موتور بخار چگونه کار می‌کند؟ — به زبان ساده

«موتور بخار» (steam engine) نوعی موتور گرمایی است که از بخار به عنوان «سیال عملیاتی» (working fluid) برای تولید کار مکانیکی استفاده می‌‌کند. پیشینه‌ی طولانی موتور بخار به دو هزار سال پیش برمی‌گردد. البته انواع باستانی این فناوری به صورت عملی قابل استفاده نبودند؛ با این حال آخرین نسخه‌هایی از موتور بخار که طی انقلاب صنعتی طراحی و تولید شد، به مهم‌ترین منبع تولید انرژی مکانیکی تبدیل گشت. توربین‌های بخار نسل جدید تقریبا نیمی از برق جهان را هر روز تولید می‌کنند.

گرچه در برخی از این سیستم‌ها از انرژی خورشیدی، انرژی هسته‌ای یا زمین‌گرمایی استفاده می‌شود، بسیاری از این‌ها در دسته‌ی «موتورهای برون‌سوز یا احتراق خارجی» (external combustion engines) طبقه‌بندی می‌گردند. چرخه ترمودینامیکی که در موتور بخار برای تولید انرژی مکانیکی طی می‌گردد، «چرخه‌ی رانکین» (Rankine cycle) نام دارد.

موتور برون‌سوز

در چنین موتوری گرما توسط یک منبع خارجی به سیال عملیاتی داده می‌شود. به همین دلیل از هر نوع سوخت یا منبعی که بتواند حرارت لازم را تولید کند، می‌توان در موتور بخار استفاده کرد. به دلیل این که سیال عملیاتی از منبع حرارت کاملا جدا است، امکان استفاده از تمام سوخت‌های تجدید‌پذیر نیز وجود دارد. این ویژگی منجر به انتشار آلودگی کمتر، نگهداری ساده‌تر و طول عمر بیشتر می‌گردد.

فیلم آموزش پروژه محور سالیدورکس – طراحی و مدل سازی موتور هشت سیلندر در SOLIDWORKS در فرادرس

کلیک کنید

این مزیت در «موتورهای درون‌سوز» (internal combustion engine) وجود ندارد. در این نوع موتورها، سیال عملیاتی همان محصولات گازی احتراق است و گرمای مورد نیاز نیز از همین احتراق به دست می‌آید. موتورهای رایج بنزینی و دیزلی از این دسته هستند.

کاربرد

از اوایل قرن ۱۹ میلادی، موتور بخار کاربرد فراوانی در صنعت داشته است. در ابتدا از این فناوری به عنوان محرک «پمپ رفت و برگشتی» (reciprocating pumps) استفاده می‌شد؛ اما از سال ۱۷۸۰ با ظهور موتورهای دورانی (که حرکت رفت‌ و برگشتی را به حرکت دورانی تبدیل می‌کنند) انقلابی در ماشین‌های صنعتی رخ داد. به همین منوال از اواخر قرن ۱۹، موتور بخار به محرک اصلی در حوزه‌ی حمل‌ونقل دریایی و زمینی تبدیل شد و با گذر زمان کاربرد گسترده‌تری یافت.

بخار را می‌توان نیروی محرک انقلاب صنعتی نامید. کاربردهای اقتصادی گسترده در کارخانه‌ها و آسیاب‌ها، راه‌اندازی ایستگاه‌های پمپاژ و حمل‌ونقل گواهی بر این مدعا است. در این حوزه از موتور بخار در لوکوموتیوها، کشتی‌ها و خودروها استفاده شد. استفاده از این نوع فناوری در بخش کشاورزی منجر به افزایش سطح زمین قابل شخم زدن و کاشت گردید. جالب است بدانید از این موتور در کاربردهایی با نیاز به انرژی پایین مانند ساعت بخار نیز استفاده شده است.

حضور مراحل متعدد بین منبع گرمایی تا مرحله‌ی آخر تولید توان، منجر به کاهش ضریب تولید توان به وزن موتور در مقایسه با موتورهای درون‌سوز می‌گردد. به همین دلیل از موتور بخار به ندرت در کاربردهای حمل‌ونقل هوایی استفاده شده است. بر اساس آنچه ذکر شد، در کاربردهایی با مقیاس کوچک و متوسط، این فناوری از رقبای خود مانند موتور درون‌‌سوز و موتور الکتریکی عقب مانده است. در نتیجه بسیاری تصور می‌کنند که موتور بخار از رده خارج شده. ضمناً بهتر است بار دیگر تاکید شود نیمی از برق تولیدی جهان از بخار تولید می‌گردد. در بسیاری از صنایع از این انرژی به عنوان نیروی محرک بسیاری از تجهیزات استفاده می‌شود.

موتور بخار را می‌توان بر اساس کاربرد آن دسته‌بندی کرد.

کاربردهای ثابت

موتورهای ثابت را می‌توان به دو دسته‌ی کوچک‌تر تقسیم کرد که به شرح زیر است.

• تجهیزاتی که در آن‌ها موتور به طور نامنظم متوقف می‌شود و دوباره شروع به کار می‌کند. این موتورها گاهی باید جهت خود را نیز عوض کنند. از این دست می‌توان به موتورهایی برای جمع‌آوری کابل‌های سنگین یا حتی موتور کشتی اشاره کرد.
• موتورهای تولید توان که به ندرت متوقف یا جهت آن‌‌ها عوض می‌شود. موتور بخاری که در نیرو‌گاه گرمایی، ایستگاه پمپ، آسیاب‌خانه یا کارخانه‌ها به این شکل مورد بهره‌برداری قرار می‌گیرد، در این گروه جای دارد.

حمل‌ونقل

موتور بخار در بسیاری از موارد در این حوزه‌ مورد استفاده قرار گرفته است.

• کاربردهای دریایی: قایق بخار، کشتی بخار
• راه‌آهن: لوکوموتیو بخار، «لوکوموتیو بدون آتش» (Fire less locomotive)
• کشاورزی: تراکتور بخار
• جاده: واگن بخار، اتوبوس بخار، سه‌چرخه‌ی بخار، خودروی بخار
• ساخت‌وساز: بیل مکانیکی بخار
• کاربردهای نظامی: تانک بخار بدون تایر و با تایر
• فضا: راکت بخار

به دلیل نسبت توان به وزن بیشتر در موتور‌های درون‌سوز، این تجهیزات به مراتب زیادتر از موتور بخار در کاربردهای متحرک مورد استفاده قرار گرفته‌اند. موتور بخار هنگامی که وزن اهمیت کمتر و بازده اهمیت بیشتری داشته باشد، گزینه‌ی بهتری است.

پیشینه

سابقه‌ی موتور بخار به اولین قرن پس از میلاد باز می‌گردد. ابتدایی‌ترین عضو این خانواده «آیولیپایل» (aeolipile) است که توسط مخترع یونانی «هرون» (Hero of Alexandria) اختراع شد. آیولیپایل نخستین وسیله‌ای است که می‌توانست انرژی بخار را به انرژی حرکتی تبدیل کند. این ابزار می‌تواند از نیروی بخار برای چرخاندن یک توپ توخالی فلزی با سرعت زیاد استفاده نماید.

هرون در زیر یک دیگ سربسته که پر از آب بود، آتش روشن کرد. بخار ایجاد شده از طریق دو لوله خمیده که به دو سوی توپ وصل بود منتقل می‌شد و از طریق دو روزنه بزرگ در گوشه توپ خارج می‌گردید. هرون از آیولیپایل برای بازی استفاده می‌کرد زیرا در آن زمان از اهمیت تبدیل انرژی بخار به حرکت آگاه نبود.

در قرن‌‌های بعد نمونه‌هایی عموما برای تبیین خواص بخار توسط دانشمندانی مانند «تقی‌الدین» (Taqi al-Din) در سال ۱۵۵۱ و «جیووانی برانکا» (Giovanni Branca) در سال ۱۶۲۹ اختراع شد.

اولین نمونه‌ی عملیاتی موتور بخار یک پمپ آب بود که توسط «توماس ساوری» (Thomas Savery) در سال ۱۶۹۸ ابداع شد با این که این پمپ توان بالایی نداشت و در مقابل انفجار‌های دیگ بخار آسیب‌پذیر بود، در برخی معادن و ایستگاه‌های پمپاژ مورد استفاده قرار می‌گرفت.

با این حال اولین موتور بخار مقرون به صرفه از نظر اقتصادی، تا سال ۱۷۱۲ ظهور نکرد. با کمک اختراعات ساوری و «دنیس پایین» (Denis Papin)، موتور اتمسفری توسط «توماس نیوکومن» (Thomas Newcomen) راه را برای انقلاب صنعتی هموار کرد.

موتور نیوکومن نسبتا بازده بالایی داشت و عموما برای پمپ کردن آب مورد استفاده قرار می‌گرفت. برای نمونه در معادن برای کشیدن آب جمع شده در چاه‌ها از این موتور استفاده می‌شد؛ کاری که تا آن زمان ممکن نبود. از این موتور بخار همچنین برای پمپ‌ کردن آب به منظور گرداندن چرخ‌های آبی در کارخانه‌هایی دور از یک منبع آب با ارتفاع بالا استفاده می‌شد.

قدم بعدی هنگامی برداشته شد که «جیمز وات» (James Watt) نوع پیشرفته‌ی موتور نیوکومن را طراحی کرد و ساخت. موتور وات به میزان ۷۵ درصد در مصرف زغال‌سنگ نسبت به نوع قبلی خود صرفه‌جویی داشت. وات موتور بخار خود را توسعه داد تا به فناوری حرکت گردان یا چرخشی مناسب برای استفاده در کارخانه‌ها تبدیل گردد. این فناوری به صنعت اجازه داد تا جایی غیر از کنار رودخانه‌ها بنا شوند و سرعت انقلاب صنعتی را افزایش داد.

حدود سال ۱۸۰۰، «ریچارد تریویتیک» (Richard Trevithick) موتورهایی با فشار بخار بالا طراحی کرد. این اختراع از نمونه‌های قبلی بسیار قدرتمندتر بود؛ به همین دلیل امکان داشت تا با طراحی در اندازه‌ای کوچک، در کاربردهای حوزه‌ی حمل‌ونقل مورد استفاده قرار گیرد. پیشرفت‌های پی‌درپی باعث شد تا این فناوری به تدریج کوچک‌تر، سریع‌تر و قوی‌تر شود.

موتور بخار به عنوان مهم‌ترین منبع توان تا قرن بیستم شناخته می‌شد؛ تا جایی که با طراحی موتور الکتریکی و موتور درون‌سوز، در بخش موتورهای رفت‌وبرگشتی قافیه را به رقیبان خود باخت. با این وجود هنوز توربین بخار سرآمد فناوری‌های مورد استفاده در تولید برق است.

نحوه‌ی کارکرد یک موتور بخار رفت‌وبرگشتی به زبان ساده

گرما از سوخت در حال احتراق دریافت می‌گردد. این گرما در یک دیگ بخار با فشار بالا به آب انتقال پیدا می‌کند و منجر به تولید بخار اشباع می‌شود. این بخار دمایی مساوی با آب در حال جوش دارد. این دما نیز به فشار بخار داخل دیگ وابسته است. برای فهم بهتر تصور کنید که آب در ارتفاعات بالاتر با فشار کمتر، در دمای پایین‌تری می‌جوشد.

فیلم آموزش موتورهای درون سوز و احتراق داخلی ICE – بخش یکم‎ در فرادرس

کلیک کنید

بخار در این مرحله بازهم گرم می‌شود تا به حالت «فوق داغ» (super heat vapor) یا بخار خشک تبدیل گردد. این مرحله، انرژی سیال عملیاتی را بالا می‌برد و منجر به عملکرد بهتر موتور یا توربین می‌شود. بخار تولید شده وارد موتور می‌شود و پیستون را هل می‌دهد. حرکت پیستون نوعی از انرژی مکانیکی است که گاهی به حرکت دورانی تبدیل می‌گردد. بخار کم‌فشار و سرد استفاده شده در موتور به هوا تخلیه می‌شود. البته دانستن این نکته ضروری است که در توربین‌های مدرن این بخار مجددا میعان و به چرخه برمی‌گردد.

اجزای موتور بخار

دو جزء اصلی در این تجهیز وجود دارد: یکی دیگ بخار و دیگری بخش موتور. این دو بخش را می‌توان به صورت مجزا و با فاصله یا پیوسته طراحی کرد و ساخت.

دیگر اجزا شامل پمپ (به منظور انتقال آب به دیگ بخار)، چگالنده (با هدف میعان کردن بخار خروجی از موتور) و فوق‌ داغ کننده‌ها (افزایش دمای بخار اشباع به بخار فوق داغ) هستند. هنگامی که از زغال‌سنگ به عنوان سوخت استفاده می‌شود، یک خط دیگر برای آماده‌سازی و مصرف آن وجود دارد. این بخش به صورت کامل در اینجا توضیح داده شده است.

منبع حرارتی

حرارت مورد نیاز برای تبخیر آب را می‌‌توان از منابع مختلفی - عموما از سوزاندن مواد سوختنی - همراه با تامین هوای مورد نیاز تامین کرد. در برخی از موارد منبع حرارتی سوخت هسته‌ای یا انرژی زمین‌گرمایی است.

منبع دما پایین یا منبع سرد

در تمام انواع موتور گرمایی، مقدار زیادی از گرما بعد از رسیدن بخار به دمای پایین در خروجی توربین یا موتور به هدر می‌رود. این گرما باید از سیستم خارج شود تا منجر به بالا رفتن دمای قطعات نگردد. یکی از ساده‌ترین راه‌های ممکن خارج کردن بخار و فرستادن آن به محیط است. این روش عموما در لوکوموتیو‌های بخار مورد استفاده قرار می‌گیرد ولی منجر به کاهش بازده می‌شود. با نصب تجهیزی برای میعان بخار خروجی می‌توان بازده موتور را افزایش داد.

در سیستم توربین بخار از برج‌های خنک‌کننده استفاده می‌شود که نوعی چگالنده به حساب می‌آیند. برخی اوقات می‌توان از گرمای بخار خروجی به صورت مستقیم بهره‌برداری کرد. برای مثال در «نیروگاه‌های تولید هم‌زمان گرما و برق» (Combined Heat and Power) معروف به CHP از این انرژی برای گرمایش محیط استفاده می‌شود.

دیگ بخار

این تجهیزات مخازنی هستند که قرار است در آن‌ها آب تبخیر شود. مکانیسم‌های متعهدی جهت انتقال حرارت به آب در دیگ بخار طراحی شده است. دو تا از مهم‌ترین روش‌های این فرایند به شرح زیر است.

• دیگ بخار «آب-لوله» (Water tube boiler) در این روش، آبی که قرار است بخار شود، از درون لوله‌ها عبور می‌‌کند. برای فهم بهتر از این دست می‌توان به آب‌گرم‌کن دیواری در کاربردهای خانگی اشاره کرد.
• دیگ بخار «آتش-لوله» (Fire tube boiler): در این روش، آب در عمل مخزن را پر می‌کند و گازهای داغ حاصل از احتراق درون لوله‌هایی که از آب گذر داده شده‌اند، جریان پیدا می‌کنند.

هنگامی که آب به بخار تبدیل شد، در برخی از دیگ‌های بخار با دادن گرمای بیشتر، بخار فوق داغ به دست می‌آید. این کار باعث افزایش بهره‌وری می‌گردد.

واحد موتور

موتور یا توربین بخار پرفشار و با دمای بالا را دریافت می‌کند. خروجی این قسمت بخاری با فشار و دمای پایین است. بخشی از اختلاف انرژی بخار ورودی با بخار خروجی توسط این واحد به کار مکانیکی تبدیل می‌گردد.
واحد موتوری را به درستی در این بخش موتور بخار می‌نامند. البته این واحدها ممکن است با هوای فشرده یا دیگر گازها کار کنند.

انبساط ساده

در بیشتر پیستون‌های رفت و برگشتی، مسیر بخار در هر مرحله تغییر پیدا می‌کند و از یک دریچه وارد و داخل می‌گردد. یک چرخه‌ی کامل شامل یک گردش کامل میل‌لنگ و دو مرحله‌ی پیستون است. این چرخه را نیز می‌توان شامل چهار مرحله‌ی «ورود بخار» (admission)، انبساط، خروج بخار و تراکم دانست.
این چهار مرحله با باز و بسته شدن شیرهایی که به «دنده شیر» (valve gear) متصل هستند، کنترل می‌گردد.

موتورهای ترکیبی

هنگامی که بخار منبسط می‌گردد، دمای آن کاهش می‌یابد. به دلیل سرعت بالای فرایند و این‌که گرمایی با محیط مبادله نمی‌گردد، این فرایند را «انبساط بی‌دررو» (adiabatic expansion) می‌گویند. نتیجه‌ی این مسیر ورود بخار با دمای بالا و خروج با دمای پایین است. این امر باعث گرمایش و سرمایش سیلندر در هر مرحله می‌گردد و باعث کاهش بازده می‌شود.

فیلم آموزش آشنایی با موتورهای دیزل مدرن در فرادرس

کلیک کنید

روشی برای کاهش اندازه‌ی گرمایش و سرمایش در سال ۱۸۰۴ توسط مهندس بریتانیایی «آرتور وولف» (Arthur Woolf) با نام «موتور ترکیبی» (compound engine) معرفی شد. در این نوع موتور بخار، بخار «فشار بالا» (high pressure) یا به اختصار HP از دیگ بخار وارد و به سیلندر HP وارد می‌شود. حال در مرحله‌ی بعد این بخار بعد از دست دادن بخشی از فشار خود وارد سیلندر «فشار پایین» (lower pressure) یا LP می‌گردد.

انبساط کامل بخار اکنون در دو مرحله اتفاق می‌افتد و در نتیجه گرمای کمتری در هر مرحله از دست می‌رود. در نتیجه فاصله‌ی دمای خروج بخار و ورود آن کمتر می‌شود. این امر با کاهش میزان سرمایش و گرمایش منجر به افزایش بازده می‌گردد.

برای گرفتن میزان کار برابر از سیلندر فشار پایین با سیلندر فشار بالا، باید این سیلندر بزرگ‌تر طراحی و ساخته شود؛ چراکه بخار فشار پایین حجم بیشتری اشغال می‌کند. همچنین از آنجا که میزان نیرو برابر با میزان فشار ضرب‌در سطح محاسبه می‌گردد، برای داشتن نیروی برابر در فشار پایین، سطح باید افزایش یابد. به همین دلیل همیشه سیلندر LP از سیلندر HP بزرگ‌تر است.

در انبساط دوگانه چنانچه شرح آن رفت، بخار در دو مرحله منبسط می‌گردد. البته ممکن است آرایش‌‌های متعددی برای این کار در سیلندرها در نظر گرفته شود. برای نمونه در برخی موتور‌های بخار، دو سیلندر HP و یک سیلندر LP تعبیه شده است. بخار فشار بالا در دو مرحله در این نوع موتور منبسط می‌گردد.

موتور با انبساط چندگانه

با افزایش مراحل می‌توان بازهم بازده را افزایش داد. نتیجه یک «موتور با انبساط چندگانه» (multiple expansion engine) خواهد بود. چنین موتورهایی عموما بین سه یا چهار مرحله‌ی انبساط دارند. با کاهش فشار در هر مرحله، اندازه‌ی سیلندر افزایش می‌یابد.

این سیلندرها طوری طراحی شده‌اند تا کار مورد نیاز را به تعداد مراحل به شکل مساوی تقسیم کنند. تصویر متحرک زیر، عملکرد یک موتور سه‌گانه را نشان می‌دهد. بخار از سمت چپ به راست در حرکت است.

توسعه‌ی این موتورها در کشتی‌های بخار بسیار ضروری به نظر می‌رسید. چراکه بخار بعد از کاهش فشار بایستی به دلیل شوری آب دریا و عدم امکان استفاده میعان می‌شد و به چرخه باز می‌گشت. موتور بخاری که روی زمین کار می‌کند، امکان آزاد کردن بخار مصرف‌شده را دارد.

قبل و در طول جنگ جهانی دوم، موتور انبساطی بیشترین کاربرد را در حمل‌ونقل دریایی داشت؛ چراکه سرعت بالا خیلی مد نظر نبود. گرچه بریتانیایی‌ها توربین بخاری طراحی کردند که سرعت بسیار بالایی داشت. «HMS Dreadnought» اولین کشتی جنگی با سرعت بالا و استفاده از توربین بخار بود که به جهان معرفی شد.

موتور تک‌جریان

این طراحی برای حل مشکل «چرخه‌های ناهم‌جهت» (counter flow cycle) پیشنهاد شد که در آن‌ها با عبور بخار کم‌فشار، دیواره و قطعات داخلی سرد می‌شد. در نتیجه بخشی از گرمای بخار پرفشار خروجی صرف گرم‌ کردن مجدد این قسمت‌ها می‌گشت.

در «موتور تک‌جریان» (uni-flow engine) با اضافه کردن یک ورودی این مشکل حل می‌گردد. این ورودی هنگامی که پیستون به نیمه‌ی راه می‌رسد باز می‌شود و باعث جریان یافتن بخار تنها در یک جهت در هر نیمه می‌گردد. حال تصور کنید که همیشه بخار پرفشار از یک نقطه وارد و بخار کم‌فشار از یک نقطه خارج می‌شوند؛ همیشه دمای تمام نقاط تقریبا ثابت می‌ماند و بازده افزایش می‌یابد.

موتورهای توربینی

یک «توربین بخار» (steam turbine) شامل یک سری از دیسک‌های چرخان نصب شده روی یک شفت است که به آن‌ها «روتور» (rotors) می‌گویند. دیسک‌های نصب شده به صورت ثابت روی بدنه‌ی توربین را نیز «استاتور» (stators) می‌گویند. روی روتورها پره‌هایی با سازمان منظم کار شده است و بخار با برخورد به این پره‌ها باعث چرخش روتور می‌گردد. استاتورها نیز پره‌هایی دارند که وظیفه‌ی هدایت بخار به مرحله‌‌ی بعد را به عهده دارند.

فیلم آموزش موتورهای پله ای یا استپر موتور – ساختار، عملکرد و کنترل در فرادرس

کلیک کنید

بخار خروجی یک توربین بخار عموما وارد یک «چگالنده سطحی» (surface condenser) می‌شود که خلا نسبی تولید می‌‌کند. مراحل طراحی شده در این تجهیز با هدف تولید بیشترین کار از بخار ساخته می‌شود. نکته اینجاست که توربین‌های بخار تنها زمانی بازده‌ مناسبی دارند که سرعت بالایی داشته باشند. به همین دلیل برای کاهش سرعت در کاربردهایی مانند پره‌ی پیشران کشتی، از سیستم جعبه دنده استفاده می‌گردد.

از آنجا که توربین‌ها انرژی بخار را به حرکت مکانیکی دورانی تبدیل می‌کنند، دیگر نیاز به سیستمی برای تبدیل حرکت رفت‌و‌برگشتی به دورانی نیست. این امر منجر به کاهش نیاز به تعمیرات و استهلاک دستگاه می‌گردد. اصلی‌ترین کاربرد توربین بخار، تولید الکتریسیته است.

تمام نیروگاه‌های هسته‌ای و برخی زیردریایی‌های هسته‌ای ابتدا آب را تا دما و فشار بالا تبخیر می‌کنند. سپس این بخار برای چرخاندن توربین مورد استفاده قرار می‌گیرد. شفت توربین که به شفت ژنراتور برق جفت‌ شده است، ژنراتور را به حرکت درمی‌آورد و برق تولید می‌شود.

موتور بخار نوع جت

مهندس استرالیایی «آلن برنز» (Alan Burns) برای اولین بار موتور بخار «نوع جت» (Jet type) را اختراع کرد. این موتورهای زیرآبی از فشار بخار بالا برای مکش آب از جلو و سپس خروج پرفشار آن از عقب استفاده می‌کند. هنگامی که بخار پرفشار وارد آب و میعان می‌شود، با ایجاد یک موج منجر به خروج سریع آب از عقب می‌گردد. با هدف افزایش بازده، موتور از یک ورودی مقداری هوا نیز به داخل می‌مکد که منجر به تولید حباب‌های هوا و تغییر مکانیسم اختلاط بخار با آب می‌گردد.

برخلاف دیگر موتورهای بخار ممولی، هیچ قطعه‌ی متحرکی در این نوع تجهیز وجود ندارد و آب خروجی تنها کمی گرم‌تر از آب ورودی است. چنین موتوری را به عنوان پمپ یا همزن نیز می‌توان مورد استفاده قرار داد.

موتور بخار نوع راکت

آيولیپایل همان‌طور که شرح آن رفت از این مکانیسم برای ایجاد پیش‌رانش البته نه در مسیر مستقیم بهره می‌برد. اخیرا البته از فناوری موتور بخار «نوع راکت» (Rocket type) خیلی استفاده نمی‌شود. این فناوری به زبان ساده به این شکل است که ابتدا یک مخزن با آب داغ پرفشار پر می‌شود. در انتهای مخزن یک خروجی کنترلی با قطر خیلی کم وجود دارد. هنگامی که خروجی باز می‌شود، آب پرفشار از محزن خارج می‌گردد و با توجه به پایین بودن فشار بیرون مخزن به بخار تبدیل می‌شود. بخار خروجی تولید شده با سرعت به بیرون پرتاب و ماشین را به جلو می‌راند.

تجهیزات کنترلی

تمام انواع موتور بخار با روش‌هایی برای کنترل شرایط مجهز شده‌اند. این تجهیزات شامل «فشارسنج‌ها» (pressure gauge) برای کنترل فشار و «مشاهده‌گرهای شیشه‌ای» (sight glass) برای کنترل سطح مایع است.

مزایا

مزیت اصلی موتور بخار در توانایی آن بر تبدیل هرگونه منبع گرمایی یا انرژی گرمایی به کار مکانیکی است. مزیتی که موتور درون‌سوز از آن بی‌بهره است. البته چنین ویژگی‌ای در نوع متفاوتی از موتور درون‌سوز با نام «موتور استرلینگ» (Stirling engine) وجود دارد. این موتور که به آن ماشین استرلینگ هم گفته می‌شود یک موتور حرارتی است که در سال ۱۸۱۶ توسط دکتر «رابرت استرلینگ» (Robert Stirling) اختراع شد.

فیلم مجموعه آموزش مهندسی مکانیک – از دروس دانشگاهی تا کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

موتور استرلینگ بازدهی بیشتری نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارد اما امروزه این موتورها فقط در برخی کاربردهای خاص مانند زیردریایی‌ها یا ژنراتورهای کمکی در قایق‌ها (که عملکرد بی صدا مهم است) استفاده می‌شود. اگر چه موتورهای استرلینگ به تولید انبوه نرسید اما برخی اختراعات پرقدرت با این موتور کار می‌کند.

ایمنی

در فرایند استفاده از بخار با بسیاری از مخازن پرفشار روبه‌رو هستیم که انرژی پتانسیل بالایی دارند. انفجار بخار در گذشته تلفات بسیار زیادی داشته است. به همین دلیل استاندارهای متعددی در این رابطه وجود دارد. موارد زیر ممکن است از این دست باشد.

• بالا رفتن فشار داخل دیگ بخار بیش از حد قابل تحمل
• کم شدن آب داخل دیگ و در نتیجه سوختن دیواره
• خروج بخار از لوله‌ها به علت نشتی و ایجاد سوختگی در کارکنان

بازده

بازده یک موتور بخار را می‌توان از تقسیم مقدار کار مفید مکانیکی تولید شده به میزان کل انرژی حرارتی مصرفی محاسبه کرد. البته هیچ موتوری نمی‌تواند بازده‌ای بیشتر از «چرخه‌ی کارنو» (Carnot cycle) داشته باشد. این چرخه یک چرخه‌ی ترمودینامیکی بازگشت‌پذیر است که توسط «سعدی کارنو» (Saadi Carnot) در ۱۸۲۴ معرفی شد. او در این سال با انتشار مقاله‌ای این مفهوم را به شکل زیر توضیح داد.

بازده تمام ماشین‌های بازگشت‌پذیری که بین دماهای یکسانی کار می‌کنند با هم برابر است و بازده هیچ ماشین بازگشت‌ناپذیری، که بین همان دو دما کار می‌کند، نمی‌تواند بیشتر از این باشد.

در این فرایند گرما از یک منبع دما بالا به یک منبع دما پایین منتقل می‌شود و بازده آن به اختلاف درجه حرارت این دو منبع بستگی دارد. برای به دست آوردن بیشترین بازده، بهتر است تا حد امکان دمای بخار تولیدی بالا و دمای بخار خروجی از موتور پایین باشد.

در عمل در صورتی که موتور بخار، بخار را به اتمسفر تخلیه کند تنها بازدهی بین یک تا ۱۰ درصد خواهد داشت. جالب است تنها با اضافه کردن یک چگالنده و روش انبساط چندگانه، بازده به ۲۵ درصد می‌رسد. یک نیروگاه برق با مصرف بخار بازدهی بین ۲۰ تا ۴۰ درصد دارد. البته با استفاده از گرمایی که معمولا به هدر میٰ‌رود برای گرمایش منازل و ساختمان‌ها می‌توان تا ۹۰ درصد از انرژی مصرفی را مورد بهره‌برداری قرار داد.

در صورتیکه مطلب بالا برای شما مفید بوده است، احتمالاً آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز برایتان کاربردی خواهند بود.

• آموزش مقدمه ای بر مهندسی زیست سوخت ها
• مجموعه آموزش‌های مهندسی مکانیک
• مجموعه آموزش‌های مهندسی شیمی
• موتورهای درون‌سوز و هر آنچه باید درباره آنها بدانید
• تقطیر و هر آنچه باید درباره آن بدانید -- مفهوم، انواع و کاربردها
• آشنایی با برج خنک کننده و انواع آن -- از صفر تا صد
• بنزین و گازوئیل چه تفاوت‌هایی دارند؟ --- به زبان ساده

^^