เครื่องจักรไอน้ำ

Question: เครื่องยนต์ไอพ่น คิดค้นมาเพื่อจุดประสงค์อะไร ?



เครื่องจักรไอน้ำ (English: Steam engine) ประดิษฐ์โดย โทมัส นิวโคเมน (Thomas Newcomen) เมื่อ พ.ศ. 2248 (ค.ศ. 1705) ต่อมา เจมส์ วัตต์ ได้พัฒนาเครื่องจักรไอน้ำขึ้น ซึ่งหลังจากนั้น ได้มีการนำเอาชื่อท่านมาตั้งเป็นหน่วยของกำลังไฟฟ้า เช่น กำลังไฟฟ้า 400 วัตต์ เป็นต้น
เครื่องจักรไอน้ำเป็นเครื่องจักรแรกๆ ที่มนุษย์สร้างขึ้น เช่น รถจักรไอน้ำ เรือกลไฟ ฯลฯ
เครื่องจักรไอน้ำ เป็นเครื่องจักรประเภท สันดาปภายนอก ที่ให้ความร้อนผ่านของเหลว (น้ำ) และทำการเปลี่ยนไอของของเหลวเป็นพลังงานกล ซึ่งสามารถนำมาเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้าได้ โดยการนำไอน้ำมาหมุนกังหันของ เครื่องปั่นไฟ (ไดนาโม) เครื่องจักรไอน้ำต้องมีหม้อต้มในการต้มน้ำในการทำให้เกิดไอน้ำ ไอน้ำที่ได้จากการต้ม จะนำไปเป็นแรงในการดันกระบอกสูบหรือกังหัน
ข้อดีของเครื่องจักรไอน้ำประการหนึ่งคือการที่สามารถใช้แหล่งความร้อนจากอะไรก็ได้ เช่น ถ่านหิน, ฟืน, น้ำมันปิโตรเลียม หรือกระทั่ง นิวเคลียร์
และแม้แต่ในปัจจุบัน เครื่องจักรไอน้ำหรือกลไกที่ถูกพัฒนาขึ้นจากเครื่องจักรไอน้ำยังคงปรากฏซ่อนอยู่ในเครื่องจักรเครื่องกลแทบทุกประเภท เช่น โรงไฟฟ้าพลังงานความร้อน จนถึง กระบอกสูบในรถยนต์ หรือในเครื่องบินในปัจจุบันนั้นมีการค้นพบรูปแบบใหม่ๆในการนำเครื่องจักรไอน้ำไปใช้งาน การค้นพบครั้งล่าสุดถูกค้นพอโดนลูกชายของโทมัส นิวโครแมน โดยชื่อที่ใช้ในการค้นพบคือ อเล็กซ์ซี่ นิวโครแมน ซึ่งถูกค้นพบเมื่อวันที่ 13 ธันวาคม พ.ศ. 2534 สิ่งที่ได้ค้นพบในวันนั้นคือการนำเครื่องจักรไอน้ำไปใช้เป็นระเบิดไอน้ำซึ่งรัศมีการระเบิดมีเส้นผ่าศูนย์กลางอยู่ที่ 1.5 กิโลเมตร. ต่อมาได้นำเครื่องจักรไอน้ำมาใช้แทนพลังงานไฟฟ้าแต่เนื่องจากการใช้เครื่องจักรไอน้ำผลิตกระแสไฟฟ้านั้นสิ้นเปลืองทรัพยากรเป็นอย่างมากจึงมีการประกาศเลิกใช้เมื่อวันที่ 7 สิงหาคม พ.ศ. 2538
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 


ประเภทของเครื่องจักรไอน้ำ
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
เครื่องจักรใบพัด

เครื่องจักรแบบอื่นๆ

อ้างอิง


แหล่งข้อมูลอื่น

จักรไอน้ำ
หมวดหมู่:เครื่องยนต์สันดาปภายนอก