Οι 5 τύποι κύριων μηχανημάτων ατμού

Τα διαφορετικά τύπους ατμομηχανών έχουν υποστεί πολλές αλλαγές σε όλη την ιστορία και συνεχώς η τεχνολογία τους επέτρεψε να εξελιχθούν με αξιοσημείωτο τρόπο.

Ουσιαστικά, είναι μηχανές εξωτερικής καύσης που μετατρέπουν τη θερμική ενέργεια των υδρατμών σε μηχανική ενέργεια.

Έχουν χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση αντλιών, ατμομηχανών, πλοίων και ελκυστήρων, που ήταν τότε απαραίτητα για τη Βιομηχανική Επανάσταση. Σήμερα χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας με ατμοστρόβιλους.

Μια ατμομηχανή αποτελείται από ένα λέβητα που χρησιμοποιείται για να βράσει το νερό και να παράγει ατμό. Ο ατμός επεκτείνεται και σπρώχνει ένα έμβολο ή έναν στρόβιλο, του οποίου η κίνηση κάνει το έργο της περιστροφής των τροχών ή της οδήγησης άλλων μηχανημάτων.

Η πρώτη ατμομηχανή σχεδιάστηκε από τον Ήρωνα της Αλεξάνδρειας τον 1ο αιώνα και ονομάστηκε αιολική.

Αποτελούσε από μια κοίλη σφαίρα που συνδέεται με ένα λέβητα στο οποίο ήταν συνδεδεμένοι δύο καμπύλοι σωλήνες. Η σφαίρα ήταν γεμάτη με νερό που βράζει, προκαλώντας την εκτόξευση του ατμού από τους σωλήνες με μεγάλη ταχύτητα, την περιστροφή της μπάλας.

Παρόλο που το ηλεκτρόλυμα δεν είχε κανένα πρακτικό σκοπό, αναμφισβήτητα αντιπροσωπεύει την πρώτη εφαρμογή ατμού ως πηγή προώθησης.

Ωστόσο, τα περισσότερα συστήματα που χρησιμοποιούν ατμό μπορούν να χωριστούν σε δύο τύπους: μηχανές εμβόλων και ατμοστρόβιλοι. 

Κύριοι τύποι ατμομηχανών

1- Μηχανές εμβολοφόρων

Τα εμβολοφόρα μηχανήματα χρησιμοποιούν πεπιεσμένο ατμό. Μέσω των εμβόλων διπλής δράσης, ο συμπιεσμένος ατμός εισέρχεται εναλλάξ σε κάθε πλευρά, ενώ από την άλλη απελευθερώνεται ή αποστέλλεται σε συμπυκνωτή.

Η ενέργεια απορροφάται από μια σφραγισμένη ράβδο ολίσθησης έναντι της διαφυγής του ατμού. Αυτή η ράβδος, με τη σειρά της, οδηγεί μια ράβδο σύνδεσης που συνδέεται με ένα στρόφαλο για να μετατρέψει την παλινδρομική κίνηση σε μια περιστροφική κίνηση..

Επιπλέον, χρησιμοποιείται ένας άλλος στρόφαλος για την κίνηση του μηχανισμού βαλβίδας, συνήθως μέσω ενός μηχανισμού που επιτρέπει την αντιστροφή της περιστροφικής κίνησης.

Όταν χρησιμοποιείται ένα ζεύγος εμβόλων διπλής δράσης, η προώθηση του στρόφαλου αντισταθμίζεται κατά 90 μοίρες. Αυτό εξασφαλίζει ότι ο κινητήρας θα λειτουργεί πάντα, ανεξάρτητα από τη θέση του στρόφαλου.

2- Πολλαπλοί κινητήρες επέκτασης

Ένας άλλος τύπος ατμομηχανής χρησιμοποιεί αρκετούς κυλίνδρους απλής δράσης που αυξάνουν προοδευτικά τη διάμετρο και την κίνηση του.

Ο ατμός υψηλής πίεσης από τον λέβητα χρησιμοποιείται για την κίνηση του πρώτου εμβόλου μικρότερης διαμέτρου προς τα κάτω.

Στην προς τα άνω κίνηση, ο μερικώς διογκωμένος ατμός οδηγείται σε έναν δεύτερο κύλινδρο ο οποίος αρχίζει την προς τα κάτω κίνηση του.

Αυτό δημιουργεί μια πρόσθετη επέκταση της σχετικά υψηλής πίεσης που απελευθερώνεται στον πρώτο θάλαμο.

Επίσης, ο ενδιάμεσος θάλαμος εκκενώνεται στον τελικό θάλαμο, ο οποίος με τη σειρά του απελευθερώνεται σε έναν συμπυκνωτή. Μια τροποποίηση αυτού του τύπου κινητήρα ενσωματώνει δύο μικρότερα έμβολα στον τελευταίο θάλαμο.

Η ανάπτυξη αυτού του τύπου κινητήρα ήταν σημαντική για τη χρήση του σε ατμοφόρα αγγεία, αφού ο συμπυκνωτής, όταν ανακτούσε ένα κομμάτι δύναμης, μετέτρεψε τον ατμό πίσω στο νερό για επαναχρησιμοποίηση στον λέβητα.

Οι χερσαίοι ατμοκινητήρες θα μπορούσαν να εξαντλήσουν μεγάλο μέρος του ατμού τους και να γεμίσουν με πύργο γλυκού νερού, αλλά στη θάλασσα αυτό δεν ήταν δυνατό.

Πριν και κατά τη διάρκεια του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου, ο κινητήρας επέκτασης χρησιμοποιήθηκε σε θαλάσσια οχήματα που δεν έπρεπε να κινούνται με μεγάλη ταχύτητα. Ωστόσο, όταν απαιτείται μεγαλύτερη ταχύτητα, αντικαταστάθηκε από τον ατμοστρόβιλο.

3- Ομοιόμορφο μοτέρ ροής

Ένας άλλος τύπος μηχανής με έμβολα είναι ο κινητήρας ροής ή ομοιόμορφου ροής. Αυτός ο τύπος μηχανής χρησιμοποιεί ατμό που ρέει μόνο προς μία κατεύθυνση σε κάθε μισό του κυλίνδρου.

Η θερμική απόδοση επιτυγχάνεται με τη διαβάθμιση της θερμοκρασίας κατά μήκος του κυλίνδρου. Ο ατμός εισέρχεται πάντοτε μέσω των θερμών άκρων του κυλίνδρου και εξέρχεται μέσω των ανοιγμάτων στο κέντρο του ψυγείου.

Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα τη μείωση της σχετικής θέρμανσης και ψύξης των τοιχωμάτων του κυλίνδρου.

Στους κινητήρες που εκτοξεύονται, η είσοδος του ατμού ελέγχεται συνήθως με βαλβίδες κορμού (οι οποίες λειτουργούν όμοια με εκείνες που χρησιμοποιούνται σε μηχανές εσωτερικής καύσης) οι οποίες κινούνται από έναν εκκεντροφόρο.

Οι βαλβίδες εισαγωγής ανοίγουν για να δέχονται ατμό όταν επιτυγχάνεται ο ελάχιστος όγκος διαστολής κατά την έναρξη της κίνησης.

Σε μια συγκεκριμένη στιγμή της επιστροφής του στρόφαλου, ο ατμός εισέρχεται και η είσοδος του καλύμματος είναι κλειστή, επιτρέποντας τη συνεχή διαστολή του ατμού, ενεργοποιώντας το έμβολο.

Στο τέλος της κίνησης, το έμβολο θα ανακαλύψει έναν δακτύλιο των οπών εξαγωγής γύρω από το κέντρο του κυλίνδρου.

Αυτές οι οπές συνδέονται με τον συμπυκνωτή, μειώνοντας την πίεση στο θάλαμο προκαλώντας γρήγορη απελευθέρωση. Η συνεχής περιστροφή του στρόφαλου είναι αυτό που κινεί το έμβολο.

4- Ατμοστρόβιλοι

Οι ατμοστρόβιλοι υψηλής ισχύος χρησιμοποιούν μια σειρά περιστρεφόμενων δίσκων που περιέχουν ένα είδος πτερυγίων τύπου έλικας στην εξωτερική τους άκρη.

Αυτοί οι κινητοί δίσκοι ή δρομείς εναλλάσσονται με ακίνητους δακτυλίους ή στάτορες, στερεωμένους στη δομή του στροβίλου για να ανακατευθύνουν τη ροή του ατμού.

Λόγω της υψηλής ταχύτητας λειτουργίας, τέτοιοι στρόβιλοι συνδέονται κανονικά με ένα μειωτήρα για να οδηγήσουν έναν άλλο μηχανισμό, όπως η έλικα του πλοίου..

Οι ατμοστρόβιλοι είναι πιο ανθεκτικοί και απαιτούν λιγότερη συντήρηση από τις μηχανές εμβόλων. Παράγουν επίσης πιο μαλακές δυνάμεις περιστροφής στον άξονά τους εξόδου, γεγονός που συμβάλλει στη μείωση των απαιτήσεων συντήρησης και στη μείωση της φθοράς.

Η κύρια χρήση ατμοστρόβιλων είναι στους σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής όπου η υψηλή ταχύτητα λειτουργίας τους αποτελεί πλεονέκτημα και ο σχετικός όγκος τους δεν αποτελεί μειονέκτημα.

Χρησιμοποιούνται επίσης σε θαλάσσιες εφαρμογές, ενισχύοντας μεγάλα σκάφη και υποβρύχια. Ουσιαστικά όλοι οι πυρηνικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής παράγουν ηλεκτρική ενέργεια με θέρμανση του νερού και τροφοδοσία ατμοστρόβιλων.

5- Κινητήρες προώθησης

Υπάρχει ένας υποβρύχιος κινητήρας πρόωσης που χρησιμοποιεί ατμό υψηλής πίεσης για να αντλεί νερό μέσω μιας πρίζας μπροστά και να το εκτοξεύει με μεγάλη ταχύτητα μέσω της πλάτης.

Όταν ο ατμός συμπυκνώνεται στο νερό, δημιουργείται ένα κρουστικό κύμα που αποβάλλει το νερό από πίσω.

Για να βελτιωθεί η απόδοση του κινητήρα, ο κινητήρας αντλεί αέρα μέσα από ένα άνοιγμα μπροστά από τον πίδακα ατμού, ο οποίος δημιουργεί φυσαλίδες αέρα και αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ο ατμός αναμιγνύεται με νερό.

Αναφορές

1. Marshall Brain (2017). "Πώς λειτουργούν οι Ατμομηχανές". Ανακτήθηκε στις 14 Ιουνίου 2017 στο science.howstuffworks.com.
2. Νέα παγκόσμια εγκυκλοπαίδεια (2015). "Ατμομηχανή". Ανακτήθηκε στις 14 Ιουνίου 2017 στο newworldencyclopedia.org.
3. SOS παιδιά (2008-2009). "Ατμομηχανή". Ανακτήθηκε στις 14 Ιουνίου 2017 στο cs.mcgill.ca.
4. Woodford, Chris (2017). "Ατμομηχανές" Ανακτήθηκε στις 14 Ιουνίου 2017 στο explainthatstuff.com.