Buharlı motor nasıl çalışır? Buhar motoru çalışması videosu.

Buhar Motoru (1698)

Buhar motoru, endüstri devriminin başlamasına, dünya için iyi, o dönemde yaşayan zavallılar için pek fena bir sürü olayın yaşanmasına sebep oldu. İlk kez hayvan gücü aşılıyordu ve insanlar çılgınca sürekli bu gücü kullanacakları yeni alanlar buldular. Bunun için 1968’de buhar motorunun patentini alan Thomas Newcomen’e teşekkür etme nezaketini gösterdiler mi bilemeyiz tabii.

Buhar makinesi, buharın içinde var olan ısı enerjisini, mekanik enerjiye dönüştüren bir dıştan yanmalı motordur. Buhar makineleri, lokomotifler, buharlı gemiler, pompalar, buharlı traktörler ve endüstriyel devreler olabilir.
Bir buhar makinesi basınç altında buhar üretmek için suyu kaynatacak bir kazana ihtiyaç duyar. Herhangi bir ısı kaynağı kullanılabilir, fakat genelde odun, kömür veya petrol türevi yakıtların yakılmasından elde edilen ateş kullanılır. Çalışma prensibi olarak, ısı enerjisini alan buhar genişler ve bir piston veya türbine karşı yönde baskı uygular (iter), bu hareket çarkların dönmesi veya diğer mekanizmaların hareket alması ile mekanik enerjiye (işe) dönüşür.

Bilinen ilk buhar makinesi diyebileceğimiz örnek Yunanlı mühendis Hero’nun birinci yüzyılda 50 yıllarına doğru Mısır İskenderiye’de uçları birbirlerine göre zıt yönleri gösteren iki eğik tüpün yerleştirildiği oyuk bir küreden yaptığı türbin’dir. Kürede su kaynatıldığında buhar borulardan dışarı çıkmakta günümüzde etki tepki kanunu dediğimiz şeyin sonucunda kürenin dönmesine yol açmakta idi. Hero buharlı bir türbin ya da motor icat etmesine rağmen toplumda bir etki yaratmadığından bunu motor aygıtının icadı olarak görülmemektedir

Buhar gücünün ilk faydalı uygulaması

Buhar gücünün Hero tarafından uygulamasından sonra 1679 yılında ilk faydalı uygulama Fransız fizikçi Denis Papin ‘den (1647-1712) geldi. İçinde suyun kaynadığı ve biriken buharın suyun kaynama noktasını yükselttiği sıkıca kapanan bir kapağı olan düdüklü tencere icat edilmişti. Papin’in dikkat ettiği şey daha yüksek ısıda kemikler yumuşuyor ve et daha çabuk pişiyordu. Tencereye buhar basıncının çok yükselmesine karşın bir de güvenlik vanası eklenmişti.

Savery Makinası

1698 yılında İngiliz mühendis Thomas Savery (1650-1715) buharla çalışan ,madendeki suyu dışarı atmak için kullanılan bir tulumba yaptı. Tulumba yüksek basınçla çalıştığından o günün teknolojisine göre bu tip bir buharı güvenli biçimde kullanacak düzeyde değildi. Ayrıca gerekli buharı oluşturmak için suyu ısıtmada çok fazla yakıt kullanılıyordu. Bu tip makinaların öncülü olan Savery’nin makinası verimsiz olduğundan fazla kullanılmadı fakat kendinden sonra gelen makinalar için temel teşkil etti.

Newcomen Makinası

1712’de İngiliz mühendis Thomas Newcomen (1663-1729) yeni bir tür buhar makinesi geliştirdi. Bu alet çalışırken suyu yukarı doğru emecek boşluğu oluşturmak için buhar gerektirmiyor ve dışarı atmak için yüksek basınçlı buharın kullanılması ile çalışmıyordu. Newcomen’in makinesi pistonu itmek için sıradan alçak basınçlı buharı kullanıyordu. Böylece pistonların yüksek basınçlı buhar kullanıldığında olduğu gibi sıkıca oturtulmasına gerek kalmıyordu. Ayrıca daha az tehlikeliydi. Yine de makine istenilen verime ulaşamamış ve yakıt tüketimi azalmamıştı.

Watt Makinası

1764 yılında bozulan Newcomen makinalarından biri onarılması için İskoçyalı mühendis James Watt’a verildi. Makinayı onaran watt aynı zamanda randımanı düşük bu makineyi geliştirmek de istedi. Arkadaşı İskoç kimyacı Joseph Black’tan gizil ısı’yı öğrenmiş olan Watt aynı odayı sürekli ısıtıp soğutmanın ne kadar israflı bir şey olduğunu anladı ve aklına iki oda yapmak fikri geldi. Biri sürekli sıcak , diğeri de sürekli soğuk tutulacaktı. Buhar işini yaparken sıcak odada bulunacaktı ve su haline getirilmesi gerektiğinde supaplar sistemiyle soğuk odaya alınacaktı.
Watt 1781 yılına gelindiğinde makinasını iyice geliştirmiş ve pistonun ileri geri hareketini ustalıkla bir tekerleğin dönme hareketine çeviren mekanik aletleride icat etmişti.

Buhar Türbinleri

1884 yılında İngiliz mühendis Charles Algernon Parsons (1854-1931) ilk başarılı buhar türbinini yapmıştır. Bu sayede yüksek hızlı gemi yapımı kolaylaşmış. Jeneratörlerde kullanılması kolaylaşmıştır.

Buhar Makinasının Verimi

James Watt’ın geliştirmesine rağmen buhar makinalarının verimi halen %7 civarında idi kalan %93 boşa giden ısı olarak kayboluyordu.
Buhar makinasının verimini inceleyen ilk kişi Fransız fizikçi Nicolas Leonard Sadi Carnot’tur (1796-1832) 1824 yılında yayımladığı Ateşin Tahrik Kuvveti Üzerine isimli kitabında buhar makinasının maksimum veriminin en sıcak halindeki buhar ile en soğuk halindeki suyun sıcaklığı arasındaki farka bağlı olduğunu gösterdi. Carnot ısı ve işin birbirlerine dönüşmesi yolunu ilk olarak ele alan kşi olduğundan Termodinamik biliminin kurucusu kabul edilmektedir.

Buharlı Ulaşım Araçları

Buharlı Gemiler

1787 yılına kadar buharlı motorlar sadece su pompalarını ve tekstil makinalarını çalıştırmak için kullanılmıştı. 22 Ağustos 1787 yılında ise Amerikalı mucit John Fitch (1743-1798) ilk vapuru Delaware Nehri’ne indirmiştir. Bir süre Philaderphia ile Trenton arasında düzenli vapur yolculuğu yapılmasını sağlamıştır.Fakat Fitch ticari anlamda başarı kazanamamıştır. 1807 yılına gelindiğinde ise yine Amerikalı mucit olan Robert Fulton saatte 8 km hızla giden adını Clermont koyduğu kırk metre uzunluğundaki vapurları Hudson Nehri’nde işletmeye başladı. Bu sefer Fitch’in tersine ticari başarı kazanıldığından Fulton vapuların mucidi kabul edilmektedir. 1809 yılında ise Moses Rogers komutası altındaki Phoenix okyonusa açılan ilk buharlı vapur oldu. 1811 yılında Mississippi Nehri üzerinde işleyen ilk gemi New Orleans faaliyete geçti.
Okyonusu aşan ilk gemi ise 1819 yılında Georgia Savannah’tan İngiltere’deki Liverpool’a beşbuçuk haftada ulaşan Savannah isimli gemi oldu . Yolculuğun büyük kısmı yelkenlerin açılması ile bitirildiğinden aslında buharlı gemi sayılmazdı.
1827 yılında Türbinlerin ve gemi pervanesinin keşfedilmesi sonucu , pervanenin yan çarktan daha etkili olduğu anlaşıldı ve gemi teknolojisi hızla gelişti.

İlk buharlı motorların gemilerde kullanılmasından sonra 1804 yılında Richard Trevithick bir vagonun şasesi üzerine sabit bir buhar motoru yerleştirerek dünyanın ilk buharlı lokomotifini üretti. Yaptığı özel yolda lokomotifini hareket ettirerek gösteri düzenlemiş fakat bundan ticari bir kazanç elde edememiştir.
1825 yılına gelindiğinde ise İngiliz mucit George Stephenson geliştirilmiş buharlı motorlardan faydalanarak ilk buharlı lokomotif denebilecek ve adına Rocket dediği aracı yaptı.

Buharlı Otomobil

Karayolunda kullanılmak üzere tasarlanmış ısı enerjisini mekanik enerjiye çeviren dıştan yanmalı motor olan buhar makinesinın verdiği enerji ile hareket eden tekerlekli kara taşıtı, buhar enerjili otomobil.
Bilinen ilk örnek Fransız mühendis Nicolas Joseph Cugnot tarafından yapılan Fardier’dir. Nicholas Joseph Cugnot küçük ölçekte yaptığı iki kazanlı Newcomen makinesini üç tekerlekli bir arabaya yükleyerek 1769 yılında deneme yapmıştır.Fakat buharlaşma yoluyla azalan kazan suyunu yenileyecek bir sistem olmadığından araç 15 dakikada bir durmak ve su ikmali yapıp suyun kaynamasını beklemek gerekmekteydi. 2,5 tonluk askeri topları taşıması düşünülen araçtan bu problem yüzünden vazgeçilmesine sebep oldu
Halen Birmingham Müzesinde bir makine, buharlı araçlar üzerinde 1790’lı yıllarda William Murdock’un da çalışmış olduğunu göstermektedir. William Murdock’ın yapmış olduğu araç yüksek basınçlı kazan ve bir çift-etkili Watt makinesiyle hareket etmekte idi.
Buharlı otomobillerin gelişmesine etki eden en büyük problemlerden birisi , aracı hareket ettirecek yüksek basıncı elde etmek ve bunun sürekliliğini sağlamaktı. Oliver Evans tarafından yapılmış bir sistemle bu problem bir nebze olsun giderilmiştir. Oliver Evens yaptığı sistemi bir arabaya uygulayarak Philadelphia sokaklarında aracıyla dolaşmıştır. Fakat bu başarıyı ticari anlamda değerlendirememiştir.
Oliver Evans’ın yaptığı makinanın projelerini daha sonra Richard Trevithick eline geçirdi . Richard Trevithick kuzeni Vivian ile birlikte, Evens’in makinesinden yararlanmayı bildi ve atölyelerinde onunkine çok benzeyen arabalar imal ederek piyasaya sürdü. Bu buharlı ilk otomobil, Camborne (Cornoualles) Plymouth arasındaki 120 km.’lik yolu, saatte yaklaşık olarak 16 km. hızla gitmeyi başardı. Kendi türünde başarılı olan bu araç, Londra Sergisinde de gösterildi. Richard Trevithick de Oliver Evens gibi yaptığı araından ticari başarıyı yakalayamadı.
1860 lı yıllarda İngiltere’de yol yapımında kullanılan silindirler buhar enerjisi ile hareket etmekte idiler. Yine bu tarihlerde yapılan Lokomobilden özellikle tarım alanında faydalanılmıştır. Birinci dünya savaşından önce özellikle İngiltere Londra da çok sayıda buharlı otobüs işletilmekte idi. Bütün bu gelişmelere rağmen buharlı otomobillerde gerekli teknik başarı yakalanamamış, ticari anlamda başarı yakalanamamıştır.

Buhar Makinesi Tipleri

Buhar makineleri iki ana başlıkta sınıflandırılabilir:

1 ) Teknoloji kullanımına göre

1.1) Pistonlu buhar makinaları
1.2) Türbinli buhar makinaları

2) Uygulama alanlarına göre

2.1) Durağan (Sabit) buhar makineleri

2.1.1) Sarımlı,dönen milli motorlar ve frekanslı olarak duran ve tersine hareket edebilen basit uygulamalar.
2.1.2) Nadiren duran ve tersine hareket ihtiyacı olmayan güç sağlayan motorlar. (Tüm termal güç istasyonları, değirmenler, fabrikalar.)

2.2) Araç Motorları

2.2.1) Buharlı bot ve gemiler
2.2.2) Buhar lokomotifi
2.2.3) Buharlı otomobil
2.2.4) Buharlı iş makineleri

2.2.4.1) Buharlı yol silindiri
2.2.4.2) Buharlı traktör