เครื่องจักรไอน้ำ

การประดิษฐ์ริเริ่มและพัฒนา

เครื่องจักรไอน้ำเครื่องแรกที่มีการบันทึกไว้คือ Arolipile คนที่ประดิษฐ์คือวิศวกรและนักฟิสิกส์ชาวกรีก ในช่วงศตวรรษที่ 1 แต่ครั้งนั้นนำมาใช้เป็นของเล่น ต่อมาเมื่อ พ.ศ. 2206 (ค.ศ. 1663) นายเอ็ดเวิร์ด โซเมอร์เซ็ด ได้ออกแบบและนำไปใช้เป็นประโยชน์ในการปั้มน้ำ
เมื่อ พ.ศ. 2223 (ค.ศ. 1680) นักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส เดนนิส ปาปิน ( Denis Papin) สร้างหม้อต้มความดันจุดประสงค์เพื่อใช้ในการทำอาหาร ซึ่งถือเป็นหม้อความดันรุ่นแรก เพื่อเป็นการป้องกันการระเบิดของหม้อต้มความดัน เดนนิส ปาปิน ได้ออกแบบ วาล์วลดความดัน (Release Valve) นอกจากนี้ยังสังเกตว่าคาบการทำงานของวาวล์ เป็นจังหวะขึ้นลงๆ ทำ ให้เกิดความคิดเกี่ยวกับเครื่องจักรแบบกระบอกสูบ แต่เขาก็ไม่ได้สร้างเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้งานได้จริง ต่อมาวิศวกร Thomas Savery (โทมัส ซาวารี่) ได้ใช้การออกแบบของปาปิน มาทำเป็นเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้งานได้
ในอุตสาหกรรมเครื่องจักรไอน้ำช่วงแรกเป็นการออกแบบของ โทมัส เซฟเวอรี (Thomas Savery) เมื่อ พ.ศ. 2255 (ค.ศ. 1712) เครื่องจักรไอน้ำแบบบรรยากาศ (atmospheric-engine) ของ โทมัส นิวโคเมน (Thomas Newcomen) ได้ทดลองและใช้ในอุตสาหกรรม
ต่อมา เซฟเวอรีและนิวโคเมนร่วมกันพัฒนา เครื่องจักรไอน้ำแบบคาน (beam engine) ที่สามารถใช้แบบความดันบรรยากาศและความดันสุญญากาศ ช่วงแรกของอุตสาหกรรมใช้เครื่องจักรไอน้ำแบบสุญญากาศในการปั๊มน้ำจากเหมือง เครื่องจักรไอน้ำของนิวโคเมน รุ่นแรกทำงานช้าและต้องใช้คนเปิด-ปิดวาล์วเอง ต่อมาจึงเปลี่ยนมาใช้ตัวเครื่องจักรเองในการเปิด-ปิดวาล์ว
ต่อมา เจมส์ วัตต์ (James Watt) ได้พัฒนาเครื่องจักรไอน้ำจากแบบของนิวโคเมน และ ได้จดสิทธิบัตร เครื่องจักรไอน้ำแบบวัตต์ Watt Steam Engine ซึ่งทำงานเรียบกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่า
การพัฒนาในเรื่องของประสิทธิภาพช่วงต่อมาจากการประดิษฐ์ของ Oliver Evans และ Rechard Trevithick โดยการใช้ไอน้ำแรงดันสูง ซึ่งเครื่องจักรไอน้ำที่ใช้แรงดันสูงที่ Trevithick สร้างไว้เป็นที่รู้จักในชื่อ เครื่องจักรไอน้ำแบบคอร์นิช (Cornish engines)
อย่างไรก็ตามเครื่องจักรไอน้ำแรงดันสูงมีอันตรายมาก จากหม้อต้มระเบิดเพราะไม่สามารถทนความดันสูงได้ และเป็นสาเหตุของอุบัติเหตุหลายๆเหตุการณ์ สิ่งสำคัญของเครื่องจักรไอน้ำแบบความดันสูงคือ ความพิถีพิถันในการผลิต วาล์วนิรภัย ซึ่งใช้ในการปล่อยความดันที่เกินของเครื่องจักรไอน้ำ และเหตุนี้เองจึงต้องมีการบำรุงรักษาเครื่องจักรไอน้ำที่เข้มงวด และกำหนดมาตรฐานการผลิตวาล์วนิรภัย

เครื่องจักรไอน้ำแบบสูบขึ้นลง (Reciprocating Engines)

ความแตกต่างของการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำแบบสุญญากาศและแบบความดันสูง ไอน้ำความดันสูงมีสีแดง, ความดันต่ำสีเหลื่อง และ ไอน้ำควบแน่นสีน้ำเงิน ด่านบนของเครื่องความดันแบบสุญญากาศต้องเปิดสู่บรรยากาศเพื่อให้ความดันบรรยากาศกระทำด้านบนกระบอกสูบ เครื่องจักรแบบ Reciprocating ใช้การทำงานของไอน้ำในการเคลื่อนที่สูกสูบในกระบอกสูบที่ปิดสนิท

เครื่องจักรไอน้ำแบบความดันสุญญากาศ (Vacuum engines)

จังหวะการทำงานของเครื่องจักรไอน้ำแบบสุญญากาศคือ การให้ไอน้ำความดันต่ำเข้าไปในกระบอกสูบและทำการปิดวาล์วทางเข้าลูกสูบเคลื่อนที่ไปอยู่บริเวณด้านบน หลังจากนั้นไอน้ำจะความแน่นกลายเป็นหยดน้ำ ซึ่งทำให้ปริมาตรของไอน้ำลดลงทำให้เกิดเป็นสุญญากาศ
จากนั้นความดันบรรยากาศจดกดอีกด้านของลูกสูบ ทำให้ลูกสูบเคลื่อนที่ไปอยู่ด้านล่าง และกระบอกสูบติดอยู่กับคานน้ำหนักค้านนอกเพียงพอจะที่ทำให้ไอน้ำความดันต่ำดันลูกสูบเคลื่อนที่ไปอยู่ด้านบนสุดได้อีกครั้ง ทำเช่นนี้กลับไปกลับมาทำให้สามารถนำมาใช้เป็นแรงกลได้
ในเครื่องจักรไอน้ำของนิวโคเมน น้ำเย็นได้ถูกฉีดโดยตรงเข้าไปในกระบอกสูบเลย แต่ในเครื่องจักรไอน้ำของวัตต์ มีการแยกกระบอกเป็นห้องไอน้ำควบแน่นและห้องหลักออกจากกันโดยกันด้วยวาล์ว ประสิทธิภาพของเครื่องจักรของนิวโคเมน ขึ้นอยู่กับการสูญเสียความร้อนในจังหวะควบแน่นและให้ความร้อนเพราะเกิดขึ้นในห้องหลักเพียงห้องเดียว การแยกกระบวนการความแน่นของไอน้ำไปอยู่อีกห้องทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง