ما هي قصة اختراع المحرك البخاري؟
السيرة الشخصية لمخترع المحرك البخاري جيمس وات

كان أحد أهم التحديات الصناعية في القرن الثامن عشر هو إزالة المياه من المناجم، تمّ استخدام البخار لضخ المياه من المناجم، الآن قد يبدو أنّ هذا ليس له علاقة كبيرة بمحطات الطاقة الكهربائية الحديثة التي تعمل بالبخار، ومع ذلك فإنّ أحد المبادئ الأساسية المستخدمة في تطوير الطاقة القائمة على البخار هو مبدأ أنّ تكثيف بخار الماء يمكن أن يخلق الفراغ.

 

في الماضي تمّ استخدام التكثيف لإنشاء فراغ لتشغيل المضخات البخارية المبكرة، على الرغم من أنّ العمليات الدورية المقدمة لم تُستخدم في التوربينات البخارية ذات التدفق المستمر.

 

ما هي قصة اختراع المحرك البخاري؟

 

كانت إحدى الطرق الشائعة لإزالة الماء هي استخدام سلسلة من الدلاء على نظام بكرة تديره الخيول، كان هذا بطيئًا ومكلفًا لأنّ الحيوانات كانت تتطلب تغذية ورعاية بيطرية ومسكنًا، حصل توماس سافري على براءة اختراع لاستخدام البخار في ضخ المياه في عام 1698م، ووفّر على حد قوله “محركًا لرفع المياه بالنار”، عملت مضخة (Savery) عن طريق تسخين المياه لتبخيرها، وملء الخزان بالبخار ثمّ إنشاء فراغ عن طريق عزل الخزان عن مصدر البخار وتكثيف البخار، تمّ استخدام الفراغ لسحب المياه من المناجم، ومع ذلك يمكن للفراغ سحب الماء فقط من الأعماق الضحلة، كان عيب المضخة هو استخدام ضغط البخار لطرد المياه التي تمّ سحبها إلى الخزان.

 

أجرى الحداد توماس نيوكمان (1663م – 1729م)، التجارب لمدة 10 سنوات لتطوير أول محرك بخاري ناجح حقًا لتشغيل مضخة لإزالة المياه من المناجم، أعاقت براءة اختراع (Savery) الواسعة قدرته على بيع المحرك، اضطر إلى إنشاء شركة مع (Savery)، على الرغم من تحسن أداء محركه، والاختلافات الميكانيكية الكبيرة، والقضاء على الحاجة إلى ضغط البخار، واستخدام الفراغ بطريقة مختلفة تمامًا، كان يطلق على محركه اسم المحرك “الجوي” لأنّ أكبر ضغط بخار يستخدم بالقرب من الضغط الجوي.

 

يتكون المحرك البخاري من مكبس وأسطوانة بخارية تقوم بتحريك شعاع خشبي كبير لتشغيل مضخة المياه، المحرك لا يستخدم ضغط البخار لدفع مكبس البخار لأعلى، بدلاً من ذلك تمّ إنشاء النظام بحيث تكون الحزمة أثقل على جانب المضخة الرئيسي، وتسحب الجاذبية جانب المضخة الرئيسي من الحزمة، يتم إضافة الأوزان إلى جانب المضخة الرئيسي إذا لزم الأمر، تقوم المضخات بطرد الماء عند ضربة مكبس المضخة لأعلى، بالاتفاق مع المضخات المستخدمة في المعدات في ذلك الوقت، لسحب الماء إلى المضخة الرئيسية على الجانب الأيمن من المحرك، يتم ملء الأسطوانة الموجودة أسفل مكبس البخار أولاً ببخار الضغط الجوي ثم يتم رش الماء في الأسطوانة لتكثيف البخار.

 

يؤدي اختلاف الضغط بين الغلاف الجوي والفراغ الناتج إلى دفع مكبس البخار لأسفل، وسحب مكبس المضخة الرئيسية لأعلى، ورفع الماء فوق مكبس المضخة الرئيسية وملء غرفة المضخة الرئيسية السفلية بالماء، في الجزء السفلي من شوط مكبس البخار، يفتح صمام المحرك لإعادة أسطوانة البخار إلى الضغط الجوي، وتنحدر الحزمة على اليمين عن طريق الجاذبية، مما يسمح للمكبس الرئيسي بالسقوط، عندما يسقط المكبس الرئيسي، يمر الماء من أسفل المكبس إلى الغرفة فوق المكبس، ثمّ يدخل بخار الضغط الجوي إلى أسطوانة البخار.

 

كان محرك (Newcomen) أفضل تقنية لمدة 60 عامًا، تمّ استخدام بعض محركات (Newcomen) لفترة أطول، على الرغم من أنّها كانت أدنى بكثير من محركات (Watt) التي تلت ذلك، كانت محركات (Newcomen) غير فعالة للغاية، أدرك المستخدمون مقدار الطاقة المطلوبة، تمّ تسخين وتبريد أسطوانة البخار بشكل متكرر، مّما أدى إلى إهدار الطاقة لإعادة تسخين الفولاذ، وتسبب أيضًا في ضغوط حرارية كبيرة، حقق جيمس وات (1736م – 1819م)، تطوراً مذهلاً باستخدام مكثف منفصل، اكتشف وات المكثف المنفصل في عام 1765م، استغرق الأمر 11 عامًا قبل أن يرى الجهاز في الممارسة العملية.

 

كان أكبر عائق أمام تنفيذ محرك وات هو تقنية صنع مكبس وأسطوانة كبيرة بتفاوتات قريبة بدرجة كافية بحيث تغلق فراغًا معتدلًا، تحسنت التكنولوجيا في نفس الوقت الذي وجد فيه وات الدعم المالي الذي يحتاجه من خلال شراكة مع ماثيو بولتون، محرك (Watt)، مثل محرك (Newcomen)، يقوم على مبدأ فرق الضغط الناتج عن فراغ على جانب واحد من المكبس لدفع مكبس البخار لأسفل، ومع ذلك ظلت أسطوانة البخار الخاصة بـ (Watt) ساخنة في جميع الأوقات، سمحت الصمامات للبخار بالتدفق إلى مكثف منفصل ثمّ تمّ ضخ المكثف مع أي غازات باستخدام مضخة الهواء.

 

نجح وات وبولتون في تطبيق محركهما على ضخ المياه، كان بولتون صناعيًا ذا رؤية عظيمة، واستغل الفرصة لتطبيق المحرك على صناعات أخرى، عند تحريك المحرك البخاري إلى الداخل، أصبح الجهاز مفيدًا لتشغيل المطاحن ومصانع
النسيج
، السلسلة التي ربطت المكبس بالحزمة في المحركات السابقة قد تمّ استبدالها بآلية حركة موازية، أخبر وات ابنه أنّه كان فخوراً بهذا الاختراع أكثر من فخره بالمحرك نفسه، جعلت الآلية من الممكن للمكبس أن يعمل بحركة محاذاة تمامًا لأعلى أو لأسفل، المحرك البخاري يقوم بالعمل عن طريق الدفع لأعلى، الغلايات المستخدمة لهذا الجهاز هي أيضًا غلايات الضغط الجوي.

 

السيرة الشخصية لمخترع المحرك البخاري جيمس وات:

 

ولد جيمس وات عام 1736م، في جرينوك
باسكتلندا
، كان جيمس طفلًا نحيفًا ضعيفًا يعاني من الصداع النصفي وآلام الأسنان، استمتع بالرياضيات في المدرسة النحوية، وتعلم النجارة أيضًا من والده، كان والده نجارًاوبنى أي شيء من الأثاث إلى السفن ولكنه عمل في المقام الأول في بناء السفن، تعرف وات على المساعدات الملاحية على متن السفن، الأرباع، البوصلات، التلسكوبات، في منتصف سنه كان يعلم أنّه يريد أن يصبح صانع آلات، كان والد وات قد خسر للتو استثمارًا كبيرًا بسبب غرق سفينة، وكان بإمكانه رؤية فوائد مهنة أخرى، لذلك كان داعمًا لطموحات وات، لسوء الحظ  لم تكن هناك فرص للتدريب على الآلات في مدينة (Greenock).

 

في عام 1754م، ذهب وات إلى جلاسجو باسكتلندا وتعرف على روبرت ديك من خلال أحد أقاربه الذي عمل في جامعة جلاسكو، أعجب روبرت ديك بمهارات وات الأساسية في صناعة الآلات الموسيقية، شجع ديك وات على الذهاب إلى
لندن
للتدريب، قضى وات أسبوعين في لندن بحثًا عن فرصة للتدريب المهني، ومع ذلك قام صانعو الأدوات بحماية تجارتهم بقواعد، لم يتبع جون مورغان، صانع الآلات في قلب لندن، القواعد دائمًا ووافق على اتخاذ وات كمتدرب على شروط الأجر القليل، أدرك مورغان قدرات وات، ووافق على جعل فترة التدريب المهني إلى سنة واحدة.

 

أخذ وات العرض في عام 1755م، في غضون شهرين تجاوزت قدرات وات قدرات المتدرب الرسمي لمورغان، الذي كان هناك لمدة عامين، كان وات حريصًا على حشد عدة سنوات من
التدريب
في سنة واحدة، وعمل لمدة 10 ساعات في ورشة العمل الباردة، وعمل مقابل مبلغ نقدي بسيط، وتدهورت صحته خلال هذا الوقت، كانت بريطانيا في حالة حرب مع فرنسا، وكان الجيش يجبر أي رجل قادر على العمل في للالتحاق بالجيش، تجنب وات الشوارع لهذا السبب، أنهى وات سنته التدريبية بنجاح، لكن صحته انهارت بعد ذلك مباشرة تقريبًا.

 

عاد وات إلى غلاسكو عام 1756م، وهو مدرب صانع آلات، علم معارفه في جامعة غلاسكو بعودته، وقدموا له بعض الأعمال، أنشأ وات متجره، لكنه وجد أنّ صانعي الأدوات الآخرين تجنبوا أوراق اعتماده وتدريبه، كان دخيلاً في غلاسكو بعد أن تدرب في لندن، أدرك أساتذة الجامعة قدراته، ولم يحتاجوا إلى التقيد بتقاليد صانعي الأدوات، لقد رتبوا للحصول على إذن لإنشاء متجر لـ (Watt) على أرض الجامعة وأنشأوا منصب “صانع الآلات الرياضية للجامعة”، حتى مع منصب وات الجديد، كان وات لا يزال يواجه صعوبة في العثور على عمل كافٍ لأنّ صانعي الأدوات الآخرين كانوا معاديين له، بدأ في صنع الآلات
الموسيقية
لتجنب المنافسة.

 

في عام 1758م، قدّم له مهندس معماري الدعم لفتح متجر جديد في قلب مدينة جلاسكو، نمت أعماله وسمعته بشكل واسع وبحلول عام 1763م، كان لديه متدربين خاصين به، كان (Watt) دائمًا يعمل من علماء الجامعة، كان البروفيسور جون أندرسون هو الأخ الأكبر لرفيق مدرسة القواعد، ذات يوم في عام 1763م، جلب البروفيسور جون أندرسون مشكلة جديدة إلى وات، كان لدى الجامعة نموذج مختبري لمضخة (Newcomen) للتحقيق في سبب احتياج
المضخات
واسعة النطاق إلى الكثير من البخار.

 

عانى النموذج من مشكلة وكان سيتوقف بعد بضع ضربات، أدرك وات أنّ الخلل كان ناتجًا عن غلاية صغيرة الحجم لا يمكنها توفير بخار كافٍ لإعادة تسخين الأسطوانة بعد بضع ضربات، أثناء استكشاف الأخطاء وإصلاحها للنموذج المختبر، اكتشف وات السبب الرئيسي لاستهلاك المحركات كاملة الحجم لمثل هذه الكميات الهائلة من البخار، ومع ذلك فإنّ تنفيذ الحل لم يأت بسهولة، كان مضخات (Newcomen) تتطلب كميات هائلة من البخار حيث تمّ تبريدها خلال كل تمريرة، ثم إعادة تسخينها، احتاج واط إلى طريقة لتكثيف البخار دون تبريد الأسطوانة.

 

قلب وات المشكلة في رأسه لأشهر وأجرى العديد من التجارب، لقد تعلم الكثير عن خصائص البخار، واكتشف بشكل مستقل حرارة التبخر الكامنة في تجاربه، قام أيضًا بجدولة ضغط بخار الماء عند درجات حرارة مختلفة، اكتشف وات أنّه باستخدام مكثف منفصل، يمكن أن تتم عملية التكثيف باستمرار ويمكن تفريغ أسطوانة البخار بينما تظل ساخنة، سوف يندفع البخار إلى المكثف حيث يكون الضغط مساويًا تقريبًا لضغط بخار الماء، صنع وات مكبسًا مؤقتًا ومكثفًا باستخدام حقنة نحاسية، ملأ الحقنة بالبخار ثمّ قام بضخ
الهواء
.

 

جون روبوك، رجل صناعي ولديه عقود إيجار لرواسب
الفحم
، وافق روبوك على دعم تطوير محرك وات بعد أن رأى النموذج يعمل، كرس وات الكثير من الوقت لاستكشاف الأخطاء وإصلاحها وتطوير نموذج كامل الحجم، لم يوظف روبوك ميكانيكيين من ذوي الخبرة التي يتطلبها مشروع وات، كان وات نفسه صانع أدوات من الدرجة الأولى، لكنه لم يكن مناسبًا لإدارة طاقم العمل لتشغيل المضخة، كانت التجارب بطيئة ومكلفة، كانت الصعوبة الأكبر هي الحفاظ على الختم على المكبس الكبير، في محرك (Newcomen)، تمّ صنع المكبس والأسطوانة من
الحديد
الزهر ولم يكن المكبس ساخنًا، وكانت الملاءمة رديئة الجودة للغاية، كان مثل هذا الحل غير مقبول مع تصميم وات حيث كان من المقرر الحفاظ على المكبس ساخنًا.

 

كان وات يعاني من ديون ضخمة، وكان روبوك داعمًا لوات وشجعه على مواصلة العمل في المضخة، كان (Watt) قادرًا على الحصول على محرك كبير يعمل بشكل جيد بما يكفي للتقدم بطلب للحصول على براءة اختراع، وموّل (Roebuck)
براءة اختراع
المحرك التي تم منحها في عام 1769م، في المقابل وافق (Roebuck) على سداد جميع ديون (Watt) لمتاجر الأدوات الخاصة به، لكنه سيأخذ اثنين ثلث المال الذي صنعه الاختراع، وجد وات هذه الاتفاقية مقبولة لأنّ التجارب الكبيرة كانت بطيئة ومكلفة.