδοτήθηκαν από την πίεση του αέρα, ωθώντας ένα έμβολο στο μερικό κενό που δημιουργείται από την συμπύκνωση ατμού, αντί της πίεσης του διογκούμενου ατμού. Οι κύλινδροι κινητήρων έπρεπε να είναι μεγάλοι επειδή η μόνη δυνάμενη να χρησιμοποιηθεί δύναμη επί αυτών ήταν η ατμοσφαιρική πίεση.

Ο Βατ ανέπτυξε περαιτέρω τον κινητήρα του, τροποποιώντας τον έτσι ώστε να παρέχει μια περιστροφική κίνηση κατάλληλη για την οδήγηση μηχανημάτων. Αυτό επέτρεψε στα εργοστάσια να εγκατασταθούν μακριά από τα ποτάμια και επιτάχυναν το ρυθμό της Βιομηχανικής Επανάστασης.

Μηχανές υψηλής πίεσης

Η έννοια της υψηλής πίεσης, μαζί με μια πραγματική τιμή πάνω από το περιβάλλον, εξαρτάται από την εποχή στην οποία ο όρος χρησιμοποιήθηκε. Για την έγκαιρη χρήση του όρου Van Reimsdijk αναφέρεται ότι ο ατμός είναι σε επαρκώς υψηλή πίεση ώστε να μπορεί να εξαντληθεί στην ατμόσφαιρα χωρίς να στηρίζεται σε κενό για να μπορέσει να εκτελέσει χρήσιμη εργασία. Ewing 1894, σελ. 22 δηλώνει ότι οι κινητήρες συμπύκνωσης Watt ήταν τότε γνωστοί ως χαμηλή πίεση σε σύγκριση με τους κινητήρες χωρίς συμπύκνωση υψηλής πίεσης της ίδιας περιόδου.

Μέρη

Τα κύρια μέρη μιας ατμομηχανής είναι ο θάλαμος καύσης, όπου καίγεται το καύσιμο (π.χ. ξύλα (αρχικά), ανθρακίτης, λιγνίτης (σπανιότερα), πετρέλαιο -αργότερα-), ο λέβητας, όπου το νερό μετατρέπεται σε ατμό, ο κύλινδρος με το έμβολο που μετατρέπει την πίεση του ατμού σε μηχανικό έργο και τέλος ο συμπυκνωτής, όπου ο ατμός μετατρέπεται και πάλι σε νερό για να ξαναγυρίσει στο λέβητα και να κλείσει ο θερμοδυναμικός κύκλος της μηχανής.

Δείτε επίσης

• Ατμάμαξα
• Μηχανή εξωτερικής καύσης
• Πως λειτουργεί μια ατμομηχανή Στην ιστοσελίδα αυτή μπορεί κανείς να δει μέσα από εποπτικά βίντεο την αρχή λειτουργίας μια ατμομηχανής και τα χειριστήρια του θαλάμου οδήγησης.