Buhar makinesi

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.^[1]

Çalışma prensibi olarak, ısı enerjisini alan su buharlaşarak genişler ve bir odacığa alınır, odacık soğutulduğunda sıvı hale geçen buhar vakum yaratır böylece mekanizmaların hareket alması ile mekanik enerjiye yani işe dönüşür.

Bilinen ilk buhar makinesi diyebileceğimiz örnek Mısırlı mühendis Heron'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 Heron 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.

1698 yılında, İngiliz mühendis Thomas Savery (1650-1715), ilk ticari olarak satılan buhar makinesini yapmıştır. Bu makine maden ocağından suyu dışarı atmak amacıyla kullanılmıştır. Madencinin Arkadaşı olarak tanınmaktaydı.

Çalışma prensibi ise şöyledir:

Buhar kazanından gelen buhar odacığa dolar. Odacık buhar ile doluyken üzerine soğuk su döküldüğünde suya dönüşen buhar vakum yaratır; böylece odacıktaki su seviyesi yükselir. Vana yardımıyla odaya buhar dolduğunda iş yapılmış olur yani madenden su çekilmiş olur. Bu makinede vanalar insan gücüyle sırayla kapatılıp açılması gerekmektedir.

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 gerekliydi. Bu tip makinelerin öncülü olan Savery'nin makinesi verimi düşük olduğundan fazla kullanılmadı fakat kendinden sonra gelen makineler için temel teşkil etti.^[2]
Makinenin çalışma şeması

1712 ‘de İngiliz mühendis Thomas Newcomen (1663-1729) yeni bir tür buhar makinesi geliştirdi. Bu makinenin Savery Makinesinden en büyük avantajı pistonun bir zincir yardımıyla tahterevalli benzeri bir tür kaldıraca tutturulmuş olmasıydı. Bu kaldıracın diğer ucu ise bir tür tulumbaya bağlanmıştı. Piston silindirin en üst noktasında iken silindirin içine gönderilen soğuk su buharı yoğunlaştırıyordu. Böylece atmosferik basınç pistona aşağıya doğru kuvvet uyguladığı anda su madenden yükseliyordu. Buhar pistona dolunca bu çevrim tekrar ediyordu. Ayrıca daha az tehlikeliydi. Yine de makine istenilen verime ulaşamamış ve yakıt tüketimi azalmamıştı.

1764 yılında bozulan Newcomen makinelerinden biri onarılması için İskoçyalı mühendis James Watt'a verildi.^[3] makineyi onaran Watt aynı zamanda randımanı düşük bu makineyi geliştirmek de istedi. Arkadaşı İskoç kimyacı Joseph Black'tan gizli ısıyı ^[4] öğrenmiş olan Watt aynı odayı sürekli ısıtıp soğutmanın ne kadar israflı bir şey olduğunu anladı ve aklına iki oda yapma 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 makinesini iyice geliştirmiş ve pistonun ileri geri hareketini ustalıkla bir tekerleğin dönme hareketine çeviren mekanik aletleri de icat etmişti. Watt'ın makine tarihi ve makine mühendisliğine katkıları çok büyük önem taşır.

1884 yılında İngiliz mühendis Charles Algernon Parsons (1854-1931) ilk başarılı buhar türbinini yapmıştır.^[5] Bu sayede yüksek hızlı gemi yapımı kolaylaşmış. Jeneratörlerin de kullanılması kolaylaşmıştır.

James Watt'ın geliştirmesine rağmen buhar makinelerinin verimi hâlen %7 civarında idi kalan %93 boşa giden ısı olarak kayboluyordu.

Buhar makinesinin verimini inceleyen ilk kişi Fransız fizikçi Nicolas Leonard Sadi Carnot'tur. (1796-1832) 1824 yılında yayımladığı Ateşin Tahrik Kuvveti Üzerine isimli kitabında buhar makinesinin 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 kişi olduğundan Termodinamik biliminin kurucusu kabul edilmektedir.

1787 yılına kadar buharlı motorlar sadece su pompalarını ve tekstil makinelerini çalıştırmak için kullanılmıştı. 22 Ağustos 1787 yılında ise Amerikalı mucit John Fitch (1743-1798) ilk vapuru Delaware Nehri'ne indirmiştir.^[6] Bir süre Philadelphia 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.^[7] Bu sefer Fitch'in tersine ticari başarı kazanıldığından Fulton vapuların mucidi kabul edilmektedir. 1809 yılında ise Moses Rogers komutası altındaki Phoenix okyanusa açılan ilk buharlı vapur oldu.^[8] 1811 yılında Mississippi Nehri üzerinde işleyen ilk gemi New Orleans faaliyete geçti.^[8]

Okyanusu 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.^[9]

1827 yılında Türbinlerin ve gemi pervanesinin keşfedilmesi sonucu, pervanenin yan çarktan daha etkili olduğu anlaşıldı ve gemi teknolojisi hızla gelişti ^[10]

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.^[11]

1825 yılına gelindiğinde ise İngiliz mucit George Stephenson geliştirilmiş buharlı motorlardan faydalanarak ilk buharlı lokomotif denebilecek ve adına Rocket dediği aracı yaptı.

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.

Buhar makineleri iki ana başlıkta sınıflandırılabilir.

• 1) Teknoloji kullanımına göre

1.1) Pistonlu buhar makineleri

1.2) Türbinli buhar makineleri

• 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) Buharlı lokomotif

2.2.3) Buharlı otomobil

2.2.4) Buharlı iş makineleri

2.2.4.1) Buharlı yol silindiri

2.2.4.2) Buharlı traktör

Wikimedia Commons'ta Buhar makinesi ile ilgili ortam dosyaları bulunmaktadır.