Önemli İcatlar - Buhar Motoru (Buhar Makinesi)

Buhar Makinesi

Yer yüzeyinde, buhar halinde bir damla su, sıvı hale oranla 1 700 kat daha büyük bir hacim kaplar; bu genişlemeden doğan kuvvet teknik alanda, sanayide ve denizcilikte devindirici güç olarak kullanılır.

100°C'ta su buharı, sıvı yüzeyine 1 barlık bir basınca eşdeğer ağırlık uygulayan hava kütlesinin yükselmesine yol açar. Buharın esnek kuvveti, sıcaklıkla birlikte hızla artar.

Buhar makinesinin yapımı, XVII. yy.'ın ilk yarısında Galilei, Torricelii, Otto von Guericke ve Pascal'ın çalışmalarıyla fizikte sağlanan gelişmelerin bir sonucudur: atmosfer basıncını tanıma, sıvı fazla gaz fazı arasındaki hal değişimlerinde ısının rolü vb. Huygens’in öğrencisi Deniş Papin, bu olanakları, iki farklı yönde kullandı: Papin önce düdüklü tencerenin atası sayılan ve aynı zamanda yüksek basınçlı bir kazan oluşturan, basınçlı tenceresini yaptı; sonra buharın yoğuşumu sonucunda doğan vakumdan yararlandı ve böylece bir pistonu bir silindir içinde devindiren ilk kişi oldu. Savery'nin yaptığı (1698) ve günümüz pülsometresinin ilk örneği sayılan yükseltici makine uygulamada iyi bir sonuç vermedi. Buhar makinesinin san'ayide kullanımı, 1712’de İngiliz Thomas Newcomen ile başladı. Newcomen, buharın yoğuşmasını silindir içine su püskürterek sağlıyordu; bu ise önemli ısı kayıplarına yol açıyordu. Bu nedenle James Watt bu eksikliği gidermek için 1765 ile 1766 arasında ayrı kondansörlü bir makine geliştirmeye çalıştı; sonuçta yakıt tasarrufu yaklaşık % 75'e ulaştı. Çabalarını sürdüren Watt, basit etkili bu makineyi, sanayide çok sayıda uygulama alanı bulan çift etkili makineye dönüştürdü. 1783’te Jouffroy d'Abbans, Lyon'da Saöne nehri üzerinde başarılı bir buharlı gemi deneyi gerçekleştirdi; 1807'de ABD’de, amerikalı Fulton buharlı gemiyle ilk düzenli seferleri hizmete soktu. Buharlı lokomotif yapımını sağlayan borulu kazanı ise hemen hemen aynı dönemde Fransa ve İngiltere’de Marc Seguin ve Stephenson kullandı; Stephenson 1829’da Rocket adlı lokomotifiyle yüksek hızlı ilk makineyi gerçekleştirdi (56 km/sa).

Bir buhar makinesini besleyen buhar, “kazan" denen bir üreteçte üretilir; sonra, buhar gerçek anlamıyla motorda kullanılır ve nihayet atmosfere atılır ya da bir kondansör'e gönderilir. Emmeyi ve egzozu ayarlayan organların tümü, buhar dağıtımını sağlar.

Kazandan gelen basınçlı buhar gerek doğrudan almaşık devinimli pistonlu motorlarda, gerekse dolaylı olarak kinetik enerjiye dönüştürüldükten sonra buhar türbinlerinde kullanılır. Kazanların gelişimi, yüksek sıcaklıkta buhar kullanan yüksek basınçlı makinelerin yapımını sağladı. 1900'de kazanların güvenlik basınçları 8-10 bardan, 125 barı aşan bir düzeye çıktı. Kazandan çıkan gazların ısısını kullanan ekonomizörler ve ızgaraların altına sıcak hava üfleyen hava ısıtıcılar'ı geliştirildi. Mekanik ızgaraların, üfleme sisteminin, arıtmanın, denetim aygıtlarının yaygınlaşması, sanayide kullanılan kazanların verimini çok büyük ölçüde artırdı. En yüksek verimlere, kazanlarda ocağın yerini alan bir brülöre basınçlı havayla toz kömür püskürterek ve yapay çekme uygulayarak ulaşıldı.

• Almaşık devinimli buhar makineleri. Bu makineler, Watt'tan sonra ancak yüzyıl süren bir evrim sonucunda, yani 1880’e doğru aşağıdaki bütün temel özelliklerini kazandı: buhar girişinin erken kapanmasıyla bir tek silindirde ya da art arda birçok silindirde genişleme; regülatörle buhar giriş süresini ayarlama; silindir çevresinde buhar zarfı kullanımı ve buharı kızdırma.
• Pistonlu makine. Yumuşak dökme demirden iki ya da üç segmanla donatılmış dökme demirden bir piston, iki ucu kapalı, sert dökme demirden bir silindir içinde devinir; piston kolu silindirin dibindeki bir salmastra'nın içinden geçer, bir kızak ve kızak yolları ile kılavuzlanır; piston kızağı biyel koluna, biyel de manivela muylusu' na eklemle bağlıdır; bir volan devinimi düzenler ve piston yolunun sonuna geldiğinde, her devirde iki kez oluşan ölü noktalardan geçişi sağlar.
• Teksilindirli makineler 90°'lik açı yapan iki dirsekli bir krank miline çoğu kez çift bağlanır; bu bağlama biçimi, biyellerin her konumunda makineye yol verme olanağı sağlar ve volana gerek kalmadan dönmeyi düzenler.
• Bileşik makineler. Potansiyel enerjisinin tümünden yararlanmak için, buhar art arda, çapları gittikçe artan iki ya da üç silindire gönderilir: böylece bölümlü, yani çift ya da üçlü bir genişleme elde edilir.
• Merkezi egzozlu makine'de, buhar silindirin alt bölümünden girer ve genişlemeden sonra pistonun ortasında açılmış pencerelerden çıkar; pencerelerin açılıp kapanmasını dağıtıcı işlevi üstlenen piston sağlar. Dolayısıyla buhar doğrultu değiştirmeden silindiri geçer; bu yüzden bu makinelere tekyönakışlı makineler denir.
• Salınan silindirli makineler'de, biyel yoktur ve piston çubuğu krank miline eklemle bağlanır. Bu sonucu elde etmek için silindirin orta kısmında bir dönme ekseni oluşturan iki muylu yer alır. Buhar giriş ve çıkışı bu muyluların içinde bulunan kanallarla sağlanır.

Bu motorlar yalnızca düşük güçler için elverişlidir. Az yer kaplarlar ve yapımı ekonomiktir, XIX. yy.'da çok büyük gelişme sağlayan almaşık devinimli buhar makineleri yavaş yavaş ortadan kalktı. Büyük güçler için, örneğin elektrik santrallarında bunların yerini buhar türbinleri aldı. Küçük ve orta boy sanayide ise içten yanmalı motorlar (özellikle diesel) ve özellikle elektrik motorları tercih edilmeye başlandı. Yalnızca özel hallerde, örneğin odun, kömür artıkları gibi ucuz yakıtlar bulunan ya da başka amaçlarla (ısıtma) buhar üretilen yerlerde, hala pistonlu buhar makinelerine rastlanır.

BAKINIZ
Önemli İcatlar - Lokomotif
Motor Nedir? Motor Teknolojisi

buhar makinesi

ısı aracılığıyla mekanik iş üreten, buhar gücüyle çalışan makine.

Buhar makinesinde, çoğunlukla bir buhar kazanından sağlanan sıcak buhar, basınç altında genleşir ve ısı enerjisinin bir bölümü işe dönüşür. Isının kalan bölümü dışarı atılabilir ya da makinede en yüksek verimi elde etmek amacıyla buhar, ayrı bir yoğunlaştırıcıda, görece düşük basınç ve sıcaklıkta yoğunlaştırılabilir. Yüksek verimlilik elde edebilmek için, makine içinde genleşen buharın bu işlem nedeniyle sıcaklığında ortaya çıkan düşüşün büyük olması gerekir. En yüksek verim, yani sağlanan ısıdan çıkartılabilecek en çok iş, kazanlarda yüksek basınç, yoğunlaştırıcılarda da düşük sıcaklık kullanarak elde edilebilir. Buhar, kazandan makineye giderken bir aşırıısıtıcıdan geçirilerek daha da ısıtılabilir. Bu tür bir aşırıısıtıcı, buhar kazanının ocağından gelen sıcak yanma gazları tarafından ısıtılan, ızgaralar halinde düzenlenmiş bir grup paralel borudan oluşur. Aşırıısıtıcılardan geçirilen buhar, suyun kaynatılması yoluyla üretilirken ulaştığı sıcaklığın çok üstündeki sıcaklıklara kadar ısıtılabilir.

Alternatif piston hareketli buhar makinelerinde basınç altındaki buhar bir supap mekanizmasıyla silindire verilir ve burada genleşerek pistonu iter; çoğunlukla bir volanın krankına bağlı olan piston böylece bir dönme hareketi yaratır. Çift etkili makinede buhar kazanından gelen buhar, pistonun her iki ucuna dönüşümlü olarak verilir. Basit bir buhar makinesinde buhar, yalnızca bir silindir içinde genleşir, oysa çok genleşmeli (kompaund) makinede buharı daha çok genleştirebilmek ve daha yüksek verim elde etmek amacıyla giderek büyüyen boyutlarda iki ya da daha çok silindir bulunur. Birinci ve en küçük piston, yüksek basınçlı ilk buharla, ikinci piston ise birinciden çıkan daha düşük basınçlı buharla çalışır.

Buhar türbinlerinde ise memelerden yüksek hızlarda püskürtülen buhar, bir dizi sabit ve hareketli kanada çarparak bir rotorun yüksek hızlarda dönmesini sağlar. Alternatif hareketli buhar makinelerine oranla daha sağlam olan buhar türbinleri, aynı zamanda daha yüksek sıcaklıklara ve daha büyük genleşme oranlarına ulaşılmasını olanaklı kılar. Türbin (Bakınız Türbin ve Kullanım Alanları), tüm dünyada buhardan bol miktarlarda elektrik enerjisi elde etmekte en yaygın olarak kullanılan araçtır.

İlk buhar makineleri

1. yüzyılda İskenderiyeli Heron tarafından geliştirilen aeolipil türünden çeşitli bilimsel aygıtlardı, ama 17. yüzyıla değin buharın uygulamaya yönelik amaçlarda kullanılmasına ilişkin önemli bir gelişme olmadı. 1698’de Thomas Savery, maden ocaklarında yoğunlaşan buharın ürettiği suyu emme yoluyla dışarı atmak amacıyla, valfları elle çalıştırılan bir pompa yaptı. 1712’de ise bir başka İngiliz mucit, Thomas Newcomen, yoğunlaşan buharın bir piston aracılığıyla sudan ayrıldığı daha verimli bir buhar makinesi geliştirdi. 1765’te James Watt, Newcomen’in makinesine ayrı bir yoğunlaştırıcı ekleyerek pistonun her ileri-geri hareketinde silindirin ısınıp soğumasını engellemeyi başardı. Watt daha sonra, pompayı basitçe aşağı-yukarı hareket ettirmek yerine bir mili döndüren yeni bir makine geliştirdi ve pratik bir enerji düzeneği yaratmaya yönelik birçok başka yenilik getirdi.
1769’da Fransız mühendis Nicholas-Joseph Cugnot, karayolunda kullanılmak üzere hantal bir buharlı araç geliştirdi.

İngiliz mucit Richard Trevithick, ilk kez buharlı bir aracı raylar üzerinde denedi; 1803’te de buharlı bir lokomotif yaparak aracını Şubat 1804’te Galler’de bir atlı tramvay yolu üzerinde başarıyla kullandı. İngiliz mühendis George Stephenson’ın 1829’da yaptığı “Rocket”le birlikte buhar makinelerinin demiryollarında kullanımı başladı. Pratik kullanıma uygun ilk buharlı gemi, 1802’de William Symington tarafından geliştirilen ve İskoçya’daki Forth and Clyde Kanalı’nda denenen “Charlotte Dundas” adlı römorkördü. 1807’de ise ABD’li Robert Fulton buhar makinesiyle çalışan ilk yolcu gemisini yaptı.

Özitmeli araçlarda kullanılan buhar makineleri bir süre sonra yerlerini içten yanmalı motorlara bıraktıysa da, 20. yüzyılın ikinci yarısında ortaya çıkan hava kirliliği sorunu nedeniyle yeniden ilgi duyulan araçlar durumuna geldiler.