Ζεσταίνουμε το νερό της σημείο βρασμού και αλλάζει από το να είναι υγρό για να γίνει το αέριο ή ο υδρατμός που γνωρίζουμε ως ατμό. Όταν το νερό γίνεται ατμός, ο όγκος του αυξάνεται περίπου 1.600 φορές, η διαστολή είναι γεμάτη ενέργεια.
Ένας κινητήρας είναι μια μηχανή που μετατρέπει την ενέργεια σε μηχανική δύναμη ή κίνηση που μπορεί να μετατρέψει τα έμβολα και τους τροχούς. Ο σκοπός ενός κινητήρα είναι να παράσχει ενέργεια, μια ατμομηχανή παρέχει μηχανική ενέργεια χρησιμοποιώντας την ενέργεια του ατμού.
Ατμομηχανές ήταν οι πρώτοι επιτυχημένοι κινητήρες και αποτέλεσαν την κινητήρια δύναμη πίσω από το βιομηχανική επανάσταση. Έχουν χρησιμοποιηθεί για την τροφοδότηση των πρώτων αμαξοστοιχιών, πλοίων, εργοστασίων και ακόμα και τα αυτοκίνητα. Και ενώ οι ατμομηχανές ήταν σίγουρα σημαντικές στο παρελθόν, έχουν τώρα και ένα νέο μέλλον στο να μας προμηθεύουν ενέργεια με γεωθερμικές πηγές ενέργειας.
Πώς λειτουργούν οι Ατμομηχανές
Για να κατανοήσουμε μια βασική ατμομηχανή, ας πάρουμε το παράδειγμα της ατμομηχανής που βρίσκεται σε μια παλιά ατμομηχανή όπως αυτή που απεικονίζεται. Τα βασικά μέρη της ατμομηχανής σε μια ατμομηχανή θα είναι ένας λέβητας, μια βαλβίδα ολίσθησης, ένας κύλινδρος, μία δεξαμενή ατμού, ένα έμβολο και ένας κινητήριος τροχός.
Στο λέβητα, θα υπήρχε ένα τζάκι στο οποίο θα εισχωρούσε άνθρακας. Ο άνθρακας θα διατηρείται καύση σε πολύ υψηλή θερμοκρασία και χρησιμοποιείται για να θερμάνει το λέβητα για να βράσει νερό που παράγει ατμό υψηλής πίεσης. Ο ατμός υψηλής πίεσης επεκτείνεται και εξέρχεται από τον λέβητα μέσω σωλήνων ατμού στη δεξαμενή ατμού. Ο ατμός ελέγχεται στη συνέχεια από μια βαλβίδα ολίσθησης για να μετακινηθεί σε έναν κύλινδρο για να ωθήσει το έμβολο. Η πίεση της ενέργειας ατμού που ωθεί το έμβολο μετατρέπει τον κινητήριο τροχό σε κύκλο, δημιουργώντας κίνηση για την ατμομηχανή.
Ιστορία ατμομηχανών
Οι άνθρωποι έχουν επίγνωση της δύναμης του ατμού εδώ και αιώνες. Έλληνας μηχανικός, Ήρωας της Αλεξάνδρειας (περίπου 100 μ.Χ.), πειραματίστηκε με ατμό και εφευρέθηκε το αιολικό νερό, το πρώτο αλλά πολύ αργό ατμομηχανή. Το αεροπλάνο ήταν μια μεταλλική σφαίρα τοποθετημένη στην κορυφή ενός βραστήρα βραστό νερό. Ο ατμός περνούσε μέσω σωλήνων στη σφαίρα. Δύο σωλήνες σε σχήμα L σε αντίθετες πλευρές της σφαίρας απελευθέρωσαν τον ατμό, γεγονός που έδωσε ώθηση στη σφαίρα που την έκανε να περιστραφεί. Ωστόσο, ο Ήρωνας δεν συνειδητοποίησε ποτέ τις δυνατότητες του αιολικού λιμένα και θα περάσουν αιώνες πριν τεθεί σε εφαρμογή ένας πρακτικός ατμομηχανή.
Το 1698, ο μηχανικός της Αγγλίας, Thomas Savery κατοχύρωσε την πρώτη ατμομηχανή. Ο Savery χρησιμοποίησε την εφεύρεσή του για να αντλήσει νερό από ένα ανθρακωρυχείο. Το 1712, αγγλικός μηχανικός και σιδηρουργός, Thomas Newcomen εφευρέθηκε η ατμοσφαιρική ατμομηχανή. Ο σκοπός της ατμομηχανής Newcomen ήταν επίσης να απομακρύνει το νερό από τα ορυχεία. Το 1765, ένας μηχανικός της Σκωτίας, James Watt άρχισε να μελετάει τον ατμομηχανή του Thomas Newcomen και εφευρέθηκε μια βελτιωμένη έκδοση. Ήταν η μηχανή του Watt που ήταν η πρώτη που είχε περιστροφική κίνηση. Ο σχεδιασμός του James Watt ήταν αυτός που πέτυχε και η χρήση ατμομηχανών έγινε ευρέως διαδεδομένη.
Οι ατμομηχανές είχαν σημαντική επίδραση στην ιστορία της μεταφοράς. Μέχρι τα τέλη του 1700, οι εφευρέτες συνειδητοποίησαν ότι οι ατμομηχανές θα μπορούσαν να τροφοδοτούν βάρκες και ότι το πρώτο εμπορικά επιτυχημένο ατμόπλοιο εφευρέθηκε από τον George Stephenson. Μετά το 1900, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης βενζίνης και ντίζελ άρχισαν να αντικαθιστούν τους κινητήρες εμβολοφόρου ατμού. Ωστόσο, οι ατμομηχανές επανεμφανίστηκαν τα τελευταία είκοσι χρόνια.
Ατμομηχανές σήμερα
Μπορεί να είναι εκπληκτικό να γνωρίζετε ότι 95 τοις εκατό του πυρηνική δύναμη οι μονάδες χρησιμοποιούν ατμομηχανές για να παράγουν ενέργεια. Ναι, οι ράβδοι ραδιενεργού καυσίμου σε έναν πυρηνικό σταθμό ηλεκτροπαραγωγής χρησιμοποιούνται ακριβώς όπως ο άνθρακας σε ατμομηχανή για να βράσει το νερό και να δημιουργήσει ενέργεια ατμού. Ωστόσο, η διάθεση των χρησιμοποιημένων ράβδων ραδιενεργού καυσίμου, η ευπάθεια των πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής σε σεισμούς και άλλα ζητήματα αφήνουν τον πληθυσμό και το περιβάλλον σε μεγάλο κίνδυνο.
Η γεωθερμική ενέργεια είναι ενέργεια που παράγεται χρησιμοποιώντας ατμό που παράγεται από τη θερμότητα που προέρχεται από τον τετηγμένο πυρήνα της γης. Οι γεωθερμικοί σταθμοί ηλεκτροπαραγωγής είναι σχετικά πράσινη τεχνολογία. Η Kaldara Green Energy, νορβηγική / ισλανδική κατασκευαστής εξοπλισμού παραγωγής γεωθερμικής ηλεκτρικής ενέργειας, υπήρξε ο σημαντικότερος καινοτόμος στον τομέα.
Οι ηλιακοί θερμοηλεκτρικοί σταθμοί μπορούν επίσης να χρησιμοποιούν ατμοστρόβιλους για να παράγουν τη δύναμή τους.