बीम इंजन कैसे काम करता है

 (glinscott.github.io)
2 पॉइंट द्वारा GN⁺ 3 시간 전 | 1 टिप्पणियां | WhatsApp पर शेयर करें
  • शुरुआती बीम इंजन भाप के फैलाव और संघनन, तथा वायुमंडलीय दबाव का उपयोग करके लगातार लगभग 15 horsepower पैदा करते थे, और reciprocating motion को rotation में बदलकर औद्योगिक क्रांति के दौर में खदानों और फैक्ट्रियों की मशीनरी चलाते थे
  • Newcomen इंजन भाप को संघनित करके vacuum बनाता था और वायुमंडलीय दबाव से piston को चलाता था, लेकिन हर stroke में cylinder को ठंडा और फिर गर्म करने के कारण भाप का लगभग तीन-चौथाई हिस्सा बर्बाद हो जाता था
  • James Watt के separate condenser ने cylinder को गर्म और condenser को ठंडा रखकर coal consumption लगभग दो-तिहाई घटा दी, और double-acting cylinder, cutoff और precision machining के जरिए दोनों दिशाओं में कुशलता से power पैदा की
  • slide valve और eccentric wheel, beam और parallel motion, crank और flywheel, feedwater pump, governor ने steam flow, linear motion, rotation, boiler feedwater और speed control को एक automatic operating system में जोड़ा
  • thermal efficiency Newcomen के लगभग 0.5% से बढ़कर Watt में लगभग 3%, 1890 के दशक के बड़े जहाज़ी engines में 10% से अधिक, और आधुनिक steam turbine power plants में 40% से अधिक हो गई; electric motors के फैलने के साथ central beam engine और shaft-बelt systems धीरे-धीरे बदले गए

भाप का फैलाव और दबाव

  • पानी उबलकर भाप बनता है तो अपने मूल आयतन से लगभग 1,700 गुना फैलता है
    • एक कप पानी लगभग 400 liter भाप बन जाता है, जो दो bathtubs भरने जितना होता है
    • अगर फैलने के लिए जगह कम हो, तो यह container की पूरी दीवारों को धकेलता है, और इस बल को area से भाग देने पर मिलने वाली मात्रा pressure होती है
  • पानी की सतह पर लगा steam pressure उन सभी जगहों पर समान रूप से पहुंचता है जहां पानी संपर्क में है
  • जब pressure difference 1 atmosphere हो, तो piston area के हर 1cm² पर लगभग 1kg बल मिलता है
    • piston का diameter दोगुना करने पर area और force चार गुना हो जाते हैं
    • शुरुआती निर्माताओं के लिए high-pressure steam को सुरक्षित रूप से संभालना संभव नहीं था, इसलिए वे इतने बड़े low-pressure cylinders इस्तेमाल करते थे जिनमें आदमी घुस सके

वायुमंडलीय दबाव और steam vacuum

  • जमीन पर 1cm² cross-section से atmosphere के छोर तक जाने वाला हवा का column लगभग 1kg होता है, और atmosphere हर 1cm² पर लगभग 1kg बल लगाता है
  • शरीर के अंदर की हवा और body fluids भी उसी pressure से बाहर की ओर धक्का देते हैं, इसलिए सामान्य स्थिति में हमें atmospheric pressure महसूस नहीं होता
    • straw से पीते समय straw के अंदर pressure कम हो जाता है, और cup की सतह पर atmospheric pressure liquid को ऊपर धकेलता है
  • Otto von Guericke ने 1654 में लगभग 0.5m diameter वाले दो copper hemispheres के अंदर की हवा निकाल दी
    • atmospheric pressure ने hemispheres को लगभग 2 ton बल से पकड़े रखा, और कई घोड़े भी उन्हें अलग नहीं कर पाए
    • valve खोलकर हवा अंदर आने देने पर उन्हें हाथ से अलग किया जा सका
  • container को भाप से भरने के बाद पानी छिड़ककर ठंडा करने पर भाप अपने लगभग 1/1,700 आयतन के पानी में condense हो जाती है, जिससे जल्दी vacuum बनाया जा सकता है
    • piston के नीचे की भाप को condense करने पर ऊपर का atmospheric pressure piston को vacuum की दिशा में नीचे दबाता है
    • 0.5m diameter वाला piston पूर्ण vacuum में लगभग 2 ton बल जुटा सकता है

Newcomen का mine drainage engine

  • 1700 के शुरुआती वर्षों में खदानें groundwater level से नीचे गहरी होने लगीं, जिससे पानी लगातार रिसता था; घोड़ों की शिफ्टें दिन-रात pumps चलातीं, फिर भी बारिश के मौसम में coal mines छोड़नी पड़ती थीं
  • Thomas Newcomen ने vacuum piston को एक विशाल rocking beam से जोड़कर ऐसा engine बनाया जो पूरे दिन चलता था
    • atmospheric pressure piston को नीचे धकेलता तो दूसरी तरफ की भारी pump rod ऊपर उठती
    • pump rod का वजन piston को फिर ऊपर उठाता, और इस दौरान cylinder भाप से भर जाता
  • पहला सफल engine 1712 में Dudley के पास एक coal mine में लगाया गया
    • यह प्रति मिनट लगभग 12 strokes पर चलता था
    • हर stroke में लगभग 45 liter पानी को 50m ऊंचाई तक उठाता था
    • भोजन या आराम के बिना 24 घंटे चल सकता था, इसलिए Cornwall से Newcastle तक फैल गया
  • 50cm diameter वाला piston पूर्ण vacuum में लगभग 2 ton बल प्राप्त करता था, और leakage तथा pump rod के वजन को ध्यान में रखते हुए लगभग 4kW का useful work कर सकता था
    • एक दिन तक इसका काम करवाने के लिए लगभग 15–20 घोड़ों को शिफ्टों में लगाना पड़ता
    • Watt ने बाद में engines को इस आधार पर बेचा कि वे कितने घोड़ों की जगह लेते हैं, और 1 horsepower को प्रति मिनट 33,000 foot-pound के रूप में तय किया

  • शुरुआती cylinders की machining limitations

    • बड़े iron cylinders cast करने से अधिक कठिन था उनके अंदरूनी हिस्से को सीधा और गोल बनाना
    • Newcomen के cylinders हाथ से घिसकर बनाए जाते थे, और पानी से ढके leather flaps से अनियमित inner walls को seal किया जाता था
    • Denis Papin ने 1690 में piston के नीचे पानी को उबालकर ऊपर उठाने और फिर condense करके atmospheric pressure से नीचे लाने का सिद्धांत दिखाया था, लेकिन इसे continuous-running engine में विकसित नहीं किया

Newcomen engine की fuel wastage

  • ठंडा पानी सीधे cylinder के अंदर inject करने से सिर्फ भाप ही नहीं, बल्कि विशाल iron cylinder भी ठंडा हो जाता था
  • अगले stroke में cylinder को फिर गर्म करने में भाप का लगभग तीन-चौथाई हिस्सा बर्बाद हो जाता था
  • coal mines ऐसी inefficiency सह सकती थीं क्योंकि वे fuel के रूप में गैर-वाणिज्यिक छोटे coal pieces, यानी slack, इस्तेमाल कर सकती थीं; लेकिन अन्य क्षेत्रों में fuel cost बहुत ज्यादा थी
  • high consumption के कारण steam engine अगले लगभग 50 वर्षों तक coal mines केंद्रित ही सीमित रहे

low-pressure boiler और atmospheric pressure के फायदे

  • Newcomen का haystack boiler atmospheric pressure से सिर्फ लगभग 1/20 atmosphere अधिक pressure वाली भाप पैदा करता था
    • इसे पतली copper-iron plates और rivets से बनाया जाता था; चौड़ी walls और कमजोर joints high pressure सह नहीं पाते थे
    • अगर भाप सीधे धक्का दे तो प्रति 1cm² लगभग 50g बल मिलता, लेकिन condense करके atmospheric pressure इस्तेमाल करने पर लगभग 1kg, यानी करीब 20 गुना बल मिलता था
  • Thomas Savery ने 1690 के दशक में soldered copper boilers से high-pressure steam इस्तेमाल करने की कोशिश की
    • आग soldering को नरम कर देती और joints leak होते, इसलिए बार-बार मरम्मत करनी पड़ती थी
    • Newcomen ने atmospheric pressure के करीब की भाप इस्तेमाल की और पतली lead-wrought iron plates तथा riveted structure चुना
  • Watt का waggon boiler चौड़े water chamber के नीचे से hot gases भेजता था और गोल roof के नीचे भाप जमा करता था
    • चौड़ा bottom heat अच्छी तरह लेता था, लेकिन flat sides और अंदर की ओर मुड़ा bottom pressure के प्रति vulnerable थे
  • बाद के निर्माताओं ने पूरे boiler को बाहर की ओर मुड़े लंबे cylinder के रूप में बनाया, जिससे flat surfaces और अंदर की ओर curved surfaces हट गईं
    • cylinder radius जितना बड़ा होता, उसी pressure पर फैलाने वाला बल उतना अधिक होता, इसलिए boilers को narrow बनाया जाता था
    • 2 atmospheres और 0.5m radius वाले cylinder में sheet के हर 1m पर लगभग 10 ton circumferential load लगता है, और longitudinal stress उसका आधा होता है
    • spherical shape load को अधिक समान रूप से बांटती है, लेकिन rolled-riveted sheets से बनाना कठिन था
  • iron और rivet technology सुधरने पर higher pressure संभव हुए, और Richard Trevithick ने 1800 के आसपास कई atmospheres pressure वाले engines चलाए

Watt का separate condenser

  • James Watt ने 1765 में University of Glasgow में Newcomen model engine की मरम्मत करते समय अत्यधिक steam consumption का विश्लेषण किया
  • Joseph Black द्वारा अध्ययन की गई latent heat के अनुसार, 1kg पानी को उबालकर भाप बनाने में उसे freezing point से boiling point तक गर्म करने की तुलना में 5 गुना से अधिक energy लगती है
  • cylinder के अंदर की भाप को condense करने के लिए जितना पानी सैद्धांतिक रूप से चाहिए, सिर्फ उतना डालने पर latent heat से पानी गर्म हो जाता और condensation रुक जाती, इसलिए पर्याप्त vacuum नहीं बनता था
    • ठंडा पानी और डालने पर vacuum तो बनता, लेकिन cylinder भी ठंडा हो जाता और अगले stroke में फिर गर्म करना पड़ता
  • Watt ने ऐसा design पेश किया जिसमें cylinder गर्म रहता और अलग condenser ठंडा रहता
    • stroke के अंत में valve खुलते ही भाप ठंडे condenser में चली जाती
    • भाप के पानी में बदलते ही condenser से जुड़े cylinder का pressure भी साथ में घट जाता
    • engine द्वारा चलाया जाने वाला छोटा air pump हर stroke में condensate और घुसी हुई हवा को निकाल देता
  • separate condenser ने coal consumption लगभग दो-तिहाई घटा दी
    • Watt और Matthew Boulton ग्राहकों द्वारा बचाई गई coal cost का एक-तिहाई fee के रूप में लेते थे

  • precision cylinder manufacturing

    • Watt engine को Newcomen के loose water-sealed piston की तुलना में कहीं अधिक accurate cylinder की जरूरत थी
    • John Wilkinson) ने 1775 के आसपास cannon bore machining technique का उपयोग करके दोनों तरफ supported rigid cutting bar वाले boring mill बनाए
    • 1776 में Tipton में लगाया गया 50-inch cylinder पुराने 1-shilling coin की मोटाई से भी कम dimensional variation वाला था, और steam leakage रोककर Watt engine को practical बना दिया

डबल-एक्टिंग इंजन और भाप की बचत

  • सटीक सिलेंडर के आधार पर Watt ने ऊपर का हिस्सा बंद कर पिस्टन के दोनों ओर बारी-बारी से भाप देने वाला डबल-एक्टिंग (double-acting) इंजन बनाया
    • नीचे जाने वाले स्ट्रोक में ऊपर की भाप धक्का देती है और नीचे का कंडेंसर दबाव कम करता है
    • वापसी स्ट्रोक में कनेक्शन उलट दिए जाते हैं और वही प्रक्रिया विपरीत दिशा में होती है
  • एक ही सिलेंडर दोनों स्ट्रोक में शक्ति देता है, इसलिए मिल की मशीनें चलाने के लिए अधिक स्थिर push-pull बल मिलता है
  • दोनों सिरों में से एक को boiler से और दूसरे को exhaust से जोड़ना, और पिस्टन के लौटने से पहले दोनों कनेक्शन बदलना पड़ता था, इसलिए valve arrangement जटिल हो गया

  • स्लाइड वाल्व और eccentric

    • एक slide valve सिर्फ कुछ cm चलता है और सिलेंडर के एक सिरे को ताजा भाप से, दूसरे सिरे को exhaust से जोड़ता है
    • valve, ताजा भाप से भरे लोहे के डिब्बे यानी steam chest के अंदर स्थित होता है
    • बाहर के दो ports सिलेंडर के दोनों सिरों तक जाते हैं
    • बीच वाला port exhaust बाहर निकालता है
    • चौड़े और खोखले D-आकार के valve का एक किनारा steam port खोलता है, और खाली पिछला हिस्सा उल्टे port को exhaust से जोड़ता है
    • घूमती shaft का eccentric valve और piston को synchronize करता है
    • shaft के केंद्र से थोड़ा हटे हुए disk का center एक छोटा वृत्त बनाते हुए घूमता है
    • disk को घेरे हुए strap valve rod को आगे-पीछे चलाता है
    • shaft पर उसकी position इस तरह adjust की जाती है कि piston के stroke के अंत तक पहुंचने से पहले अगला port खुल जाए

  • कटऑफ और compound expansion

    • अगर piston के stroke के अंत तक पहुंचने से पहले steam port बंद कर दिया जाए, तो फंसी हुई भाप फैलते हुए धक्का देती रहती है, लेकिन pressure धीरे-धीरे कम होता जाता है
    • stroke के आधे हिस्से पर supply काटने वाला 50% cutoff सिर्फ आधी भाप इस्तेमाल करते हुए ideal पूरे-stroke work का करीब 85% पैदा करता है
    • यह calculation पहले आधे में pV/2 और दूसरे आधे में expansion से लगभग 0.35pV work मिलने पर आधारित है
    • और जल्दी cutoff करने से भाप और बचती है, लेकिन pressure friction और dead centre के पास खराब leverage को पार करने के लिए काफी न भी हो सकता है
    • Watt ने इस तरीके का 1782 में patent कराया
    • बाद में compound engines ने एक cylinder के exhaust को बड़े दूसरे cylinder, और कभी-कभी तीसरे cylinder में भेजकर expansion प्रक्रिया से अतिरिक्त work निकाला

इंजन के अंदर के काम का मापन

  • Watt के सहायक John Southern) ने 1796 में अपारदर्शी cylinder के अंदर pressure मापने वाला device बनाया
    • spring लगा एक छोटा piston pressure के हिसाब से pencil को ऊपर-नीचे चलाता था
    • मुख्य piston से linked कागज sideways चलता था
  • बने हुए indicator diagram पूरे stroke में pressure दिखाते थे, और closed curve के अंदर के area से produced work की मात्रा मापी जाती थी
  • piston leakage, देर से cutoff, और restricted exhaust अलग-अलग diagram shapes बनाते थे, जिससे एक card देखकर ही condition diagnose की जा सकती थी
  • Boulton & Watt ने इस device को कई सालों तक secret रखा
  • Émile Clapeyron ने 1834 में इसी तरह के pressure-volume diagram से Sadi Carnot की heat engine theory समझाई, और modern thermodynamics में भी pressure और volume साथ दिखाए जाते हैं

reciprocating motion को rotation में बदलना

  • piston की reciprocating motion सीधे pump में इस्तेमाल हो सकती है, लेकिन factory machinery को rotation चाहिए
  • crank के shaft center से हटे हुए pin और piston को connecting rod से जोड़ने पर reciprocating force shaft को घुमाता है
  • एक rotation में दो बार crank और rod सीधी line में आ जाते हैं; इस dead centre पर force सीधे shaft center से गुजरता है और turning force खत्म हो जाता है
  • बड़ा flywheel तब energy store करता है जब crank का leverage अच्छा होता है, और dead centre पार करते समय उसे वापस देता है
    • flywheel जितना भारी हो, rotational speed में बदलाव उतना कम होता है, जिससे output smooth और steady होता है

  • crank patent और sun-and-planet gear

    • James Pickard ने 1780 में steam engine में crank के इस्तेमाल का patent कराया
    • William Murdoch ने patent से बचने के लिए sun-and-planet gear design किया
    • connecting rod का gear flywheel shaft के दूसरे gear के चारों ओर घूमता था और beam के हर cycle में shaft को दो बार घुमाता था
    • Pickard का patent 1794 में expire होने पर makers फिर सरल crank पर लौट आए
    • यह arrangement planetary gear family का है, और कई planet gears load बांटते हुए input और output को एक ही shaft पर रख सकते हैं
    • इसका इस्तेमाल cordless drills, bicycle hubs, automatic transmissions, और wind turbines में होता है
    • hybrid cars में यह engine, electric motor और wheels के बीच power distribute करता है

beam और parallel motion

  • crank pin ऊपर-नीचे के साथ sideways भी चलता है, लेकिन piston rod को cylinder के top seal से सीधा गुजरना चाहिए
    • direct connection करने पर piston पर side force लगता है और seal तेजी से खराब हो जाता है
  • beam side load को बड़े circular bearing तक पहुंचाता है, जिसे उस समय precision से बनाना संभव था, लेकिन beam का सिरा खुद arc बनाते हुए चलता है
  • Watt ने 1784 में patent कराया parallel motion, जो beam और fixed point को कई hinged links से जोड़ता है
    • जब beam piston rod को एक दिशा में खींचता है, तो दूसरा link लगभग उतनी ही मात्रा में opposite direction में खींचता है
    • दोनों curves cancel होकर piston rod को लगभग straight path पर चलाते हैं
  • Watt ने लिखा कि उन्हें अपनी किसी भी mechanical invention से ज्यादा parallel motion पर गर्व था
  • beam के opposite side की reciprocating motion boiler feed pump चलाने में इस्तेमाल की जाती थी

boiler feed pump

  • boiler के अंदर pressure के कारण water tank को सीधे जोड़ने पर पानी उल्टा बहता, इसलिए operation रोके बिना feed water देने के लिए pump चाहिए
  • beam का सिरा एक संकरे plunger और दो one-way check valves वाले pump को चलाता है
    • plunger ऊपर जाता है तो pressure घटता है, inlet valve खुलता है और tank का पानी अंदर आता है
    • नीचे जाता है तो pressure बढ़ता है, inlet बंद होता है और boiler की ओर outlet valve खुलता है
    • दोनों valves बदलते water pressure के अनुसार अपने-आप operate करते हैं
  • pump pressure boiler से थोड़ा ज्यादा होना चाहिए, लेकिन हर stroke में पानी की मात्रा बहुत ज्यादा नहीं चाहिए
  • plunger को संकरा बनाने से वही pressure × area relation के अनुसार जरूरी force कम हो जाती है, और engine output के छोटे हिस्से से ही boiler water level बनाए रखा जा सकता है

factories की shafts और leather belts

  • steam engine से पहले factories नदियों के किनारे बनती थीं और water wheel से main shaft घुमाती थीं; iron shafts, pulleys और leather belts rotation को हर machine तक पहुंचाते थे
  • machine की belt को loose pulley पर शिफ्ट करने से सिर्फ वह machine inertia से रुकती थी, जबकि main shaft और दूसरी machines चलती रहती थीं
  • जब rope या belt cylinder को लपेटती है, तो हर contact section का tension friction पैदा करता है और अगले section तक पहुंचने वाला tension कम करता है
    • cast iron पर लिपटी rope का friction coefficient लगभग 0.3 मानें तो कमी e^-μθ के रूप में accumulate होती है
    • 2,000N load किसी खंभे के एक चक्कर पर हाथ तक 300N, दो चक्करों पर 46N, और तीन चक्करों पर सिर्फ 7N पहुंचाता है
  • belts install करते समय tension दी जाती है ताकि दोनों side लगभग बराबर खिंची रहें
    • जब machine power मांगती है, friction लौटती हुई slack side के tension का कुछ हिस्सा driving side में shift करता है
    • transmitted power दोनों side के tension difference × belt speed होती है
  • 16-foot diameter वाला flywheel अगर 60 rpm पर घूमे, तो belt speed लगभग 15m/s होती है
    • 1-foot चौड़ी leather belt में दोनों side के tension का difference 2,000N हो तो वह करीब 40 horsepower transfer कर सकती है
  • flat belt को cylindrical pulley से उतरने से रोकने के लिए pulley के center को थोड़ा उभरा हुआ crown बनाया जाता है
    • belt center से हटे तो conical contact surface front edge को center की ओर guide करता है
    • center पर दोनों slopes balance हो जाते हैं और बिना अलग guide के position बनी रहती है

water wheel से direct steam drive तक

  • Richard Arkwright की Cromford water-powered factory 1771 में खुली, और बाद में factory system फैलने से अच्छे riverside sites के लिए competition बढ़ गया
  • water-powered factories dry season में रुक सकती थीं, इसलिए steam pump से water wheel के नीचे का पानी वापस ऊपर उठाने का तरीका इस्तेमाल हुआ
    • इससे water wheel की smooth rotation बनी रही, लेकिन उसी पानी को उठाने में coal waste होता था
    • Watt ने machines तक 10 horsepower पहुंचाने के लिए 16–20 horsepower के pumping engines बेचे
  • double-acting engine और beam, crank, flywheel को जोड़ने से steam engine line shaft को सीधे घुमा सकता था
  • factory owners अब किसी खास riverside के बजाय workers और raw materials के करीब factories बना सकते थे
  • Boulton & Watt ने 1775–1800 के दौरान 496 engines बनाए
    • 38% pumping engines थे
    • 62% rotational power पैदा करते थे और मुख्यतः textile industry में इस्तेमाल हुए

गवर्नर का automatic speed control

  • बिना load पर 30rpm पर चल रहे इंजन से मशीन जोड़ने पर load बढ़ता है और speed गिर जाती है
  • operator हर बार throttle adjust कर सकता था, लेकिन इससे बहुत थकान होती थी, और overspeed होने पर cast-iron flywheel फट सकता था
  • Watt ने windmill में चक्की के पत्थर की speed नियंत्रित करने वाले device को steam engine के लिए centrifugal governor में बदला
    • Boulton ने Watt को बताया कि उसने 1788 में Manchester में घूमती गेंदों से चक्की के पत्थर को नियंत्रित करने वाला device देखा था
    • Watt ने उधार लिए गए इस idea को patent नहीं कराया
  • bevel gear vertical shaft को घुमाता है, और hinge arms से लटकी दो भारी गेंदें speed के हिसाब से बाहर की ओर फैलती हैं
    • speed बढ़ने पर गेंदें ऊपर उठकर sliding collar को उठाती हैं, और fork व लंबी rod steam cock को बंद करने की दिशा में हिलते हैं
    • धीमा होने पर गेंदें नीचे आती हैं और steam cock को फिर खोल देती हैं
  • गेंदों की ऊंचाई h = g/ω² संबंध से rotational speed को सीधे दिखाती है
    • mass equation से गायब हो जाता है, इसलिए भारी गेंदें linkage को ज्यादा ताकत से धकेलती हैं, लेकिन same speed पर same height तक ही उठती हैं
    • अगर crankshaft की speed से सीधे घुमाया जाए तो arm length लगभग 1m चाहिए, इसलिए bevel gear से governor को ज्यादा तेजी से घुमाकर छोटे column पर लगाया गया

पूरा हुआ beam engine

  • power boiler steam → cylinder और piston → valve gear → parallel motion → beam → connecting rod → crank और flywheel → belt pulley के क्रम में transfer होती है
  • governor load changes के अनुसार steam supply adjust करता है, और beam के दूसरी तरफ feedwater pump boiler में पानी भरता है
  • 1785 में London की Whitbread's brewery में लगाया गया, अब भी मौजूद सबसे पुराना rotary engine भी इसी form का है
    • cylinder diameter 64cm था, और piston stroke 1.8m था
    • 4.3m diameter वाला flywheel प्रति मिनट 20 चक्कर लगाता था और लगभग 40kg coal प्रति घंटा जलाता था
    • शुरू में इसे 10 horsepower आँका गया और इसने brewery के horse-driven wheel की जगह ली
    • 1795 में double-acting में convert किए जाने के बाद उसी cylinder को 15 horsepower के रूप में फिर से आँका गया
    • Boulton & Watt की annual fee output के अनुसार बढ़ती थी, इसलिए brewery ने 20 horsepower rating स्वीकार करने से इनकार कर दिया
    • यह कुल 102 साल तक चला

beam engine के बाद के बदलाव

  • 1780 के दशक में machine tools लंबे crosshead guides को precision से नहीं बना पाते थे, इसलिए beam और parallel motion जरूरी थे
  • 19वीं सदी में planing machines में सुधार के साथ straight guides practical हो गए, और भारी beam गैरजरूरी हो गया
    • 1860 के दशक तक ज्यादातर नए factory engines flywheel को सीधे drive करने लगे
  • अमेरिकी paddle steamers को लगभग 20rpm की low speed पर बड़े torque की जरूरत होती थी, और पानी की सतह के नीचे की तुलना में ऊपर ज्यादा जगह होती थी, इसलिए 1880 के दशक तक ऊँचा walking beam इस्तेमाल किया गया
    • ocean-going ships ने मिलती-जुलती machinery को hull के अंदर रखा, और paddle wheels की जगह screw propellers आने पर वे छोटे और तेज engines की ओर बढ़ीं
  • line shafts और leather belts 20वीं सदी तक factory ceilings के ऊपर मौजूद रहे
  • electric motors ने हर machine को independent rotation source दिया, जिससे लंबे shafts और belts की जगह wires ने ले ली
    • एक lathe रोकने पर भी पूरी factory चलाने वाले central engine का load नहीं बदलता था

steam engine efficiency का विकास

  • Newcomen engine coal heat का केवल लगभग 0.5% ही useful work में बदलता था
  • Watt के separate condenser ने useful ratio को लगभग 3% तक बढ़ाया, जिससे steam power coal mines के बाहर भी फैल सकी
  • Corliss valves steam expansion को ज्यादा precision से control करते हैं, और compound engines कई cylinders में इसे चरणबद्ध तरीके से expand करते हैं
  • 1890 के दशक में Titanic में इस्तेमाल हुए जैसे large marine engines high pressure और compound expansion से 10% से ज्यादा efficiency तक पहुँचे
  • steam turbine ने reciprocating piston की जगह continuous rotation वाले wheel को अपनाया, और modern steam turbine power plants heat का 40% से अधिक electricity में convert करते हैं

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1 टिप्पणियां

 
GN⁺ 3 시간 전
Hacker News टिप्पणियाँ

  • मैं लेखक हूँ। बीम इंजन भाप से शक्ति पैदा करता है और शुरुआती औद्योगिक क्रांति में इसकी केंद्रीय भूमिका थी। लेख में इसके काम करने का तरीका, इतिहास और निर्माताओं के सामने आए इंजीनियरिंग trade-offs को गहराई से कवर किया गया है, और concepts को आसानी से समझने के लिए कई interactive diagrams जोड़े गए हैं

    • इसकी प्रस्तुति ही नहीं, गुणवत्ता भी https://ciechanow.ski/archives/ के लेखों से काफी मिलती-जुलती है और बेहतरीन है
    • इसमें details बहुत हैं, लेकिन safety valve, pressure gauge, feedwater pump control, boiler water-level gauge, lubrication, valve gear, cylinder के निचले हिस्से की drainage, भाप को जितना हो सके सूखा रखने के तरीके आदि छूट गए हैं
      इनमें से हर विषय को अकेले ही मौजूदा लेख से कहीं ज्यादा लंबा विस्तार दिया जा सकता है। “पानी और गर्मी से भाप बनती है, भाप piston को धकेलती है, और reciprocating motion को rotational motion में बदला जाता है” — यह説明 सरल लगता है, लेकिन वास्तविक मशीन बिल्कुल भी सरल नहीं होती
    • मुझे ऐसी व्याख्याएँ सबसे पसंद हैं जो first principles से बनाते हुए आगे बढ़ती हैं और tactile व intuitive examples का उपयोग करती हैं। सीखने वाले की बौद्धिक क्षमता को कम आँके बिना ऐसा करना experts के बीच समझाने से कहीं ज्यादा कठिन है, इसलिए यह rare genre है
      George Polya(0), Richard Feynman(1), Grace Hopper(2) इस परंपरा के आदर्श उदाहरण हैं। मैं भी blog और source code के जरिए कोशिश करता हूँ, लेकिन interactive visual material बनाना बेहद कठिन है, इसलिए अंदाजा लगाया जा सकता है कि इस लेख में कितना प्यार और मेहनत लगी होगी

  • पुरानी technology देखते समय “यह कैसे काम करती है?” से पहले मेरे मन में “आखिर इसे बनाया कैसे गया होगा?” सवाल आता है। vacuum कैसे बनाया और verify किया गया, alloys को exact shape में कैसे cast किया गया, precision mirrors कैसे बनाए गए, सफल होने से पहले कितनी failures हुईं, parts की lubrication और sealing कैसे की गई—यह सब जानने की जिज्ञासा होती है
    कई दिन पढ़ाई करूँ तो शायद invention का 80% समझा सकूँ, लेकिन खुद बनाने लगूँ तो लगातार technical hurdles से टकराऊँगा और उस machine का 1% भी reproduce नहीं कर पाऊँगा; हर चीज़ में सालों लगेंगे

    • इसलिए मैं हमेशा जोर देता हूँ कि Manchester की औद्योगिक क्रांति में toolmaking एक जरूरी, लेकिन अक्सर भुला दिया जाने वाला हिस्सा था
    • YouTube का How to Make Everything भी मज़े से देखने लायक है

  • तीन साल के बच्चे को पालते हुए उम्मीद से कहीं ज्यादा steam locomotive engineering जान लेना मेरे लिए एक अप्रत्याशित खुशी रही। सही geometry और linkages जोड़कर ठीक उसी पल इच्छित motion बनाना, और perfect cycle व governor लागू करना—यह creativity अद्भुत है
    यह explanation खास तौर पर बेहतरीन है क्योंकि यह धीरे-धीरे दिखाती है कि हर part कौन-सी problem solve करता है; मैं सिर्फ locomotives पर लिखा गया लेख भी देखना चाहूँगा

    • पिता ने मुझे जो oscillating cylinder steam engine दिया था, वह मेरे लिए कीमती खिलौना था। शायद वह 1940s के आखिर में दादा और पिता द्वारा साथ मिलकर बनाई गई steam boat में लगा था; वह ऐसी चीज़ जैसा था और आज भी काफी सस्ते में मिल सकता है
      यह compressed air या espresso machine की steam wand से भी अच्छी तरह चलता है। बचपन में पिता ने steel aerosol can, copper tube और brass-plate alcohol burner से मेरे लिए boiler तक बना दिया था, लेकिन यह पाँच साल के बच्चे के लिए उपयुक्त नहीं था, और तब भी मुझे करीब बारह साल की उम्र में ही आग जलाने दी गई थी
    • अगले लेख के candidates में locomotive भी है, लेकिन इसमें cover करने के लिए इतना कुछ है कि यह लगभग steam engineering का final boss है। मैं उन machine tools और measurement systems के intertwined development—यानी precision की उत्पत्ति—पर भी विचार कर रहा हूँ, जिन्होंने इन machines को बनाना संभव किया
      चलने वाली और सच में काम करने वाली mechanical systems बच्चों और बड़ों, दोनों को गहरी संतुष्टि देती हैं
    • High-performance modern steam engine internal combustion engine से जरूरी नहीं कि सरल हो; वह बस अलग तरीके से काम करता है। monotube boiler करीब 1200°F की superheated steam बनाता है, जो full power पर पहाड़ी चढ़ते truck diesel engine के exhaust gas जैसी temperature range है
      steam engine cylinder में combustion नहीं होता, इसलिए cooling-water jacket लगाने से उल्टा नुकसान होता है; इस वजह से यह internal combustion engine की तुलना में कहीं ज्यादा extreme thermal environment में काम करता है। thermal expansion को ध्यान में रखकर bore को थोड़ा tapered machine किया जाता है, और double-acting engines में कभी-कभी cylinder bore को बहुत हल्के hourglass shape में बनाया जाता है ताकि piston दोनों सिरों पर jam न हो। और गहराई में जाना हो तो Doble steam car technology या Besler aircraft engine देखना अच्छा रहेगा

  • किसी चीज़ को उसकी सीमा तक push करने के अर्थ में “balls out” कथित तौर पर centrifugal engine governor के weights से निकला है, जो top speed पर पूरी तरह बाहर की ओर फैल जाते हैं
    https://en.wikipedia.org/wiki/Centrifugal_governor
    मैंने workplace meeting में यह expression इस्तेमाल किया तो किसी ने इसे अश्लील बताकर objection किया, लेकिन जब मैंने origin समझाया तो सब हैरान थे कि उन्हें लगा था यह testicles से जुड़ा phrase है

    • मज़ेदार और plausible है, लेकिन इसके सच होने की संभावना बहुत कम है। सबसे पहले verify होने वाला usage 1945 में 509th Fighter Squadron के Captain Milton Thompson के P-47 Thunderbolt की nose पर लिखे phrase में मिलता है, और image भी उम्मीद के मुताबिक “balls out” शब्दों और charge करते हुए bull की थी
    • लगता है मैंने इसे पहली बार Jay Leno के YouTube video में सुना था, जहाँ वे अपनी steam machine collection दिखा रहे थे। governor ने modern control theory की शुरुआत में भी योगदान दिया; James Clerk Maxwell ने 1868 के paper “On Governors” में oscillations बढ़ने या खत्म होने की conditions का अध्ययन किया था(paper)
    • मैं तो इसे सचमुच testicles के अर्थ में ही इस्तेमाल करता आया हूँ, लेकिन अब आगे इस्तेमाल करने के लिए एक अच्छा बहाना मिल गया है
    • “balls to the wall” भी मिलता-जुलता है; मेरी जानकारी में यह analog aircraft controls से निकला है
    • शुरुआती steam pressure gauges में छोटे ball को लेकर steam engineers का term high-balling भी था, और इसी से high-speed movement का अर्थ निकला

  • प्राचीन ग्रीस में खिलौने की तरह इस्तेमाल होने वाला Hero’s engine नाम का एक steam engine था। पिस्टन और वाल्व आदि बनाने के लिए metallurgy और machining तकनीक की कमी थी, इसलिए उससे आगे इसका उपयोग नहीं हो सका।
    तकनीकी प्रगति हमेशा बार-बार जमा होकर बनती है, अचानक क्रांतिकारी रूप से पैदा नहीं होती। programming language हो, framework हो या methodology—दिग्गजों के कंधों पर खड़ी न होने वाली नई चीज़ के पास लागू होने का आधार ही नहीं होता।

    • वह turbine था, इसलिए पिस्टन की जरूरत नहीं थी। कमी turbine blade के ज्ञान, pressure vessel बनाने की metallurgy, और उच्च तापमान व high rotational speed सहने वाली tolerances के साथ parts machine करने वाले tools की थी।
    • यह positive-displacement engine नहीं, बल्कि गोल-गोल घूमने तक सीमित steam rocket जैसा reaction engine था: https://en.wikipedia.org/wiki/Aeolipile
      बुनियादी power take-off device जोड़ा जा सकता था, लेकिन इसे अव्यावहारिक माना गया होगा।

  • मुख्य लेख का font भी https://ciechanow.ski से काफी मिलता-जुलता है और IBM Plex Sans लगता है। सभी units SI unit system में हैं, यह खास तौर पर अच्छा लगा।

    • Bartosz Ciechanowski के लेख बड़े inspiration थे, और acknowledgements की पहली पंक्ति में भी लिखा है कि उनके शानदार लेख और design से प्रेरणा मिली।

  • Fred Dibnah की BBC series Age of Steam ब्रिटेन की steam engine technology और Industrial Revolution के विकास का बेहतरीन overview देती है।
    https://www.youtube.com/watch?v=kl_UA36ouzM&list=PL2vJ5Cg-wl...

  • अगर London में असली beam engine देखना हो, तो Tottenham में https://www.mbeam.org/ पर है।

    • Crossness भी शानदार है, और कभी-कभी ऐसे दिन होते हैं जब इसमें सचमुच steam डालकर चलाया जाता है। Manchester के Museum of Science and Industry में भी चलाकर दिखाए जाने वाले बड़े और छोटे engines का अच्छा collection है।

  • YouTube की Quinn(Blondihacks) model engineer और machining expert हैं, और boiler व steam engine बनाने की प्रक्रिया outsiders के लिए भी आसानी से समझ में आने वाली तरह दिखाती हैं।
    introductory video The Model Engineering Learning Curve(https://www.youtube.com/watch?v=Ps_BQJEMnGA) की जोरदार सिफारिश करता हूं। उन्होंने कई वर्षों तक model locomotive बनाया है, जिसके 100 से ज्यादा videos जमा हो चुके हैं(playlist), और machining वाले model engine के “Hello World” जैसे wobbler को भी introduce किया है(video)

    • Blondihacks शानदार है, लेकिन देखते-देखते आप जल्द ही lathe और milling machine खरीदने लग सकते हैं। manual machining, coding से बिल्कुल अलग होते हुए भी वैसी ही immersive state देने वाला शानदार hobby है।
    • steam-related machinery YouTube channels में Keith Rucker की भी सिफारिश है: https://www.youtube.com/channel/UCyjwQ6oz4cqqtEcWGboSU3g
    • पहले video के सिर्फ 5 मिनट देखने पर भी हर बात दर्दनाक हद तक सटीक लगती है। चीजें बनाने में बहुत समय और बुनियादी skills लगती हैं, खुद करने पर महंगा पड़ता है, और बाजार में मिलने वाली चीजों से बेहतर होने की संभावना भी कम होती है, लेकिन पूरी प्रक्रिया में मजा आना जरूरी है।
      इस लेख से अगर सिर्फ एक चीज देखनी हो, तो इन्हीं videos की सलाह दूंगा।
    • Wreck2Restored 2-foot gauge steam locomotive की restoration process को document करता है, और crosshead व slide valve भी देखे जा सकते हैं: https://www.youtube.com/@Wreck2Restored

  • शुरुआती steam engines vacuum engines थे, जिनमें cylinder को steam से भरने के बाद उसे condense करके piston को नीचे खींचा जाता था। Watt का improvement और patent अलग condenser था, जिससे हर बार पूरे cylinder को फिर से गर्म करने की जरूरत नहीं पड़ती थी, और coal consumption आधा हो गया था।
    Watt ने manufacturing rights के बजाय operating licence बेचा, और patent की वजह से बचाए गए coal cost का आधा हिस्सा लिया। नतीजतन बहुत से unlicensed engines थे, और लोग अक्सर यह दावा करके patent से बचते थे कि condenser cylinder से अलग नहीं है, बल्कि किसी न किसी तरह integrated है।

    • Richard L. Hills की Power from Steam: A History of the Stationary Steam Engine(1989) एक बेहतरीन introductory book है, जो business aspects तक गहराई से cover करती है। इसमें Watt के कई letters भी शामिल हैं, जो दिखाते हैं कि ठीक-ठाक सड़कें तक न होने के दौर में विशाल engines बनाते समय कैसी समस्याएं आती थीं।
    • यह लेख की बातों का inaccurate summary हुआ। मूल लेख के अनुसार, यह vacuum engine नहीं था, बल्कि cylinder को पानी से ठंडा किया गया था, और coal saving भी आधी नहीं बल्कि एक-तिहाई थी।