في مجال الهندسة والتكنولوجيا، يُعتبر المحرك البخاري من الاختراعات البارزة التي ساهمت في تغيير العالم وتقدمه. فما هي مكونات المحرك البخاري وما دورها الأساسي؟ يمثل هذا المحرك رمزًا للابتكار والتطور التكنولوجي في القرن الثامن عشر، والذي شكل الأساس لثورة الآلات والنقل. من خلال هذا المقال، نتعرض لمهمة المحرك البخاري بشكل شامل.
مكونات المحرك البخاري
يتألف المحرك البخاري من عدة مكونات رئيسية تعمل بشكل منسق لتحويل الطاقة الحرارية إلى حركة ميكانيكية، ومن هذه المكونات:
- وعاء التسخين (المرجل): هو الجزء الذي يحتوي على الماء ويقوم بتسخينه لتوليد البخار، حيث يتم تسخين الماء بواسطة مصادر وقود مثل الفحم أو النفط أو الغاز.
- الأسطوانات: تحتوي على مكابس تتحرك ضمنها بحرية. عند دخول البخار للأسطوانة، يدفع المكبس بعيدًا عن نقطة الدخول، مما يحول الحركة الخطية إلى حركة دورانية.
- العمود الكرنكي: يتصل المكبس بالعمود الكرنكي، الذي يقوم بتحويل الحركة الخطية للمكبس إلى حركة دورانية تستخدم لتحريك المرفقات أو الأدوات الميكانيكية الأخرى.
- صمامات البخار: تتيح دخول البخار إلى الأسطوانة وإخراجه بعد الاستفادة منه، ويتم التحكم بدقة في تشغيل هذه الصمامات لضمان تدفق البخار بشكل صحيح.
- صمامات الضغط: تُستخدم للتحكم في ضغط البخار داخل المحرك، حيث تفتح الصمامات عندما يصل الضغط إلى المستوى المحدد للسماح بخروج البخار الزائد.
- وحدة التشحيم: تُستخدم الزيوت أو الشحوم لتقليل الاحتكاك والحفاظ على سلاسة حركة الأسطوانات والمكابس والعمود الكرنكي.
- المُولِّد: يمكن للمحرك البخاري أيضاً تحويل الحركة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية باستخدام مولّد، والذي يُستخدم بعد ذلك في تشغيل الأجهزة الكهربائية.
آلية عمل المحرك البخاري
تعتمد آلية عمل المحرك البخاري على تحويل الطاقة الناتجة عن احتراق الوقود إلى حركة ميكانيكية مستخدمة البخار كوسيلة رئيسية للطاقة. وفيما يلي الخطوات الأساسية لعمل المحرك البخاري:
- توليد البخار: يتم تسخين الماء في وعاء مخصص حتى يتحول إلى بخار عند درجة حرارة مناسبة، وذلك باستخدام وقود خارجي كالفحم أو الغاز الطبيعي.
- زيادة الضغط: يُوجه البخار المنتَج إلى مجموعة الأسطوانات في المحرك، حيث يتم زيادة ضغطه باستخدام صمامات الضغط بشكل مناسب.
- التمدد والحركة: يُدخل البخار الساخن ذو الضغط العالي إلى الأسطوانة، حيث يدفع المكبس الموجود داخلها. يؤدي اتساع البخار وتمددها إلى دفع المكبس بعيداً.
- تحويل الحركة: بعد دفع المكبس لأسفل، تنتقل الحركة إلى عمود الحركة (الكرنك شافت) الذي يقوم بتحويل الحركة الخطية إلى حركة دورانية.
- تصريف البخار المستعمل: بعد دفع المكبس لأسفل، يُخرج البخار المستعمل من الأسطوانة عبر صمام العادم، ويتم التخلص منه أو إعادة استخدامه.
تاريخ المحرك البخاري
في عام 1698م، حصل المخترع توماس سافري على براءة اختراع لمضخة بخارية مبتكرة، حيث عمل على تحسين عملية سحب المياه باستخدام البخار.
كان الناس في ذلك الوقت يعتمدون على أساليب بطيئة ومكلفة لسحب المياه، مثل استخدام الدلاء وأنظمة البكرات المدفوعة بالخيول والتي كانت تتطلب رعاية ومساحة كبيرة. لذلك، قرر سافري تصميم مضخة بخارية لتسهيل عملية سحب المياه.
المضخة تتكون من محرك يقوم بتسخين الماء وتحويله إلى بخار، ثم يقوم بتخزين البخار في خزان وتوليد فراغ داخله لسحب المياه.
رغم نجاح اختراعه، كان لديه بعض العيوب حيث كانت قادرة فقط على سحب المياه من الأعماق الضحلة، وكان ضغط البخار يؤدي إلى طرد المياه المستخرجة.
تاريخ تصنيع المواد للمحرك البخاري
المخترع اليوناني هيرو السكندري يعتبر أول من ابتكر مواد أساسية للمحرك البخاري خلال القرن الأول الميلادي. استخدم هيرو كرة فارغة وأنابيب لربطها، وعند تسخين الكرة من الأسفل نتج بخار سريع دفع الكرة لتتحرك دورانيًا. ومع ذلك، لم يُستخدم البخار بشكل عملي إلا في القرون اللاحقة.
من خلال اختراع المحرك البخاري، فتحت آفاق جديدة للتطور الصناعي والتكنولوجي، حيث ساهم هذا الابتكار في تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية مما أدى إلى تحسين الإنتاجية وتسريع العمليات الصناعية والنقل.
