Ατμομηχανή
Ατμομηχανή
- Μία μηχανή.
Ετυμολογία[]
Η ονομασία "Ατμομηχανή" σχετίζεται ετυμολογικά με την λέξη "μηχανή".
Ιστορία[]
Μηχανή Ήρωνα[]
Ήδη από την Ελληνιστική Εποχή ήταν γνωστή η δυνατότητα αξιοποίησης του ατμού για άσκηση επιδράσεων. Πρωτοπόρος σε αυτή την προσπάθεια ήταν ο Αλεξανδρινός Ήρων, ο οποίος είχε κατασκευάσει ατμοκίνητους μηχανισμούς για εντυπωσιασμό, διασκέδαση και προβληματισμό.
Η ανάγκη για χρήση του ατμού σε παραγωγικές διαδικασίες δεν φαίνεται όμως να απασχολούσε τους ερευνητές, αφ ενός γιατί η συστηματική παραγωγή αφορούσε περιορισμένο αριθμό προϊόντων, αφ ετέρου γιατί το σχεδόν μηδενικό κόστος της εργασίας που προσέφεραν οι δούλοι, αποτελούσε αντικίνητρο για αναζήτηση άλλων λύσεων.
Στους επόμενους αιώνες οι ιδέες του Ήρωνα και των άλλων ερευνητών της Ελληνιστικής Εποχής δεν αξιοποιήθηκαν, τόσο λόγω του αντι-επιστημονικού πνεύματος που επικρατούσε σε Ανατολή και Δύση, όσο και λόγω της συνεχιζόμενης έλλειψης οικονομικών κινήτρων για κατασκευή μηχανών, με τις οποίες θα γινόταν υποκατάσταση της απαιτούμενης δύναμης του ύδατος, του αέρα, των ανθρώπων και των ζώων στις παραγωγικές διαδικασίες.
Μηχανή Papin[]
Η πρώτη αλλαγή ήρθε στο τέλος του 17ου αιώνα, συγκεκριμένα το 1690, οπότε κατασκεύασε ο Denis Papin (Παπέν, 1647 - 1713) μία ατμομηχανή, η οποία ονομάστηκε αργότερα ατμοσφαιρική.
Ισχυρό κίνητρο για την κατασκευή αυτής της μηχανής ήταν οι ανάγκες για κινητήρια δύναμη με στόχο την άντληση των υπόγειων υδάτων από τις στοές των ορυχείων.
Η λειτουργία της μηχανής του Papin είναι για τις σημερινές αντιλήψεις απλοϊκή:
Σε ένα κύλινδρο που περιορίζεται από ένα έμβολο υπάρχει ύδωρ, το οποίο θερμαίνεται μέχρι να εξατμισθεί. Η πίεση του ατμού ωθεί το έμβολο και έτσι εκδιώκεται ο ατμοσφαιρικός αέρας.
Τότε ψύχεται ο κύλινδρος εξωτερικά με κρύο νερό, οπότε ο ατμός συμπυκνώνεται σε νερό και μειώνεται ο όγκος του κατά περίπου 1.000 φορές.
Στο χώρο αυτό προκύπτει έτσι ένα κενό, το οποίο καλύπτει ο ατμοσφαιρικός αέρας, πιέζοντας το έμβολο προς την άλλη κατεύθυνση.
Τελικά, σε αυτή τη διαδικασία δεν αξιοποιείται η πίεση του ατμού για την παραγωγή έργου, αλλά αυτή του ατμοσφαιρικού αέρα, για αυτό και της αποδόθηκε χαρακτηρισμός "ατμοσφαιρική".
Αυτή η ατμομηχανή είχε ένα σημαντικό μειονέκτημα: Έπρεπε ο ατμός που είχε θερμανθεί ήδη σε υψηλές θερμοκρασίες να ψυχθεί και συμπυκνωθεί για να δημιουργηθεί κενό, πράγμα που σημαίνει σημαντικές ενεργειακές απώλειες. Αν μελετήσει κανείς συστηματικά το ισοζύγιο ενεργειών σε κάθε φάση λειτουργίας αυτής της ατμομηχανής, κάτι που δεν επέτρεπαν ακόμα οι επιστημονικές γνώσεις των αρχών του 18ου αιώνα, θα διαπιστώσει ότι η μηχανή του Papin έχει ασήμαντο βαθμό αποδόσεως, άρα είναι περίπου άχρηστη ως μηχανισμός παραγωγής έργου.
Μηχανή Newcomen[]
Μηχανή Newcomen.
– Steam is shown pink and water is blue.
– Valves move from open (green) to closed (red).
Ο Άγγλος μηχανικός Thomas Newcomen (Νιούκομεν, 1663-1729) βελτίωσε τις ατμομηχανές των Παπέν και Σέιβερυ, διαχωρίζοντας την παραγωγή ατμού από τον κύλινδρο εργασίας και τροποποιώντας την συμπύκνωση του ατμού με άμεσο καταιωνισμό με νερό.
Το έμβολο της ατμομηχανής συνδεόταν μέσω ισορροπημένου ζυγού (balancier) με το έμβολο της αντλίας. Το αντίβαρο του ζυγού βοηθούσε στην άνοδο του εμβόλου της ατμομηχανής, την ίδια στιγμή που άνοιγε στον πυθμένα του κυλίνδρου μία βαλβίδα, η οποία επέτρεπε την είσοδο ατμού χαμηλής πίεσης από το λέβητα. Μόλις το έμβολο έφθανε στο ανώτατο σημείο, έκλεινε αυτή η βαλβίδα και άρχιζε ο καταιωνισμός με κρύο νερό.
Κάτω από τον κύλινδρο προέκυπτε λοιπόν υποπίεση και ο ατμοσφαιρικός αέρας από πάνω ασκούσε δύναμη για κάθοδο του εμβόλου.
Για την άνοδο του εμβόλου έπρεπε να αποχετευθεί το ύδωρ συμπυκνώσεως και να εισέλθει ατμός υψηλής πίεσης.
Έτσι άρχιζε ο νέος κύκλος της λειτουργίας. Ο ζυγός στην ατμομηχανή του Newcomen έκανε ταλαντώσεις περί τις 12 φορές ανά λεπτό και με κάθε παλινδρόμηση ανέβαζε περίπου 50 λίτρα νερό σε ύψος επίσης 50 μέτρων.
Μηχανή Savery[]
Η ατμομηχανή του Savery χρησιμοποιήθηκε επίσης για την άντληση υδάτων σε ορυχεία, αλλά κυρίως για μικρές υψομετρικές διαφορές. Κύριο μειονέκτημά της ήταν ότι λειτουργούσε με πιέσεις 6-10 ατμοσφαιρών, πράγμα που ξεπερνούσε τις αντοχές των υλικών εκείνης της εποχής. Επειδή δε ο λέβητας της ατμομηχανής του Savery έπρεπε να βρίσκεται κάτω στο ορυχείο, ενώ στην περίπτωση του Newcomen ο λέβητας βρισκόταν στην επιφάνεια του εδάφους, γίνεται αντιληπτό ότι οι εκρήξεις που συνέβησαν σε λέβητες του Savery, είχαν τραγικά αποτελέσματα στο ανθρώπινο δυναμικό.
Η ατμοσφαιρική ατμομηχανή χρησιμοποιήθηκε για περίπου έναν αιώνα σε ορυχεία όλης της Ευρώπης για την άντληση υπόγειων υδάτων που πλημμύριζαν τις στοές, παρ' ότι ο βαθμός αποδόσεώς της παρέμενε ακόμα πολύ χαμηλός, περί το 1%.
Κατά το έτος 1733 λειτουργούσαν στην Αγγλία πάνω από 100 ατμοσφαιρικές ατμομηχανές, ενώ στη δεκαετία του 1760 πρέπει να λειτουργούσαν στην ηπειρωτική Ευρώπη περί τις 400.
Κύριος λόγος των υψηλών απωλειών ενέργειας (99%) ήταν η συνεχής εναλλαγή θέρμανσης και ψύξης του κυλίνδρου, διαδικασία που απαιτούσε μεγάλη ποσότητα καυσίμου.
Η μηχανή του Newcomen αποτελεί παρ' όλες τις ατέλειές της, την πρώτη ατμομηχανή και μπορούμε να θεωρήσουμε ότι με αυτή τη μηχανή έχουν τεθεί τα θεμέλια της εκμηχανισμένης παραγωγής.
Μηχανή Watt[]
Ο Σκώτος μηχανικός James Watt (Βατ, 1736-1819), ο οποίος εργαζόταν στη σχεδίαση και κατασκευή ανεμομύλων, ανέλαβε το 1763 να επιδιορθώσει μία ατμοσφαιρική ατμομηχανή. Έτσι είχε την ευκαιρία να μελετήσει τη λειτουργία της και να επιφέρει σ' αυτή διάφορες βελτιώσεις.
Κατ αρχήν διαχώρισε από τον κύλινδρο, πέρα από την παραγωγή ατμού που έκανε ήδη ο Newcomen, και την συμπύκνωση του ατμού. Ήδη με αυτή την επιλογή μειωνόταν η κατανάλωση καυσίμου στο ένα τρίτο του αρχικού.
Ο κύλινδρος μπορούσε έτσι να διατηρηθεί με ένα θερμαινόμενο (με ατμό) κάλυμμα σε υψηλή θερμοκρασία. Η σημαντικότερη βελτίωση προέκυψε όμως με την εγκατάλειψη από τον Watt της ατμοσφαιρικής πίεσης και αξιοποίησητης υψηλότερης πίεσης του ατμού.
Το 1776 παρουσίασε ο εφευρέτης την πρώτη βελτιωμένη ατμομηχανή του χαμηλής πίεσης και το 1782 την πρώτη μηχανή με διπλή δράση του ατμού στην κίνηση του εμβόλου. Αυτή η διπλή δράση προέκυπτε με τη σύνδεση, μέσω βαλβίδων, εναλλάξ του πάνω και κάτω τμήματος του κυλίνδρου με τον συμπυκνωτή.
Ο Watt συνεργάστηκε με τον οικονομικά ισχυρό βιομήχανο Matthew Bulton και πειραματιζόταν από το 1774 στο εργοστάσιο του δεύτερου, στο Soho του Birmingham. Η πρώτη μηχανή του Watt χρησιμοποιήθηκε επίσης για άντληση υδάτων από ορυχεία, οπότε η λειτουργία της συσχετιζόταν πάλι με την ύπαρξη του ζυγού και τα έμβολα της αντλίας, όπως κι εκείνη του Newcomen.
Η μελλοντική εξέλιξη[]
Για χρήση της ατμομηχανής σε παραγωγικές διαδικασίες ήταν απαραίτητη όμως η μετατροπή της παλινδρομικής κίνησης σε περιστροφική ενός άξονα, για την οποία απαιτείτο η χρήση ενός στρόφαλου.
Αλλά αυτό το εξάρτημα ήταν προστατευμένο με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας και για απόκτηση των δικαιωμάτων χρήσης του σε ατμομηχανή θα απαιτείτο η καταβολή υψηλών χρηματικών ποσών. Μέχρι το έτος 1794 που έληξε η ισχύς αυτού του δικαιώματος εισήγαγε ο Watt διάφορες βελτιώσεις στη μηχανή του, αξιοποιώντας και τον φυγοκεντρικό ρυθμιστή, με τη λειτουργία του οποίου παρέμενε περίπου σταθερός ο αριθμός στροφών της μηχανής.
Έτσι, ήδη από το έτος 1787, δύο έτη πριν εκσπάσει η Γαλλική Επανάσταση, ήταν διαθέσιμη μια κινητήρια μηχανή γενικής χρήσης, ανεξάρτητη από άπνοια και υδατοπτώσεις, ανεξάρτητη από κόπωση ανθρώπων και ζώων, μια μηχανή με υψηλή και σταθερή ισχύ και ένα αξιόλογο για την εποχή βαθμό αποδόσεως.
Η ατμομηχανή του Watt, αν και είχε ακόμα πολύ χαμηλό βαθμό αποδόσεως, περί το 7%, άνοιξε το δρόμο για τη μαζική παραγωγή προϊόντων και τη δημιουργία μεγάλων μονάδων παραγωγής, τα εργοστάσια.
Με αυτή τη μηχανή δημιουργήθηκαν επίσης οι προϋποθέσεις για την εγκατάσταση δικτύου σιδηροδρομικών και ατμοπλοϊκών μεταφορών και, μαζί με τις ηλεκτρογεννήτριες που εφευρέθηκαν μετά από αρκετές δεκαετίες, αποτέλεσαν τα πρώτα ηλεκτροπαραγωγά ζεύγη, με τα οποία τροφοδοτήθηκαν με Ηλεκτρική Ενέργεια οι πόλεις και οι βιομηχανίες.
Όλες αυτές οι καινοτομίες και άλλες δευτερεύουσες στον περίγυρο της ατμομηχανής άλλαξαν την οικονομία και την κοινωνία κατ αρχήν της Ευρώπης και στη συνέχεια του υπόλοιπου Κόσμου και θεμελίωσαν κατά τις επόμενες δεκαετίες τη βιομηχανική κοινωνία.
Υποσημειώσεις[]
Εσωτερική Αρθρογραφία[]
- μηχανή
- [[ ]]
Βιβλιογραφία[]
Ιστογραφία[]
 Κίνδυνοι Χρήσης
|
|---|
|
Αν και θα βρείτε εξακριβωμένες πληροφορίες "Οι πληροφορίες αυτές μπορεί πρόσφατα Πρέπει να λάβετε υπ' όψη ότι Επίσης, |
- Μην κάνετε χρήση του περιεχομένου της παρούσας εγκυκλοπαίδειας
αν διαφωνείτε με όσα αναγράφονται σε αυτήν
- Όχι, στις διαφημίσεις που περιέχουν απαράδεκτο περιεχόμενο (άσεμνες εικόνες, ροζ αγγελίες κλπ.)