Buhar makineleri, buharın içerisinde bulunan ısı enerjisini mekanik enerjiye dönüştüren ve dıştan yanmalı motor sınıfına giren makinelerdir. Bu makineler; buharlı gemiler, lokomotifler, endüstriyel devreler, pompalar ve buharlı traktörler olabilir. Buhar makinesi, basınç altında buhar üretebilmek için suyu kaynatabilecek bir kazana ihtiyaç duyar. Isı kaynaklarından herhangi biri kullanılabilir, ancak genellikle kömür, petrol ve odun türevi yakıtların yakılmasıyla elde edilen ateşler kullanılır. Bir buhar makinesinin çalışma prensibi şöyledir; ısı enerjisini alan su buharlaşır ve daha sonra genişleyerek bir odacığa aktarılır. Odacık soğutulunca, sıvı hale gelen buhar bir vakum oluşturur. Böylece mekanizmanın hareket alması ile işe yani mekanik enerjiye dönüşür.
Bilinen ilk buhar makinesi örneği, Heron’un (Mısırlı mühendis) 50 yıllarına doğru (1. Yüzyılın ortaları) Mısır İskenderiye’de, uçları birbirine göre ters yönleri gösteren iki eğilmiş tüpün yerleştirildiği oyuk bir küre yardımıyla yaptığı türbindir. Bu kürede su kaynatılınca, buhar borular vasıtasıyla dışarıya çıkıyor ve günümüzdeki etki tepki kanunu denilen olgunun sonucunda kürenin dönmesine yol açıyordu. Heron, motor ya da buharlı bir türbin icat etmesine rağmen halk arasında bir etki yaratamadığından, buluşu motor aygıtının icadı olarak değerlendirilmemiştir.
Buhar gücünün ilk yararlı uygulaması, Heron’un icadından sonra 1679 yılında Denis Papin (Fransız fizikçi) tarafından gerçekleştirildi. Papin, biriken buharın suyun kaynama noktasını arttırdığı ve içinde suyun kaynadığı, sıkıca kapanan bir kapağa sahip olan düdüklü tencereyi icat etmişti. Papin’in üzerinde durduğu şey, yüksek ısıda etin daha çabuk pişmesi ve kemiklerin yumuşamasıydı. Ayrıca, tencereye buhar basıncı çok yükselmesin diye bir de güvenlik vanası eklemişti.
İlk Buhar Makineleri ve Buharlı Makinelerin Gelişimi
Savery Makinesi: Thomas Savery (İngiliz mühendis), ticari olarak ilk kez satışı olan buhar makinesini 1698 yılında yapmıştır. Bu makine, suyu maden ocağından dışarı atmak maksadıyla kullanılmıştır. Savery’nin yaptığı bu makine, madencilerin arkadaşı olarak biliniyordu. Savery makinesi, buhar kazanından gelen buharın odacığa dolması şeklinde çalışıyordu. Odacık buharla doluyken, üzerine soğuk su dökülünce suya dönüşen buhar vakum yaratırdı. Bu sayede odacıktaki su seviyesi yükseliyordu.
Savery makinesinde, vana yardımıyla odaya buhar dolduğunda madenden su çekilmiş yani iş tamamlanmış oluyordu. Bu tür makinelerde vanaların insan gücüye açılıp kapatılması gerekmektedir. O zamanın teknolojisine göre güvenli bir biçimde kullanılacak bir makine değildi, çünkü yüksek basınçla çalışıyordu. Aynı zamanda gereken buharı oluşturmak için suyu ısıtmak amacıyla çok fazla yakıt gerekiyordu. Savery’nin bu makinesi verimi düşük olduğu için fazla kullanılmadı, ancak kendisinden sonra gelen makineler için örnek teşkil etti.
Newcomen Makinesi: Thomas Newcomen (İngiliz mühendis), 1712 yılında yeni bir buhar makinesi geliştirdi. Newcomen makinesinin Savery makinesine göre en önemli avantajı, pistonunun zincir yardımıyla, tahterevalliye benzeyen bir kaldıraca tutturulmuş olmasıydı. Kaldıracın öbür ucu ise bir çeşit tulumbaya bağlıydı. Piston silindirin en tepe noktasında iken, silindir içerisine aktarılan soğuk su, buharı yoğunlaştırıyordu. Bu sayede atmosferik bir basınç, pistona kuvvet uyguladığı zaman su madenden yükselmekteydi. Buhar pistona dolunca da bu işlem tekrar ediyordu. Aynı zamanda Savery makinesine göre daha az tehlike teşkil ediyordu. Buna rağmen Newcomen makinesi de istenilen verime ulaşamadı ve yakıt tüketimi yine azaltılamadı.
Watt Makinesi: Newcomen makinelerinden bir tanesi 1764 yılında bozuldu ve tamir edilmesi için James Watt’a (İskoçyalı mühendis) gönderildi. Makineyi tamir eden Watt, verimi düşük olan bu makineyi geliştirmek istedi. Arkadaşı olan Joseph Black’tan (İskoçyalı kimyacı) gizli ısıyı öğrenen Watt, aynı odanın devamlı olarak ısıtılıp soğutulması işleminin çok israflı bir durum olduğunu fark etti ve aklına iki tane oda yapma düşüncesi geldi. Odaların biri devamlı sıcak, diğeri ise devamlı soğuk kalacaktı. Buhar işini yaparken de sıcak odada duracaktı ve su haline dönüştürülmesi gerektiğinde supaplar yardımıyla soğuk odaya aktarılacaktı. 1781 yılına gelindiğinde makinesini iyice geliştiren Watt, pistonun ileri geri hareket ettiği ve bu hareketi bir tekerleğin dönme hareketine çeviren mekanik aletleri de yapmıştı. Makine tarihine ve makine mühendisliğine, Watt’ın katkıları büyük önem taşımaktadır.
Bunların dışında Charles Algernon Parsons (İngiliz mühendis) tarafından, 1884 yılında ilk başarılı buhar türbini yapılmıştır. Parsons’ın bu icadı, yüksek hızlı gemilerin yapımını ve jeneratörlerin kullanımını kolaylaştırmıştır. Buhar makinelerini iki ana başlıkta sınıflandırmak mümkündür. Bunlar;
1-) Uygulama alanlarına göre;
- Sabit (durağan) buhar makineleri
- Tersine hareket edebilen ve frekanslı duran basit uygulamalar
- Tersine hareket etmeye ihtiyacı olmayan, nadiren duran ve güç sağlayan motorlar (Değirmenler, fabrikalar ve termal güç istasyonları gibi)
- Araç motorları (buharlı gemi ve botlar, buharlı otomobil, buharlı lokomotif, buharlı traktör, buharlı yol silindiri ve buharlı iş makineleri)
2-) Teknoloji kullanımına göre;
- Türbinli buhar makineleri
- Pistonlu buhar makineleri
James Watt tarafından geliştirilmesine rağmen, buharlı makinelerin verimi %7’nin üzerine çıkamıyordu. Bu makinelerin verimini araştıran ilk kişi Nicolas Leonard Carnot’tur (Fransız fizikçi). Carnot, 1824’de yayımladığı bir kitabında (Ateşin Tahrik Kuvveti Üzerine) buhar makinesinin yüksek verimli olmasının, en soğuk halindeki su ile en sıcak halindeki buharın ısısı arasındaki farka bağlı olduğunu belirtti. İş ve ısının birbirine dönüşmesi durumunu ilk ele alan kişi Carnot olduğundan, Termodinamik biliminin kurucusu olarak kabul edilir.
Buharlı Ulaşım Araçları Nelerdir?
Buharlı Gemiler: Buharlı motorlar, 1787 yılına kadar sadece tekstil makinelerini ve su pompalarını çalıştırmak için kullanıldı. John Fitch (Amerikalı mucit) 22 Ağustos 1787’de Delaware Nehri’ne ilk vapuru indirmiştir. Bu sayede, bir süreliğine de olsa Trenton ve Philadelphia arasında düzenli olarak vapur yolculuğu yapıldı. Fitch buna rağmen ticari anlamda bir başarı kazanamadı. 1807 yılında ise başka bir Amerikalı mucit Robert Fulton, Clermont adını verdiği ve saatte 8 km hızla giden kırk metre uzunluktaki vapurları Hudson Nehri’nde işletmeye başlamıştır. Fitch’in aksine bu kez ticari başarı kazanıldığından, vapurların mucidi olarak Fulton kabul edilmiştir. 1809’da ise, Phoenix adlı gemi Moses Rogers komutasında okyanusa inen ilk buharlı vapur olmuştur.
1811 yılında New Orleans adlı gemi, Mississippi Nehri üzerinde işleyen ilk gemi ünvanına sahip oldu. 1819 yılında ise okyanusu aşan ilk gemi (Savannah), Georgia Savannah limanından Liverpool’a (İngiltere) 5,5 haftada ulaşmıştır. Savannah, buharlı bir gemi olarak kabul edilmedi, çünkü yolculuğun büyük bir bölümü yelkenlerin açılması ile tamamlanmıştı. Gemi pervanesinin ve türbinlerin 1827 yılında keşfedilmesi ile yan çarkın pervaneden daha etkili olduğu fark edildi ve gemi teknolojisi süratle gelişti.
Buharlı Lokomotifler: İlk yapılan buharlı motorların gemilerde kullanılmasının ardından, 1804’de Richard Trevithick, bir vagonun şasesi üstüne sabit bir buhar motoru yerleştirdi ve ilk buharlı lokomotifi icat etti. Lokomotifini, yaptığı özel bir yolda hareket ettirerek gösteri düzenledi, fakat bundan ticari bir gelir elde edemedi. 1825 yılında ise George Stephenson (İngiliz mucit), geliştirilmiş buharlı motorlardan yararlanarak, Rocket adını verdiği ilk buharlı lokomotifi yaptı.
Buharlı Otomobil: Buharlı otomobillerin bilinen ilk örneği, Nicolas Joseph Cugnot (Fransız mühendis) tarafından yapılan Fartier’dir. Cugnot, küçük ölçekli olarak yaptığı ve iki kazanlı olan Newcomen makinesini üç tekerlekli bir arabaya yüklemiş ve 1769 yılında ilk denemesini yapmıştır. Ancak buharlaşma ile azalan kazan suyunu tekrar yenileyecek bir sistem olmadığı için, aracın 15 dakikada bir durması ve su ikmalinin yapılarak suyun kaynaması gerekiyordu.
Yorumlar - Yorum yapmak için tiklayin