वाष्प इन्जिन

वाष्पयान वा बाफको इन्जिन एक प्रकारको उष्मीय इन्जिन हो जसले कार्य गर्नको लागि जल-वाष्पको प्रयोग गर्दछ। बाफको इन्जिन अधिकांशतः वाह्य दहन इन्जिन हुन्छन् जसमा रैंकाइन चक्र (Rankine cycle) नामक ताप-चक्र (heat cycle) उपयोगमा ल्याइन्छ। केही वाष्पयान सौर्य उर्जा, नविकरणीय उर्जा या जिओथर्मल उर्जाले पनि चल्दछन्।

इतिहास
बाफको इन्जिनको इतिहास धेरै पुरानो छ (करिब हजार वर्ष)। तर पहिले उपयोगमा ल्याइएका युक्तिहरू शक्ति उत्पादनको दृष्टिले व्यावहारिक थिएनन्। त्यस पछि यीनको डिजाइनमा धेरै सुधार भयो जसबाट यो औद्योगिक क्रान्तिको समयमा यान्त्रिक शक्तिको प्रमुख स्रोत भएर उभियो। अब बाफले चलने वाला रेलगाडिहरू एवं अन्य मिसिनहरू कम भइ सके तर पूरा संसारको विद्युत-शक्तिको लगभग आधी शक्ति आज पनि वाष्प टर्बाइनहरूको सहायताले उत्पन्न गरिन्छ ।

बाफ इन्जिन बनाउने तरिकाको सबै भन्दा प्राचीन उल्लेख अलेक्जैंड्रियाको हीरोको लेखहरूमा भेटिन्छ। हीरो त्यस विख्यात अलैक्जैंड्रीय सम्प्रदाय (३०० ई.पू.-४०० ई. सन्) schwör bei koranको सदस्य थियो जसमा टोलेमी, यूक्लिड, इरेटोस्थनीज जस्तै तत्कालीन विज्ञानका महारथी सम्मिलित थिए। हीरोले आफ्नो लेखमा एक यस्तो युक्तिको वर्णन गरेका छन् जसमा एक बन्द बाकसमा वायु तताइन्थ्यो र एक नलीको मार्गबाट तल पानी भरिएको भाडो तिर लगिन्थ्यो थियो। यसमा भाडोको पानी दोस्रो नलीमा चढ्थ्यो र एक नक्कली फुहारा बन्थ्यो। यसपछि यस सम्बन्धमा कहीं कुनै विवरण भेटिएको छैन।

१६०६ ई. मा, हीरो देखि लगभग २,००० वर्ष बाद, नेपोलियन अकादमीको संस्थापक र तत्कालीन यूरोपमा विज्ञानको अग्रणी नेता मार्क्सेव देला पोर्ताले हीरोको फुहारेवाला प्रयोगमा हावाको ठाँउ बाफको उपयोग गर्यो। उनले यो पनि सुझाया कि कुनै बर्तनको पानी देखि भरनेको लागि यदि उसलाई एक नली द्वारा पानी भन्दा कुनै तालाब देखि सम्बन्धित गर्‍यो जाय र तब उन बर्तन माबाफ भरेर फेरि उसलाई माथि देखि पानीको द्वारा ठण्डा गरे जाय त भित्रको बाफ संघनित भएर निर्वात उत्पन्न करेगी र उनको ठाँउ तालाब देखि पानी बर्तनमा भर जाएगा।

१६९८ ई.मा मार्क्सेव देला पोर्ताको यस सुझावको उपयोग टामस सेवरीले पानी चढानेको एक मिसिनमा गर्यो। यस प्रकार सेवरी पहिलो व्यक्ति थियो जसले व्यावसायिक उपयोगको एक बाफ इन्जिन बनाया, जसको उपयोग खदानों मध्ये पानी उलीचने र कुहरूमध्ये पानी निकालनमा भयो।

सेवरीको इन्जिनको आविष्कार पछि बाफ इन्जिनको अघिल्लो चरण न्यूकोमेन इन्जिनको आविष्कार थियो। यसको आविष्कार टामस न्यूकोमेन (१६६३-१७२९ ई.)ले गर्यो। यस इन्जिनको खदानों र कुओं देखि पानी निकालनमा ५० वर्ष सम्म उपयोग होता रहयो। यसको ऐतिहासिक महत्त्व पनि छ, किन भनें त्यहि देखि जेम्स वाटको आविष्कारहरूको मार्ग खुला। यस इन्जिनमा पहिलो पल्ट सिलिंडर र पिस्टनको उपयोग गरियो जुन अब सम्म बाफ इन्जिनहरूमा प्रयुक्त गरे जान्छन्।

न्यूकामेन इन्जिनमा बाफ केवल निर्वात उत्पन्न गर्नको काम आउँछ। पिस्टन उठानेको काम, जसबाट पानी चढता छ, वायुमंडलीय दाब गर्दछ। तर बाफको केवल संघनित गर्नमा धेरै ईंधन व्यर्थ खर्च हुन्छ।

जेम्स वाटको महत्त्वपूर्ण कार्य बाफ इन्जिनको सर्वश्रेष्ठ रूप दिन हो जसबाट मनुष्यको शक्ति दस गुनी बढ गई र व्यावसायिक क्षेत्रमा बृहद् परिवर्तन भयो।

जेम्स वाट ग्लासगोमा एक चतुर वैज्ञनिक यन्त्र रचयिता थिए र १७६३ मा ग्लासगो विश्वविद्यालयको भौतिकीको प्रोफेसर देखि उनलाई एक न्यूकामेन इन्जिनको मरम्मतको ओदश मिलयो जुन कहिल्यै ठीक न चलता थियो। मरम्मत गरेर समय वाटको ध्यान आयो कि यसमा ईंधन बुरी तरिका देखि व्यर्थ हुन्छ। विचारशील स्वभावको वाटले यसले श्रेष्ठ मिसिन बनाउन विचार प्रारम्भ गर्यो। यस प्रकार उनले अनेक अन्वेषण गरे र यन्त्र बनाए, जिनले बाफ इन्जिनको उनको वर्तमान स्वरूप प्राप्त भयो र त्यो उद्योग र सभ्यताको प्रगतिमा शक्तिशाली साधन बनयो।

बाफ इन्जिनको प्रकार
बाफ इन्जिनको निम्नलिखित मुख्य प्रकार हो :

एक एवं द्विक्रिया इन्जिन (single and double acting engine)
एकक्रिया इन्जिनमा बाफ पिस्टनको एक नै ओर कार्य गर्छ एवं द्विक्रिया इन्जिनमा बाफ पिस्टनको दुवै ओर कार्य गर्छ। यदि यिनी दुवै प्रकारको इन्जिनहरूमा अन्य सबै अवस्थाहरू समान हो, त द्विक्रिया इन्जिनद्वारा प्राप्त शक्ति दोस्रो प्रकारको इन्जिनद्वारा प्राप्त शक्तिको दूनी हुन्छ। यही कारण हो कि यिनी दिनहरू एकक्रिया इन्जिन कम नै व्यवहारमा लाया जान्छ।

ऊर्ध्वाधर एवं क्षैतिज इन्जिन
सिलिंडरको धुरीको ऊर्ध्वाधर या क्षैतिज भएको अनुसार इन्जिन ऊर्ध्वाधर या क्षैतिज भनिन्छ। क्षैतिज इन्जिन ऊर्ध्वाधर इन्जिनले अधिक ठाँउ घेरता छ। ऊर्ध्वाधर प्रकारको इन्जिनमा घर्षण आदि कम हुन्छ, जसको कारण यो क्षैतिज इन्जिनको तुलनामा अधिक दिन सम्म चल्न सक्छ।

निम्न एवं उच्च चाल इन्जिन (low and high speed engine)
बाफ इन्जिनको चाल वस्तुत: यसको क्रैंक शैफ्ट (crank shaft) परिक्रमण (revolutions) प्रति मिनेटको चाल हुन्छ। चार फुट पिस्टन स्ट्रोक (piston storke) एवं ८० परिक्रमण प्रति मिनटवाला इन्जिनमा औसत पिस्टन चाल ६४० फुट प्रति मिनेट हुनेछ। यो इन्जिन निम्न चाल इन्जिन भन्यो जाएगा। साधारणत: १०० परिक्रमण प्रति मिनेटको चाल भन्दा कम चालमा चलनेवाला इन्जिनको निम्न चाल इन्जिन भन्छन् एवं २५० परिक्रमण प्रति मिनेटको चाल भन्दा अधिक चालमा चलनेवाला इन्जिनको उच्च चाल इन्जिन भन्छन्। १०० र २५० परिक्रमण प्रति मिनेटको बीचको चालमा चलनेवाला इन्जिनको "मध्यम चाल इन्जिन" (medium speed engine) भन्छन्। उच्च चाल इन्जिनको सबै भन्दा ठूलो गुण यो हो कि समान शक्तिको लागि यो धेरै नै साना आकारको हुन्छ। उच्च चालको कारण बाफ पनि कम नै खर्च हुन्छ, किन भनें यस प्रकारको इन्जिनमा बाफ र सिलिंडरको बीच ऊष्मा स्थानांतरण (heat transfer)मा धेरै नै कम समय लागइन्छ।

संघनन र असंघन इन्जिन (condensing and noncondensing engine)
असंघनन इन्जिन त्यो बाफ इन्जिन हो जसबाट बाफको निकास (exhaust) सीधा वायुमण्डलमा हुन्छ एवं यसको लागि सिलिंडरमा बाफको दाब वायुमंडलको दाब भन्दा कहिल्यै कम हैन हुनु पर्छ। संघनन इन्जिनमा बाफ कार्य गर्न पछि संघनित्रमा प्रवेश गर्छ एवं त्यो वहाँ वायुमंडलको दाबमा जलमा परिवर्तित हुन्छ। संघनित्रको व्यवहार गर्न देखि बाफ अधिक कार्य गरेर पाती छ।

सरल एवं संयोजी इन्जिन (simple and compound engine)
सरल इन्जिनमा प्रत्येक सिलिंडर बयलर देखि सीधा बाफ पाउइन्छ एवं सीधा वायुमंडल या संघनित्रमा निकास (exhaust) गर्दछ। संयोजी इन्जिनमा बाफ एक सिलिंडर मा, जसलाई उच्च दाब सिलिंडर भन्छन्, केही हद सम्म प्रसारित हुन्छ र उसपछि उस लेकेहि ठूलो सिलिंडर मा, जसलाई निम्न दाब सिलिंडर भन्छन्, प्रवेश गर्छ एवं यहाँ प्रसारको क्रिया पूर्ण हुन्छ। फरक निम्न दाब सिलिंडर संघनित्रमा निकास गर्दछ। प्रसार तीन या चार सिलिंडरमा पनि हुन सक्छ एवं यिनी इन्जिनहरू लाई त्रिप्रसार इन्जिन (triple expansion engine) या चतुष्प्रसार इन्जिन (quadruple expansion engine) भन्छन्।

बाफ इन्जिनको कार्यसिद्धांत (working principle)
ऊष्मा इन्जिनको अधिकतम दक्षता (T१-T२ )/T१ हुन्छ जसमा (T१) र (T२) ऊष्मा इन्जिन चक्र (heat engine cycle)मा अधिकतम एवं न्यूनतम ताप छन्। यसले थाहा हुन्छ कि इन्जिनको दक्षता यिनी दुवै तापोंमा निर्भर गर्छ। भांप इन्जिनको दक्षता उतनी नै बढती जाएगी जितनी (T१)को मूल्य बढेगा एवं (T२)को मूल्य घटेगा। (T१)को मूल्यको बढानेको लागि बायलर देखि निकल गरेर इन्जिनमा आनेवाला बाफको दाबको बढाना हुनेछ, किन भनें बाफको दाब जितनी नै अधिक हुनेछ (T१)को मूल्य उतना नै बढेगा। (T१)को बढानेको एउटा अझै अर्को उपाय हो। त्यो छ बाफको अतितापित (superheat) गर्न। अतितापकको बयलरमा व्यवहार गरेर बाफको अधिताप बढाइन्छ । (T२)को मानको कम गर्नको लागि संघनित्र (condenser)को व्यवहार गर्न आवश्यक हुन्छ। संघनित्रमा ठंढे जलद्वारा बाफ जलमा परिवर्तित गरिन्छ। अत: राम्रा संघनित्रमा (T२)को मान ठंढे जलको तापको बराबर हुन सक्छ। यसले थाहा हुन्छ कि बाफ इन्जिनमा अधिक दाब एवं अतितप्त बाफद्वारा कार्य गराउन देखि एवं कार्य गराउन पछि बाफको संघनित्रमा प्राप्य ठंढे जलको तापको बराबर तापमा जलमा परिवर्तित गर्न देखि इन्जिन अधिक दक्ष हुनेछ।

बयलर देखि बाफ उच्च दाबमा बाफपेटी (steam chest)मा प्रवेश गर्छ। पिस्टन जस्तै नै स्ट्रोक (stroke)को अन्तमा पुगइन्छ, त्यसै समय वाल्व चलता छ, जसमा बाफद्वार (steam port) खुल जान्छ एवं बाफ सिलिंडरमा प्रवेश गर्छ। बाफको दाबद्वारा धक्का दिए जाने देखि पिस्टन अगाडि बढता हे। यसलाई अग्र स्ट्रोक (forward stroke) भन्छन्। पिस्टनको चालद्वारा क्रैंक, क्रैंक शाफ्ट एवं उत्केंद्रक (eccentric) चलते छन्। उत्केंद्रकको चलने देखि द्वार केही अझ अधिक खुल जान्छ। सिलिंडरमा बाफ तब सम्म प्रवेश करती रहन्छ जब सम्म द्वार एकदम बन्द हैन हो जाता। यस समय विच्छेद (cut off) हुन्छ एवं यसपछि सिलिंडरमा बाफको संभरण (supply) नही हो पाता। सिलिंडरमा आएको भए बाफ अब प्रसारित हुन्छ एवं यस प्रसारमा बाफको आयतन बढछ एवं दाब कम हुन्छ। त्यहि प्रकारको समय बाफ कार्य गर्छ। अग्र स्ट्रोकको अन्तमा वाल्व बाफद्वारको निकास तिर खोल दिइन्छ, जसबाट बाफ निर्मुक्त हुन्छ। निकली भए बाफको दाब पश्च दाब (back pressure)को बराबर हुन्छ। निर्मोचन भएको केही क्षण पछि पिस्टन पछि तिर लौटता छ एवं यसलाई प्रत्यावर्तन स्ट्रोक (return stroke) भन्छन्। यस स्ट्रोकमा लौटते समय पिस्टन सिलिंडरमा बची भए बाफको निकास करता जान्छ। जब पिस्टन यस स्ट्रोकको अन्तमा पुगइन्छ, वाल्व निकास द्वारको बंद गर्छ, जसबाट बाफको प्रवाह बन्द हुन्छ। सिलिंडर शीर्ष र पिस्टनको बीच केही बाफ बच जान्छ, जुन निर्मुक्त हैन हो पाती छ। फेरि चक्रको पुनरावृत्ति हुन्छ।

द्विक्रिया इन्जिनमा त्यहि देखि सदृश चक्रको क्रिया सिलिंडरको दोस्रो ओर हुन्छ।

बाफको कार्नो चक्र (Carnot cycle)
jhddhfjdsbgvkjdfzhifhnv asmkfbqwjdbsjkfbgvdfgvbjsdfvsdafvshxvdampfmaSCHIBNEGVNDFGIHFGBFDN

रैंकिन चक्र (Rankine cycle)

रैंकिन चक्र एक सैद्धांतिक चक्र हो, जसको अनुसार बाफ इन्जिन कार्य गर्दछ।

बाफ इन्जिनको गतिनियामक (governor)
गति नियामकको मुख्य कार्य इन्जिनको गतिको नियमन गर्न छ। बाफ इन्जिनको गति-नियामक यिनी दुई तरीकहरूमा भन्दा एक नै सहायता देखि परिभ्रमणको गति स्थिर रख पाता छ: 
(१) विच्छेद बिंदुको बदलन देखि तथा
(२) बाफको प्रारम्भिक दाबको परिवर्तित गर्न से।

शक्तिको माँगको अनुसार बाफको दाबको बढाएर या घटाकर इन्जिनको गतिको नियमन गर्नवाला गतिनियामकको अवरोध गतिनियामक (throttling governor) भन्छन्। गतिनियामक एक अवरोध वाल्वको चलाईन्छ, जुन मुख्य बाफ नलीमा राखयो हुन्छ। यस प्रकारको गतिनियामकहरूमा मुख्य गतिपालक कंदुक गतिनियामक (fly ball governor) हुन्छ। वाल्व सन्तुलित प्रकारको हुन्छ, अर्थात् बाफदाबद्वारा परिणामी बल (resultant force) शून्य हुन्छ। जब इन्जिनको गति बढती छ, गतिनियामक कंदुकोंको परिभ्रमणको गतिमा पनि वृद्धि हुन्छ, जसबाट केंद्रापसारी (centrpetal force) बल बढछ। बलको यो वृद्धि उनलाई गुरूत्वाकर्षणबल एवं नियन्त्रण कमानीको विरुद्ध बाहिर चलनेको बाध्य गर्छ। यसको चलते वाल्व केही अंशमा बन्द हुन्छ। वाल्वद्वारा अवरोध भए पछि पिस्टनमा कार्य गर्नवाली बाफको दाबमा कमी हुन्छ, जसको कारण उत्पन्न शक्ति पनि कम हुन्छ। एवं इन्जिनको गतिमा कमी भएको कारण वाल्व कमानी माथि उठ जान्छ एवं इन्जिनको गतिमा कमी भएको कारण वाल्व कमानी माथि उठ जान्छ एवं पिस्टनमा कार्य गर्नवाली बाफको दाबमा वृद्धि हुन्छ, जसको फलस्वरूप गति बढएर सामान्य गतिमा आ जान्छ। अवरोध गति-नियामकद्वारा नियमित बाफ इन्जिनमा प्रयोग पछि यदि इन्जिनमा प्रति घन्टा व्यवहृत बाफको तौलको अश्वशक्तिसँग आँका जाए, त एक सरल रेखा प्राप्त हुनेछ। यो सम्बन्ध सर्वप्रथम विलिअनले पाया थियो। अत: इन्हींको नाममा यसलाई "विलिअनको रेखा" (Willian's Line) भन्छन्।

==गतिपालकHatschiक्रको ईषासँग चाभीको द्वारा अटकाया जान्छ।

नौ इन्जिन (marine engines)
निम्न गतिवाला भारवाहक जलपोतहरू (ships)मा ठूलो नोदक (propellers) लगाए जान्छन् एवं यो नोदक प्रति मिनेट ८० परिक्रमण गर्छन। यस तरिकाको जहाजहरूमा बाफ इन्जिन धेरै नै उपयुक्त छन्। उच्च गतिमा चलनेवाला जहाजहरूमा बाफ इन्जिनको ठाँउ बाफ टरबाइनको व्यवहार किय जा रहेको छ । समुद्रयानमा व्यवहारमा लाए जानेवाला बाफ इन्जिनमा त्रिप्रसार प्रकारको इन्जिन प्रसिद्ध छं। समुद्रयान इन्जिन सर्वदा पृष्ठ संघनक (surface conderser) द्वारा युक्त हुन्छ, जसमा पीतलको नलिकाहरू लगी रहछ। पंपको द्वारा समुद्रको जल संघनित्रमा लाया जान्छ। समुद्रको जल देखि नै संघनित्रमा आएको भए बाफको संघनन हुन्छ। यद्यपि आजकल समुद्रयानहरूमा अन्तर्दहन इन्जिन, बाफ टरबाइन एवं ग्याँस टरबाइन व्यवहारमा लाया जा रहेको छ , फेरि पनि केही खास अवस्थाहरूमा बाफ इन्जिनको व्यवहार अत्यंत आवश्यक हुन्छ।

रेल इन्जिन (locomotive engine)
रिचर्ड ट्रेविथिकले बाफ इन्जिनको सर्वप्रथम उपयोग रेल इन्जिनको निर्माणमा गर्यो। तर आर्थिक कठिनाईको कारण उनको प्रयास सफल न हो पाया। अंतत: जार्ज र राबर्ट स्टीवेंसन (पिता र पुत्र)को नै एक सफल रेल इन्जिन चित्र ७ बनाएर उस ले१८२९ ई. मा लोवरपुल र मैनचेस्टरको बीच रेलगाडी चलान श्रेय प्राप्त भयो। जलयानहरूको लागि बाफ इन्जिनको प्रथम उपयोग १८१२ ई.मा राबर्ट पुलटनले गरेको थियो। 

साधारण रेल इन्जिनमा क्षैतिज बाफ इन्जिनको व्यवहार हुन्छ। यो इन्जिन रेल इन्जिन बयलर (locomotive boiler)को नजीकै ठोस आधारमा लागयो रहन्छ। प्राय: सबै रेल इन्जिनहरूमा संघनित्र रहदैन। कार्य गर्न पछि बाफको सीधा वायुमंडलमा छोड दिइन्छ। यस तरिकाको इन्जिन दुई प्रकारको होते छ: 
(१) बहि:सिलिंडर इन्जिन, जसमा सिलिंडर टाढा सम्म फैले रहछन र यो इन्जिनको फ्रेमको बाहिर नै लगाए जान्छन् तथा
(२) अंत: सिलिंडर इन्जिन, जसमा सिलिंडर इन्जिनको फ्रेमको अन्तर्गत नै एक दोश्रोको बगलमा रखे जान्छन्।

आधुनिक डिजाइनमा यिनी दुवै प्रकारहरूलाई जोड दिइन्छ, अर्थात् केही सिलिंडर इन्जिनको फ्रेमको भित्र रहछन एवं केही सिलिंडर बाहिर रहछन।

आधुनिक बाफ इन्जिन
जेम्स वाटको बाफ इन्जिनमा अनेक परिवर्तन गरियो छन्, यद्यपि प्रमुख सिद्धान्त अझै पनि त्यहि छ। परिवर्तनहरूको आवश्यकता बाफ इन्जिनको अनेकानेक कायहरूमा प्रयुक्त भएको कारण भए। वाटले बाफ इन्जिनमा निम्न दाब काममा लागि थिए किन भनें उनलाई विस्फोटको डर थियो। तर आजकल सर्वत्र उच्च दाब इन्जिन नै प्रयुक्त गरे जान्छन् किन भनें यिनको दक्षता पनि निम्न दाब इन्जिनको अपेक्षा अधिक हुन्छ।

आधुनिक इन्जिनको संघनित्रमा अनेक नलियाँ हुन्छं जसमा एक पंपद्वारा शीतल जल प्रवाहित गराउइन्छ। एउटा अझै अर्को पंप बाफको संघनन देखि बने पानी र हावाको निकालनको लागि लागयो हुन्छ।

यो पनि हेर्नुहोस्
 आन्तरिक दहन इन्जिन
 वाष्प टर्बाइन

वाह्य सूत्र
Interactive Animation & Download  – (German, English, Spanish)
Titanic's Triple Expansion Engines on Titanic-Titanic.com
Howstuffworks - "How Steam Engines Work"
Animated engines - Illustrates a variety of steam engines 
A history of the growth of the steam-engine
Uniflow engines 
Steam powered lawn mower 
Rotary steam engines 
Beauchamp Tower's spherical steam engine
Miniature live steam site 
Steamboat revival on Lake Geneva 
New Scientist jet steam engine article
Dual pistons with linear generator as microCHP 
An art project underway that aims to build a steam powered Victorian house on tractor treads 
Steam Engineering Tutorials
A history of the growth of the steam engine Cornell University Library Historical Monographs Collection. {Reprinted by} [ Cornell University Library Digital Collections]

श्रेणी:उर्जा
श्रेणी:यात्रिक प्राविधिक
श्रेणी:इन्जिन
श्रेणी:बाह्य दहन इन्जिन