वाष्प इन्जिन

एक स्वयं-प्रगामी (self-propelled) वाष्पयान

एक संरक्षित अपूर्ण पोर्टेबल वाष्पयान (टेन्टरफिल्ड एन एस डब्ल्यू)

वाष्पयान या बाफको इन्जिन एक प्रकार को उष्मीय इन्जिनहो जसले कार्य गर्न को लागि जल-वाष्प को प्रयोग गर्दछ। बाफ को इन्जिन अधिकांशतः वाह्य दहन इन्जिन हुन्छन् जसमा रैंकाइन चक्र (Rankine cycle) नामक उष्मा-चक्र (heat cycle) काम मा लाया जान्छ। केहि वाष्पयान सौर उर्जा, नाभिकीय उर्जा या जिओथर्मल उर्जा भन्दा पनि चलते छन्।

इतिहास

बाफको इन्जिनको इतिहास धेरै पुरानो छ (कुनै दुइ हजार वर्ष)। किन्तु पहि लि गर्‍यो युक्तिहरु शक्ति उत्पादनको दृष्टिले व्यावहारिक थिएन। त्यस पछि यीनको डिजाइनमा धेरै सुधार भयो जसबाट यो औद्योगिक क्रान्तिको समय यांत्रिक शक्ति को प्रमुख स्रोत बनएर उभरे। यद्यपि अब बाफ देखि चलने वाला रेलगाडियाँ एवं अन्य मिसिनहरु कालकवलित हो चुकीं हो किन्तु पुरा संसार को विद्युत-शक्ति को लगभग आधी शक्ति आज पनि वाष्प टर्बाइनों को सहायता देखि उत्पन्न गरे जा रहेको छ ।

बाफ इन्जिन बनाउन को यत्न को सबै भन्दा प्राचीन उल्लेख अलेक्जैंड्रिया को हीरो को लेखहरु मा भेटिन्छ। हीरो उन विख्यात अलैक्जैंड्रीय संप्रदाय (300 ई.पू.-400 ई. सन्) schwör bei koranका सदस्य थियो जसमा टोलेमी, यूक्लिड, इरेटोस्थनीज जस्तै तत्कालीन विज्ञान को महारथी सम्मिलित थिए। हीरो ले आफ्नो लेख मा एक यस्तो युक्ति को वर्णन गरेको छ जसमा एक बंद बाक्स मा वायु गर्म गरिन्थ्यो अझ एक नली को मार्ग देखि तल पानी भरे बर्तन तिर फैलती थियो। यसमा बर्तन को पानी दोश्रो नली मा चढता थियो अझ एक नक्कली फुहारा बन जान्थ्यो। फेरि यसपछि यस सम्बन्ध मा कहीं कुनै विवरण हैन भेटिन्छ।

1606 ई. मा, हीरो देखि लगभग 2,000 वर्ष बाद, नेपोलियन अकादमी को संस्थापक र तत्कालीन यूरोप मा विज्ञान को अग्रणी नेता मार्क्सेव देला पोर्ता ले हीरो को फुहारेवाला प्रयोग मा हावा को ठाँउ बाफ को उपयोग गर्यो। उनले यो पनि सुझाया कि कुनै बर्तन को पानी देखि भरने को लागि यदि उसलाई एक नली द्वारा पानी भन्दा कुनै तालाब देखि सम्बन्धित गर्‍यो जाय र तब उन बर्तन माबाफ भरेर फेरि उसलाई माथि देखि पानी को द्वारा ठंडा गरे जाय त भित्र को बाफ संघनित भएर निर्वात उत्पन्न करेगी र उनको ठाँउ तालाब देखि पानी बर्तन मा भर जाएगा।

1698 ई. मा मार्क्सेव देला पोर्ता को यस सुझाव को उपयोग टामस सेवरी ले पानी चढाने को एक मिसिन मा गर्यो। यस प्रकार सेवरी पहिलो व्यक्ति थियो जसले व्यावसायिक उपयोग को एक बाफ इन्जिन बनाया, जसको उपयोग खदानों मध्ये पानी उलीचने र कुहरुमध्ये पानी निकालन मा भयो।

सेवरी को इन्जिन को आविष्कार पछि बाफ इन्जिन को अघिल्लो चरण न्यूकोमेन इन्जिन को आविष्कार थियो। यसको आविष्कार टामस न्यूकोमेन (1663-1729 ई.) ले गर्यो। यस इन्जिन को खदानों र कुओं देखि पानी निकालन मा 50 वर्ष सम्म उपयोग होता रहयो। यसको ऐतिहासिक महत्व पनि छ, किनकी त्यहि देखि जेम्स वाट को आविष्कारहरु को मार्ग खुला। यस इन्जिन मा पहिलो पल्ट सिलिंडर र पिस्टन को उपयोग गरियो जुन अब सम्म बाफ इन्जिनहरु मा प्रयुक्त गरे जान्छन्।

न्यूकामेन इन्जिन मा बाफ केवल निर्वात उत्पन्न गर्न को काम आउँछ। पिस्टन उठाने को काम, जसबाट पानी चढता छ, वायुमंडलीय दाब गर्दछ। तर बाफको केवल संघनित गर्न मा धेरै ईंधन व्यर्थ खर्च हुन्छ।

जेम्स वाट को महत्वपूर्ण कार्य बाफ इन्जिन को सर्वश्रेष्ठ रूप दिन हो जसबाट मनुष्य को शक्ति दस गुनी बढ गई र व्यावसायिक क्षेत्र मा बृहद् परिवर्तन भयो।

जेम्स वाट ग्लासगो मा एक चतुर वैज्ञनिक यंत्ररचयिता थिए र 1763 मा ग्लासगो विश्वविद्यालय को भौतिकी को प्रोफेसर देखि उनलाई एक न्यूकामेन इन्जिन को मरम्मत को ओदश मिलयो जुन कहिल्यै ठीक न चलता थियो। मरम्मत गरेर समय वाट को ध्यान आयो कि यसमा ईंधन बुरी तरिका देखि व्यर्थ हुन्छ। विचारशील स्वभाव को वाट ले यसले श्रेष्ठ मिसिन बनाउन विचार प्रारंभ गर्यो। यस प्रकार उनले अनेक अन्वेषण गरे र यंत्र बनाए, जिन ले बाफ इन्जिन को उनको वर्तमान स्वरूप प्राप्त भयो र त्यो उद्योग र सभ्यता को प्रगति मा शक्तिशाली साधन बनयो।

बाफ इन्जिन को प्रकार

बाफ इन्जिन को निम्नलिखित मुख्य प्रकार हो :

एक एवं द्विक्रिया इन्जिन (single and double acting engine)

एकक्रिया इन्जिन मा बाफ पिस्टन को एक नै ओर कार्य गर्छ एवं द्विक्रिया इन्जिन मा बाफ पिस्टन को दुवै ओर कार्य गर्छ। यदि यिनी दुवै प्रकार को इन्जिनहरु मा अन्य सबै अवस्थाहरु समान हो, त द्विक्रिया इन्जिन द्वारा प्राप्त शक्ति दोश्रो प्रकार को इन्जिन द्वारा प्राप्त शक्ति को दूनी हुन्छ। यही कारण हो कि यिनी दिनहरु एकक्रिया इन्जिन कम नै व्यवहार मा लाया जान्छ।

ऊर्ध्वाधर एवं क्षैतिज इन्जिन

सिलिंडर को धुरी को ऊर्ध्वाधर या क्षैतिज भएको अनुसार इन्जिन ऊर्ध्वाधर या क्षैतिज भनिन्छ। क्षैतिज इन्जिन ऊर्ध्वाधर इन्जिन ले अधिक ठाँउ घेरता छ। ऊर्ध्वाधर प्रकार को इन्जिन मा घर्षण आदि कम हुन्छ, जसको कारण यो क्षैतिज इन्जिन को तुलना मा अधिक दिन सम्म चल्न सक्छ।

निम्न एवं उच्च चाल इन्जिन (low and high speed engine)

बाफ इन्जिन को चाल वस्तुत: यसको क्रैंक शैफ्ट (crank shaft) परिक्रमण (revolutions) प्रति मिनेट को चाल हुन्छ। चार फुट पिस्टन स्ट्रोक (piston storke) एवं 80 परिक्रमण प्रति मिनटवाला इन्जिन मा औसत पिस्टन चाल 640 फुट प्रति मिनेट हुनेछ। यो इन्जिन निम्न चाल इन्जिन भन्यो जाएगा। साधारणत: 100 परिक्रमण प्रति मिनेट को चाल भन्दा कम चाल मा चलनेवाला इन्जिन को निम्न चाल इन्जिन भन्छन् एवं 250 परिक्रमण प्रति मिनेट को चाल भन्दा अधिक चाल मा चलनेवाला इन्जिन को उच्च चाल इन्जिन भन्छन्। 100 र 250 परिक्रमण प्रति मिनेट को बीच को चाल मा चलनेवाला इन्जिन को "मध्यम चाल इन्जिन" (medium speed engine) भन्छन्। उच्च चाल इन्जिन को सबै भन्दा ठूलो गुण यो हो कि समान शक्ति को लागि यो धेरै नै साना आकार को हुन्छ। उच्च चाल को कारण बाफ पनि कम नै खर्च हुन्छ, किनकी यस प्रकार को इन्जिन मा बाफ र सिलिंडर को 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 बाफ को निकास (exhaust) सीधा वायुमंडल मा हुन्छ एवं यसको लागि सिलिंडर मा बाफ को दाब वायुमंडल को दाब भन्दा कहिल्यै कम हैन हुनु पर्छ। संघनन इन्जिन मा बाफ कार्य गर्न पछि संघनित्र मा प्रवेश गर्छ एवं त्यो वहाँ वायुमंडल को दाब मा जल मा परिवर्तित हुन्छ। संघनित्र को व्यवहार गर्न देखि बाफ अधिक कार्य गरेर पाती छ।

सरल एवं संयोजी इन्जिन (simple and compound engine)

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

बाफ इन्जिन को कार्यसिद्धांत (working principle)

बाफ को शक्ति ले चलने वाला गाडी को कार्यसिद्धान्त

ऊष्मा इन्जिन को अधिकतम दक्षता (T1-T2 )/T1 हुन्छ जसमा (T1) र (T2) ऊष्मा इन्जिन चक्र (heat engine cycle) मा अधिकतम एवं न्यूनतम ताप छन्। यसले थाहा हुन्छ कि इन्जिन को दक्षता यिनी दुवै तापों मा निर्भर गर्छ। भांप इन्जिन को दक्षता उतनी नै बढती जाएगी जितनी (T1) को मूल्य बढेगा एवं (T2) को मूल्य घटेगा। (T1) को मूल्य को बढाने को लागि बायलर देखि निकल गरेर इन्जिन मा आनेवाला बाफ को दाब को बढाना हुनेछ, किनकी बाफ को दाब जितनी नै अधिक हुनेछ (T1) को मूल्य उतना नै बढेगा। (T1) को बढाने को एउटा अझै अर्को उपाय हो। त्यो छ बाफ को अतितापित (superheat) गर्न। अतितापक को बयलर मा व्यवहार गरेर बाफ को अधिताप बढाइन्छ । (T2) को मान को कम गर्न को लागि संघनित्र (condenser) को व्यवहार गर्न आवश्यक हुन्छ। संघनित्र मा ठंढे जल द्वारा बाफ जल मा परिवर्तित गरिन्छ। अत: राम्रा संघनित्र मा (T2) को मान ठंढे जल को ताप को बराबर हुन सक्छ। यसले थाहा हुन्छ कि बाफ इन्जिन मा अधिक दाब एवं अतितप्त बाफ द्वारा कार्य गराउन देखि एवं कार्य गराउन पछि बाफ को संघनित्र मा प्राप्य ठंढे जल को ताप को बराबर ताप मा जल मा परिवर्तित गर्न देखि इन्जिन अधिक दक्ष हुनेछ।

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

द्विक्रिया इन्जिन मा त्यहि देखि सदृश चक्र को क्रिया सिलिंडर को दोश्रो ओर हुन्छ।

बाफ को कार्नो चक्र (Carnot cycle)

jhddhfjdsbgvkjdfzhifhnv asmkfbqwjdbsjkfbgvdfgvbjsdfvsdafvshxvdampfmaSCHIBNEGVNDFGIHFGBFDN

रैंकिन चक्र (Rankine cycle)

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

बाफ इन्जिन को गतिनियामक (governor)

गति नियामक को मुख्य कार्य इन्जिन को गति को नियमन गर्न छ। बाफ इन्जिन को गति-नियामक यिनी दुइ तरीकहरुमा भन्दा एक नै सहायता देखि परिभ्रमण को गति स्थिर रख पाता छ:

• (1) विच्छेद बिंदु को बदलन देखि तथा
• (2) बाफ को प्रारंभिक दाब को परिवर्तित गर्न से।

शक्ति को माँग को अनुसार बाफ को दाब को बढाएर या घटाकर इन्जिन को गति को नियमन गर्नवाला गतिनियामक को अवरोध गतिनियामक (throttling governor) भन्छन्। गतिनियामक एक अवरोध वाल्व को चलाइन्छ, जुन मुख्य बाफ नली मा राखयो हुन्छ। यस प्रकार को गतिनियामकहरु मा मुख्य गतिपालक कंदुक गतिनियामक (fly ball governor) हुन्छ। वाल्व संतुलित प्रकार को हुन्छ, अर्थात् बाफदाब द्वारा परिणामी बल (resultant force) शून्य हुन्छ। जब इन्जिन को गति बढती छ, गतिनियामक कंदुकों को परिभ्रमण को गति मा पनि वृद्धि हुन्छ, जसबाट केंद्रापसारी (centrpetal force) बल बढछ। बल को यो वृद्धि उनलाई गुरुत्वाकर्षणबल एवं नियन्त्रण कमानी को विरुद्ध बाहिर चलने को बाध्य गर्छ। यसको चलते वाल्व केहि अंश मा बंद हुन्छ। वाल्व द्वारा अवरोध भए पछि पिस्टन मा कार्य गर्नवाली बाफ को दाब मा कमी हुन्छ, जसको कारण उत्पन्न शक्ति पनि कम हुन्छ। एवं इन्जिन को गति मा कमी भएको कारण वाल्व कमानी माथि उठ जान्छ एवं इन्जिन को गति मा कमी भएको कारण वाल्व कमानी माथि उठ जान्छ एवं पिस्टन मा कार्य गर्नवाली बाफ को दाब मा वृद्धि हुन्छ, जसको फलस्वरूप गति बढएर सामान्य गति मा आ जान्छ। अवरोध गति-नियामक द्वारा नियमित बाफ इन्जिन मा प्रयोग पछि यदि इन्जिन मा प्रति घन्टा व्यवहृत बाफ को तौल को अश्वशक्ति संग आँका जाए, त एक सरल रेखा प्राप्त हुनेछ। यो सम्बन्ध सर्वप्रथम विलिअन ले पाया थियो। अत: इन्हीं को नाम मा यसलाई "विलिअन को रेखा" (Willian's Line) भन्छन्।

==गतिपालकHatschiक्र को ईषा संग चाभी को द्वारा अटकाया जान्छ।

नौ इन्जिन (marine engines)

निम्न गतिवाला भारवाहक जलपोतहरु (ships) मा ठूलो नोदक (propellers) लगाए जान्छन् एवं यो नोदक प्रति मिनेट 80 परिक्रमण गर्छन। यस तरिका को जहाजहरुमा बाफ इन्जिन धेरै नै उपयुक्त छन्। उच्च गति मा चलनेवाला जहाजहरुमा बाफ इन्जिन को ठाँउ बाफ टरबाइन को व्यवहार किय जा रहेको छ । समुद्रयान मा व्यवहार मा लाए जानेवाला बाफ इन्जिन मा त्रिप्रसार प्रकार को इन्जिन प्रसिद्ध छं। समुद्रयान इन्जिन सर्वदा पृष्ठ संघनक (surface conderser) द्वारा युक्त हुन्छ, जसमा पीतल को नलिकाहरु लगी रहछ। पंप को द्वारा समुद्र को जल संघनित्र मा लाया जान्छ। समुद्र को जल देखि नै संघनित्र मा आएको भए बाफ को संघनन हुन्छ। यद्यपि आजकल समुद्रयानहरुमा अंतर्दहन इन्जिन, बाफ टरबाइन एवं ग्याँस टरबाइन व्यवहार मा लाया जा रहेको छ , फेरि पनि केहि खास अवस्थाहरु मा बाफ इन्जिन को व्यवहार अत्यंत आवश्यक हुन्छ।

रेल इन्जिन (locomotive engine)

रिचर्ड ट्रेविथिक ले बाफ इन्जिन को सर्वप्रथम उपयोग रेल इन्जिन को निर्माण मा गर्यो। तर आर्थिक कठिनाई को कारण उनको प्रयास सफल न हो पाया। अंतत: जार्ज र राबर्ट स्टीवेंसन (पिता र पुत्र) को नै एक सफल रेल इन्जिन चित्र 7 बनाएर उस ले1829 ई. मा लोवरपुल र मैनचेस्टर को बीच रेलगाडी चलान श्रेय प्राप्त भयो। जलयानहरुको लागि बाफ इन्जिन को प्रथम उपयोग 1812 ई. मा राबर्ट पुलटन ले गरेको थियो।

साधारण रेल इन्जिन मा क्षैतिज बाफ इन्जिन को व्यवहार हुन्छ। यो इन्जिन रेल इन्जिन बयलर (locomotive boiler) को नजिकै ठोस आधार मा लागयो रहन्छ। प्राय: सबै रेल इन्जिनहरु मा संघनित्र रहदैन। कार्य गर्न पछि बाफ को सीधा वायुमंडल मा छोड दिइन्छ। यस तरिका को इन्जिन दुइ प्रकार को होते छ:

• (1) बहि:सिलिंडर इन्जिन, जसमा सिलिंडर टाढा सम्म फैले रहछन र यो इन्जिन को फ्रेम को बाहिर नै लगाए जान्छन् तथा
• (2) अंत: सिलिंडर इन्जिन, जसमा सिलिंडर इन्जिन को फ्रेम को अंतर्गत नै एक दोश्रो को बगल मा रखे जान्छन्।

आधुनिक डिजाइन मा यिनी दुवै प्रकारहरुलाई जोड दिइन्छ, अर्थात् केहि सिलिंडर इन्जिन को फ्रेम को भित्र रहछन एवं केहि सिलिंडर बाहिर रहछन।

आधुनिक बाफ इन्जिन

जेम्स वाट को बाफ इन्जिन मा अनेक परिवर्तन गरियो छन्, यद्यपि प्रमुख सिद्धान्त अझै पनि त्यहि छ। परिवर्तनहरु को आवश्यकता बाफ इन्जिन को अनेकानेक कायहरुमा प्रयुक्त भएको कारण भए। वाट ले बाफ इन्जिन मा निम्न दाब काम मा लागि थिए किनकी उनलाई विस्फोट को डर थियो। तर आजकल सर्वत्र उच्च दाब इन्जिन नै प्रयुक्त गरे जान्छन् किनकी यिनको दक्षता पनि निम्न दाब इन्जिन को अपेक्षा अधिक हुन्छ।

आधुनिक इन्जिन को संघनित्र मा अनेक नलियाँ हुन्छं जसमा एक पंप द्वारा शीतल जल प्रवाहित गराउइन्छ। एउटा अझै अर्को पंप बाफ को संघनन देखि बने पानी र हावा को निकालन को लागि लागयो हुन्छ।

वाह्य सूत्र

वाष्पशक्ति देखि चालित एक साइकल

• 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]