চিত্র 40কীভাবে কাজ করে
ওয়াটের বাষ্পীয় ইঞ্জিন: ইন্টারঅ্যাক্টিভ 3D মডেল
ওয়াটের ইঞ্জিন বাষ্পকে আলাদা একটি পাত্রে ঘনীভূত করত, তাই নিউকোমেন ইঞ্জিনের সমান কাজ করত মোটামুটি এক-তৃতীয়াংশ কয়লায়।
এই ডিভাইসে 3D মডেল দেখানো যাচ্ছে না। নিচে নির্দেশিকার ধাপগুলো লেখা হিসেবে পড়তে পারেন।
1 / 10 ঘূর্ণনশীল বিম ইঞ্জিনএটি 1780-এর দশকের বোল্টন ও ওয়াট ইঞ্জিনের 1:10 মডেল, মাঝখান দিয়ে কাটা। লাল তলগুলো কাটা অংশ। তাজা বাষ্প কমলা, নির্গত বাষ্প হালকা নীল আর জল গাঢ় নীল।
ঘোরাতে টেনে আনুন। বড় করতে স্ক্রল করুন বা দুই আঙুলে ছড়িয়ে দিন।
মডেলটি কী দেখায়
জেমস ওয়াটের আগে একটি বাষ্পীয় ইঞ্জিন তার বেশির ভাগ কয়লা খরচ করত একই লোহার সিলিন্ডারকে বারবার গরম আর ঠান্ডা করতে, মিনিটে 12 বা তার বেশি বার। এই মডেল দেখায় সেই যন্ত্র, যা এই সমস্যার সমাধান করেছিল, তারপর শুধু পাম্প না চালিয়ে কারখানার শ্যাফটও ঘোরাতে শুরু করেছিল।
এটি সেই ধরনের ঘূর্ণনশীল বিম ইঞ্জিন, যা বোল্টন ও ওয়াট 1780-এর দশকে বানাতেন, আসল আকারের দশ ভাগের এক ভাগে আর মাঝখান দিয়ে কাটা। লাল তলগুলো কাটা অংশ। বয়লার থেকে আসা তাজা বাষ্প কমলা, কনডেন্সারের দিকে যাওয়া ব্যবহৃত বাষ্প হালকা নীল, আর জল গাঢ় নীল। অনুপাতগুলো সিডনির পাওয়ারহাউস মিউজিয়ামে রাখা 1785 সালের বোল্টন ও ওয়াট ইঞ্জিনের মতো: 635 mm (25 ইঞ্চি) বোর, 1.83 m (6 ফুট) স্ট্রোক আর 4.27 m (14 ফুট) ফ্লাইহুইল।
কোণের রিডআউট দেখায় ফ্লাইহুইলের গতি, থ্রটল কতটা খোলা, বাষ্প পিস্টনে কত শক্তি দিচ্ছে, ইঞ্জিন কত কয়লা পোড়াচ্ছে আর পিস্টনের ওপরের চাপ। গ্রাফের নিচে একটি ছোট রেখা শেষ 30 সেকেন্ডের গতি (লাল) আর থ্রটল (নীল) ধরে রাখে, যাতে ভার বদলালে আপনি গভর্নরের সাড়া দেখতে পান। তার নিচের গ্রাফটি সিলিন্ডারের ওপরের অংশের চাপ-আয়তন লুপ, ইঞ্জিন চলার সঙ্গে সঙ্গে আঁকা হয়। পেছনের ধূসর রেখাটি নকশা-ভারে লুপ, যাতে ভারের স্লাইডার সরালে বদলটা চোখে পড়ে।
নিউকোমেনের ইঞ্জিন কেন এত কয়লা পোড়াত
টমাস নিউকোমেনের 1712 সালের বায়ুমণ্ডলীয় ইঞ্জিন প্রথমে সিলিন্ডার বাষ্পে ভরত, তারপর ভেতরে ঠান্ডা জল ছিটাত। বাষ্প ঘনীভূত হতো, সিলিন্ডারের চাপ কমত, আর বাইরের বাতাস পিস্টনকে নিচে চেপে দিত। এটি কাজ করত, কিন্তু প্রতিটি স্ট্রোক সিলিন্ডারের দেয়াল ঠান্ডা করে দিত, আর পরের বাষ্পকে জায়গা ভরার আগে সেগুলো আবার গরম করতে হতো। অনেকটা বাষ্প, আর তা তৈরির কয়লা, খরচ হতো লোহা গরম করতেই।
ওয়াট এই সমস্যার মুখোমুখি হন 1763 সালে, যখন গ্লাসগো কলেজ তাঁকে একটি নিউকোমেন মডেল ইঞ্জিন সারাতে বলে, যা বাষ্পের অভাবে বারবার থেমে যেত। তাঁর সমাধান ছিল বাষ্পকে অন্য কোথাও ঘনীভূত করা, আর 1765 সালের মধ্যে একটি মডেলে তিনি এটি চালু করে ফেলেন। তাঁর পেটেন্ট মঞ্জুর হয় 5 জানুয়ারি 1769, আর তার প্রথম দাবি ছিল যে সিলিন্ডারকে "ইঞ্জিন কাজ করার পুরো সময় জুড়ে তার ভেতরে ঢোকা বাষ্পের মতোই গরম রাখতে হবে।"
আলাদা কনডেন্সার
মডেলে কনডেন্সার হলো সেই লোহার পাত্র, যা ইঞ্জিন ঘরের মেঝের নিচে ঠান্ডা জলের কাঠের চৌবাচ্চায় দাঁড়িয়ে আছে। সিলিন্ডারের এক প্রান্ত নির্গমনের দিকে খুললে বাষ্প দ্রুত নল বেয়ে নেমে কনডেন্সারে যায়, যেখানে ইনজেকশন কক থেকে আসা ঠান্ডা জলের ধারা সেটিকে আবার জল বানায়। জল বাষ্পের চেয়ে অনেক কম জায়গা নেয়, তাই কনডেন্সারের চাপ কম থাকে, মডেলে প্রায় 0.2 bar। সিলিন্ডার কখনো ঠান্ডা জল ছোঁয় না, তাই গরম থাকে।
ঘনীভবনে জল তৈরি হয়, আর কিছু বাতাস বাষ্পের সঙ্গে আসে বা জোড় দিয়ে চুইয়ে ঢোকে। কনডেন্সারের পাশের এয়ার পাম্প দুটোই সরিয়ে দেয়। এর বালতি চলে বিম থেকে ঝোলানো একটি রডে, আর যে উষ্ণ জল এটি তোলে তা যায় হট ওয়েলে, সেখান থেকে ফিড পাইপ সেটিকে বয়লারে ফেরত নেয়। সায়েন্স মিউজিয়াম ফলটা সহজ করে বলে: ওয়াটের কনডেন্সারওয়ালা ইঞ্জিন দুই-তৃতীয়াংশ কম কয়লা পোড়াত।
মডেলের সংখ্যা থেকেই কারণটা বোঝা যায়। থ্রটল তার 45% রেফারেন্স খোলায় থাকলে সিলিন্ডারে পৌঁছানো বাষ্প 1.14 bar পরম চাপে থাকে, বাইরের বাতাসের চেয়ে সামান্য বেশি। পিস্টনের অন্য দিক 0.2 bar-এর কনডেন্সারের সঙ্গে খোলা থাকলে প্রতিটি দ্বিগুণ স্ট্রোক প্রায় 80 kJ কাজ করে। একই ইঞ্জিন যদি 1.01 bar-এর খোলা বাতাসে বাষ্প ছাড়ত, তাহলে পেছনের চাপ সামনের ঠেলাকে বাতিল করে দিত আর ইঞ্জিন থেমে যেত।
পিস্টনের দুই দিকেই বাষ্প
ওয়াটের প্রথম ইঞ্জিনগুলো নিউকোমেনের মতোই একক্রিয় ছিল: বাষ্প পিস্টনকে নিচে ঠেলত আর পাম্প রডের ওজন সেটিকে ফেরত টানত। যন্ত্রপাতি মসৃণভাবে চালাতে ওয়াট 1782 সালের মার্চে দ্বিক্রিয়ার পেটেন্ট নেন। নামার সময় বাষ্প পিস্টনের ওপরে কাজ করে আর ওঠার সময় নিচে, আর যে দিকে ঠেলা পড়ছে না সেটি কনডেন্সারের দিকে খোলা থাকে।
মডেলটি এই বদল করে একটি স্লাইড ভালভ দিয়ে। এটি পিতলের একটি খণ্ড, নিচটা ফাঁপা, যা ভালভের মুখে তিনটি পোর্টের ওপর দিয়ে ওঠানামা করে। ওপরের পোর্ট যায় সিলিন্ডারের ওপরে, নিচেরটি নিচে, আর মাঝেরটি নির্গমনে। ভালভ যখন একটি বাইরের পোর্ট বাষ্প চেস্টের দিকে খুলে দেয়, তখন এর ফাঁপা অংশ অন্য বাইরের পোর্টকে নির্গমনের সঙ্গে জুড়ে দেয়।
ভালভের বাইরের কিনারা পোর্টের চেয়ে কিছুটা চওড়া; এই বাড়তি অংশকে বলে স্টিম ল্যাপ। ল্যাপের জন্য ভালভ স্ট্রোক শেষ হওয়ার বেশ আগেই তাজা বাষ্প বন্ধ করে দেয়: মডেলে নামার স্ট্রোকের 46%-এ আর ওঠার স্ট্রোকের 55%-এ। সংখ্যা দুটি আলাদা, কারণ বিমের প্রান্ত বৃত্তচাপে দোলে আর রডগুলো অসীম লম্বা নয়। কাট-অফের পর আটকে থাকা বাষ্প প্রসারিত হতে হতে ঠেলতে থাকে, এতে বাষ্প বাঁচে। ওয়াট এই প্রসারণের কাজের বর্ণনা দেন একই 1782 সালের পেটেন্টে।
দোলা বিমকে ঘূর্ণনে বদলানো
পিস্টন রডের মাথাকে সোজা রেখায় চলতে হয়, নইলে তা প্যাকিং করা গ্ল্যান্ড ছিঁড়ে ফেলবে। অথচ বিমের প্রান্ত চলে বৃত্তচাপে। 1784 সালে ওয়াটের উত্তর ছিল প্যারালেল মোশন: কয়েকটি দণ্ড আর একটি রেডিয়াস রড এমনভাবে সাজানো, যাতে একটি জোড় পুরো স্ট্রোক জুড়ে প্রায় সোজা রেখা আঁকে। ওয়াট বলতেন, এই আবিষ্কারটি নিয়েই তিনি সবচেয়ে গর্বিত। ওয়াটের আসল সংযোগব্যবস্থা শুধু সোজা রেখার কাছাকাছি যায়; মডেলটি ক্রসহেডকে ঠিক সিলিন্ডারের অক্ষে রাখে আর সেখান থেকে দণ্ডগুলোর অবস্থান হিসাব করে।
বিমের অন্য প্রান্ত থেকে একটি কানেক্টিং রড নেমে আসে শ্যাফটে। ক্র্যাঙ্কের বদলে এতে একটি গিয়ার আছে, যা রডের সঙ্গে আটকানো এবং রডের ওপর ঘুরতে পারে না। এই প্ল্যানেট গিয়ার ফ্লাইহুইলের শ্যাফটে লাগানো একই মাপের সান গিয়ারের সঙ্গে খাঁজে খাঁজে মেলে, আর একটি পট্টি দুটিকে একসঙ্গে ধরে রাখে। প্ল্যানেটকে ঘুরিয়ে আনার সময় পিস্টনের প্রতি ওঠানামায় সান গিয়ার দুবার ঘোরে। ASME-র ইতিহাস বলছে, ওয়াট এটি ব্যবহার করেন কারণ সহজ সমাধান ক্র্যাঙ্কের পেটেন্ট আগেই অন্য কেউ নিয়ে রেখেছিলেন।
4.27 m-এর ফ্লাইহুইল প্রতি পাকের দুটি মৃত বিন্দু পার করিয়ে শ্যাফটকে নিয়ে যায়, যেখানে পিস্টন স্ট্রোকের শেষ প্রান্তে থাকে আর শ্যাফট ঘোরাতে পারে না।
গভর্নর কীভাবে গতি ধরে রাখে
কারখানার ইঞ্জিনকে প্রায় একই গতিতে চলতে হয়, যে যন্ত্রগুলো এটি চালায় সেগুলো ব্যস্ত থাকুক বা বসে থাকুক। কেন্দ্রাতিগ গভর্নর কারও নজরদারি ছাড়াই এ কাজ করে। ফ্লাইহুইলের শ্যাফট থেকে চালানো একটি দণ্ড থেকে বাহুতে পিতলের দুটি বল ঝোলে। দণ্ড জোরে ঘুরলে বল দুটি বাইরে ও ওপরে দোলে। এতে একটি স্লিভ ওঠে, যা একটি বেল ক্র্যাঙ্ক আর লম্বা রডের মাধ্যমে বাষ্প নলের বাটারফ্লাই থ্রটলকে একটু বন্ধ করে। সিলিন্ডারে কম বাষ্প পৌঁছায়, আর ইঞ্জিন ধীর হয়। বেশি ধীর হয়ে গেলে বল নামে আর থ্রটল খোলে।
নিয়ন্ত্রণে চেষ্টা করে দেখুন। 30 hp নকশা-ভারে ইঞ্জিন 40.3 rpm-এ স্থির হয়। ভার 10 hp-এ নামালে ফ্লাইহুইল কিছুক্ষণের জন্য 42.8 rpm পর্যন্ত জোরে চলে, তারপর থ্রটল প্রায় 8%-এ বন্ধ হয় আর গতি 42.6 rpm-এ থামে। গভর্নর বন্ধ করে একই কাজ করুন: থ্রটল যেখানে ছিল সেখানেই থাকে, আর এক মিনিটের মধ্যে ইঞ্জিন 110 rpm ছাড়িয়ে যায়। ভার 40 hp করলে থ্রটল পুরো খোলে, তবু ইঞ্জিন প্রায় 29 rpm-এ নেমে আসে। 40 rpm-এ প্রায় 37 hp-এর বেশি হলে সিলিন্ডার আর যথেষ্ট কাজ জোগাতে পারে না।
এমন গভর্নর কখনো ঠিক আগের গতিতে ফেরে না। থ্রটলকে নতুন অবস্থানে ধরে রাখতে এর গতিতে একটু ভুল লাগে, তাই হালকা ভারে ইঞ্জিন ভারী ভারের চেয়ে একটু জোরে চলে। প্রকৌশলীরা একে ড্রুপ বলেন।
সংখ্যাগুলো, হিসাব করে
| রাশি | মডেলের মান | কীভাবে আসে |
|---|---|---|
| পিস্টনের ক্ষেত্রফল | 0.317 m² | π/4 × 0.635² |
| এক দিকের সুইপ্ট আয়তন | 580 লিটার | ক্ষেত্রফল × 1.832 m স্ট্রোক |
| নকশা-ভারে গড় কার্যকর চাপ | 0.69 bar (10.0 psi) | নিট কাজ ÷ দুই দিকের সুইপ্ট আয়তন |
| পিস্টনে গড় বল | 21.9 kN | 0.69 bar × 0.317 m² |
| প্রতি দ্বিগুণ স্ট্রোকে কাজ | 80.2 kJ | দুটি p-V লুপের ক্ষেত্রফল |
| মিনিটে 20টি দ্বিগুণ স্ট্রোকে নির্দেশিত শক্তি | 26.7 kW (35.9 hp) | 80.2 kJ × 20 ÷ 60 s |
| পিস্টনের গড় গতি | 1.22 m/s | 2 × 1.832 m × 20 ÷ 60 s |
| 40 rpm-এ ফ্লাইহুইলের কিনারার গতি | 8.9 m/s | π × 4.27 m × 40 ÷ 60 s |
| গভর্নর দণ্ডের গতি | 50 rpm | 1.25 × ফ্লাইহুইলের গতি |
| পিভটের নিচে বলের উচ্চতা | 0.358 m | h = g ÷ ω² |
| 40 rpm-এ বলের বাহুর কোণ | উল্লম্ব থেকে 44° | cos φ = 0.358 ÷ 0.5 |
গভর্নরের উচ্চতার সূত্র আসে শঙ্কু দোলক থেকে: উল্লম্ব অক্ষের চারপাশে ঘোরা একটি বল সেখানে স্থির হয়, যেখানে বাহুর ভেতরমুখী টান মাধ্যাকর্ষণকে সামলায়, পিভটের h = g/ω² নিচে, ভর যা-ই হোক। জোরে ঘোরালে h ছোট হয়, তাই বল ওঠে। আমেরিকান সোসাইটি অব মেকানিক্যাল ইঞ্জিনিয়ার্সের হিসাবে, দ্বিক্রিয় করার পর হুইটব্রেড ইঞ্জিন প্রায় 35 নির্দেশিত হর্সপাওয়ারের ছিল, ধরে নিয়ে যে গড় কার্যকর চাপ 10 psi আর মিনিটে 20 থেকে 21টি স্ট্রোক। মডেলও একই সংখ্যায় পৌঁছায়।
একই ইঞ্জিনে নিউকোমেন বনাম ওয়াট
নিয়ন্ত্রণ ট্যাবে আলাদা কনডেন্সার নামে একটি সুইচ আছে। এটি বন্ধ করলে মডেলটি নিউকোমেন ইঞ্জিনের মতো চলে: প্রতিটি স্ট্রোকের শেষে ঠান্ডা ধারা সরাসরি সিলিন্ডারে ছিটানো হয়, আর কনডেন্সারের পাত্রটি অলস পড়ে থাকে। দুটি জিনিস বদলায়। শূন্যতা দুর্বল হয়, কারণ ধারাকে গরম সিলিন্ডার দেয়ালের সঙ্গে লড়তে হয়, তাই মডেলের পেছনের চাপ 0.2 bar থেকে বেড়ে 0.55 bar হয়। আর প্রতি স্ট্রোকে দেয়াল ঠান্ডা হয়, তাই পরের বাষ্পকে ঠেলার আগে সেগুলো আবার গরম করতে হয়।
দ্বিতীয় প্রভাবটির পেছনেই ওয়াট লেগেছিলেন, আর এতেই কয়লা খরচ হয়। মডেলটি এটি গোনে দেয়ালে ঘনীভূত বাষ্পকে কাজ করা বাষ্পের সঙ্গে যোগ করে। আলাদা কনডেন্সারে কাজ করা প্রতি কিলোগ্রামে এটি 0.6 kg যোগ করে, যা এমন একটি জ্যাকেটওয়ালা সিলিন্ডারের হিসাব যা তবুও কিছু তাপ হারায়। সিলিন্ডারে ধারা দিলে এটি 2 kg যোগ করে, ফলে সব বাষ্পের দুই-তৃতীয়াংশ যায় লোহা আবার গরম করতে। দুটি সংখ্যাই মডেলের মান, এমনভাবে বেছে নেওয়া যাতে ফল সায়েন্স মিউজিয়ামের "দুই-তৃতীয়াংশ কম কয়লা"-র কাছে আসে।
ল্যাবের বারগুলো একই ইঞ্জিনের ফল দেখায় 40 rpm-এ, থ্রটল পুরো খোলা অবস্থায়:
| সেটিং | প্রতি hp·ঘণ্টায় কয়লা | দক্ষতা |
|---|---|---|
| সিলিন্ডারে ধারা (নিউকোমেন) | 10.1 kg (22.3 lb) | 0.9% |
| আলাদা কনডেন্সার (ওয়াট) | 3.3 kg (7.2 lb) | 2.8% |
অর্থাৎ একই কাজে 3.1 গুণ কয়লা। চলমান মডেলে পার্থক্যটা আরেকভাবেও দেখা যায়। 30 hp নকশা-ভারে নিউকোমেন সেটিং টিকতে পারে না: থ্রটল পুরো খোলে, গতি কমে, আর ইঞ্জিন থেমে যায়। ভার 15 hp-এ নামালে এটি 40.6 rpm ধরে রাখে, কিন্তু ঘণ্টায় 239 kg কয়লা পোড়ায়, যেখানে একই ভারে ওয়াট সেটিং পোড়ায় 87 kg।
প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় কয়লা, হিসাব করে
ওয়াটের সময়ের প্রকৌশলীরা ইঞ্জিন তুলনা করতেন নির্দিষ্ট পরিমাণ কয়লায় সেগুলো কত কাজ করে তা দিয়ে। মডেলটি নকশা-ভারে, গভর্নর চালু রেখে, একই হিসাব ধাপে ধাপে করে:
| ধাপ | মডেলের মান | কীভাবে আসে |
|---|---|---|
| ভালভ চেস্টের চাপ | 1.11 bar | নল আর 41% খোলা থ্রটলের পরে |
| সেই চাপে বাষ্পের তাপমাত্রা | 102.6 °C | সম্পৃক্ত তাপমাত্রা |
| সেই বাষ্পের ঘনত্ব | 0.64 kg/m³ | সম্পৃক্ত অবস্থায় আদর্শ গ্যাস, p ÷ (R T) |
| প্রতি দ্বিগুণ স্ট্রোকে ঢোকা আয়তন | 0.58 m³ | দুই প্রান্ত, স্ট্রোকের শুরু থেকে কাট-অফ পর্যন্ত |
| দেয়ালের ক্ষতিসহ প্রতি দ্বিগুণ স্ট্রোকে বাষ্প | 0.60 kg | 0.58 m³ × 0.64 kg/m³ × 1.6 |
| 40.3 rpm-এ ঘণ্টায় বাষ্প | 719 kg | মিনিটে 20.2টি দ্বিগুণ স্ট্রোক |
| ঘণ্টায় কয়লা | 120 kg | প্রতি kg কয়লায় 6 kg বাষ্প |
| নির্দেশিত শক্তি | 35.0 hp (26.1 kW) | p-V লুপ থেকে |
| প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় কয়লা | 3.4 kg | 120 ÷ 35.0 |
| দক্ষতা | 2.7% | 26.1 kW ÷ (120 kg/h × 29 MJ/kg) |
এর মধ্যে দুটি সংখ্যা ফল নয়, অনুমান: মডেলের বয়লার প্রতি কিলোগ্রাম কয়লা থেকে 6 kg বাষ্প বানায়, আর কয়লায় প্রতি কিলোগ্রামে 29 MJ থাকে। দুটিই মডেলের মান। যেকোনো একটি বদলালে সারণিতে তার নিচের প্রতিটি সংখ্যা সঙ্গে সঙ্গে বদলায়।
শেষ সারিটি ধীরে পড়ার মতো। কয়লার প্রতি একশো একক তাপের মধ্যে তিনেরও কম কাজ হয়ে পিস্টনে পৌঁছায়। বাকিটা যায় চিমনি দিয়ে, চৌবাচ্চার ঠান্ডা জলে, আর সেই উষ্ণ জলে যা এয়ার পাম্প হট ওয়েলে ফেলে। মডেলে 1 kg কয়লা পিস্টনে 0.78 MJ কাজ দেয়। এক টন জল 80 মিটার তুলতে এটুকুই যথেষ্ট, আর ঠিক এমন কাজের জন্যই এই ইঞ্জিনগুলো কেনা হতো। নিউকোমেন সেটিংয়ে একই 1 kg দেয় 0.27 MJ।
হর্সপাওয়ার কী
শক্তির রিডআউট আগে হর্সপাওয়ার দেখায়, কারণ ওয়াট এই এককেই তাঁর ইঞ্জিনের মান নির্ধারণ করতেন। এক হর্সপাওয়ার মানে মিনিটে 33,000 ফুট-পাউন্ড কাজ: প্রতি মিনিটে 33,000 পাউন্ড বল এক ফুট সরানো, বা 330 পাউন্ড 100 ফুট সরানো। যুক্তরাষ্ট্রের ন্যাশনাল ইনস্টিটিউট অব স্ট্যান্ডার্ডস অ্যান্ড টেকনোলজি (NIST) রূপান্তরটি দেয় সেকেন্ডে 550 ফুট-পাউন্ড, অর্থাৎ 745.7 ওয়াট। মডেলটি ওয়াটকে হর্সপাওয়ারে বদলাতে এই সংখ্যা দিয়ে ভাগ করে, তাই 26.1 kW দেখায় 35.0 hp।
পাশে কিলোওয়াটের সংখ্যাটি আছে কারণ এখন প্রায় সবকিছুর মান ওয়াটে দেওয়া হয়। ওয়াটের নিজের এককে, সংস্কারের পর সিডনি ইঞ্জিনের 10 থেকে 15 হর্সপাওয়ার মানে ছিল 10 থেকে 15টি ঘোড়ার বিরতিহীন কাজ।
বাষ্প আরও আগে বন্ধ করা
ওয়াট দেখেছিলেন, ভালভ বন্ধ হওয়ার পরও সিলিন্ডারে থাকা বাষ্প কাজ চালিয়ে যেতে পারে, আর কাট-অফ স্লাইডার দিয়ে আপনি এটি চেষ্টা করতে পারেন। এটি ঠিক করে স্ট্রোকের কতদূর পর্যন্ত তাজা বাষ্প ঢুকতে থাকবে। মডেলের স্লাইড ভালভ আসল ধরনের, তাই কাট-অফ বদলালে এর ল্যাপ আর অ্যাঙ্গেল অব অ্যাডভান্স বদলায়, আর নির্গমনও অন্য বিন্দুতে খোলে। লিড না থাকলে, যে ভালভের ল্যাপ তার চলার L ভাগ, সেটি পিস্টনের মোটামুটি cos²δ অবস্থানে কাট-অফ করে, যেখানে sin δ = L। মডেলের 45° কাট-অফকে অর্ধেক স্ট্রোকের কাছে রাখে।
প্রসারণে লাভ হয়, কারণ আটকে থাকা বাষ্প বিনা খরচে ঠেলে যায়। স্থির তাপমাত্রায় বাষ্প তার আয়তনের দ্বিগুণে প্রসারিত হলে ঢোকার সময়ের কাজের 1 + ln 2 = 1.69 গুণ কাজ করে। চার গুণ প্রসারিত হলে 2.39 গুণ। তাই ছোট কাট-অফ প্রতি কিলোগ্রাম বাষ্প থেকে বেশি কাজ আদায় করে।
মুশকিল হলো, ছোট কাট-অফ মানে প্রতি স্ট্রোকে কম বাষ্পও, ফলে কম শক্তি। ওয়াটের 1.45 bar-এ কাট-অফ 25% করলে ইঞ্জিন 30 hp টানতে পারে না: ধীর হয়ে থেমে যায়। বয়লারের চাপ 2.5 bar করলে এটি আবার 41.4 rpm ধরে রাখে, থ্রটল মাত্র 24% খোলা, আর প্রতি hp·ঘণ্টায় 3.4-এর বদলে 2.4 kg কয়লা লাগে। পরের প্রকৌশলীরা এই পথই ধরেছিলেন। 1800-এর দশকের কর্নিশ পাম্পিং ইঞ্জিন উচ্চচাপের বাষ্প নিত আর আগেভাগে বন্ধ করত; মডেলটিকে 3.5 bar-এ 20% কাট-অফ, একক্রিয়, সেট করলে বারগুলো দেখায় প্রতি hp·ঘণ্টায় 1.8 kg।
একক্রিয় ও দ্বিক্রিয়
দ্বিক্রিয় সুইচ ঠিক করে সিলিন্ডারের নিচের অংশে বাষ্প ঢুকবে কি না। বন্ধ করলে পিস্টনের নিচের দিক সবসময় কনডেন্সারের দিকে খোলা থাকে, ওয়াটের প্রথম পাম্পিং ইঞ্জিনগুলোর মতো। প্রতি দ্বিগুণ স্ট্রোকের কাজ অর্ধেক হয়ে যায়, আর পুরো থ্রটলে মডেল 42-এর বদলে 20 hp দেয়। 30 hp নকশা-ভারে একক্রিয় ইঞ্জিন ধীর হতে হতে থেমে যায়। 15 hp-এ এটি প্রায় 38 rpm ধরে রাখে, থ্রটল 84% খোলা।
মঞ্চেও পার্থক্যটা দেখা যায়। একক্রিয় সেটিংয়ে সিলিন্ডারের নিচের অংশ সারাক্ষণ হালকা নীল থাকে, আর গ্রাফের p-V বিন্দু প্রতিটি চক্রের অর্ধেক সময় কনডেন্সার রেখায় কাটায়।
ইতিহাসের ইঞ্জিন
«ইতিহাসের ইঞ্জিন» তালিকায় 76টি ইঞ্জিন আছে, 1698 সালের সেভারির পাম্প থেকে আজকের কয়লা বিদ্যুৎকেন্দ্র পর্যন্ত। নাম, বছর বা স্থান দিয়ে খুঁজুন, দেশ ও ব্যবহার দিয়ে বাছুন: খনি ও জলের পাম্প, কারখানা ও কল, লোকোমোটিভ ও সড়কযান, জাহাজ, বিদ্যুৎ, মডেল ও পেটেন্ট। একটি বাছলে দুটো কাজ হয়। নিচের ছয় ধরনের মধ্যে মানানসই ইঞ্জিন মঞ্চে আসে, আর সেটির প্রতিনিধিত্ব করতে ওয়াট মডেলের চার সেটিং বদলায়: নির্গমনের গন্তব্য (সিলিন্ডারে জল ছেটানো, আলাদা কনডেন্সার বা খোলা বাতাস), একক্রিয় বা দ্বিক্রিয়, কাট-অফ ও বয়লারের চাপ। এগুলো ইঞ্জিনের ধরন বোঝায়, নির্দিষ্ট যন্ত্রটির মাপ নয়।
মেনুর নিচের টীকাগুলো জানায়, জাদুঘর ও প্রতিষ্ঠানগুলো প্রতিটি ইঞ্জিন সম্পর্কে কী বলে। কয়েকটিতে শক্তির সংখ্যা আছে, সেগুলো আসল ইঞ্জিনের সংখ্যা হিসেবে দেখানো হয়: 1843 সালে এসএস গ্রেট ব্রিটেনের ইঞ্জিনের জন্য 1,000 hp, 1876 সালের সেন্টেনিয়াল প্রদর্শনীতে মেশিনারি হল চালানো কর্লিস ইঞ্জিনের জন্য 1,400 hp, আর 1903 সালের বার্নলি মিল ইঞ্জিনের জন্য 700 hp। শেষ বিকল্পটি মোটেই পিস্টন ইঞ্জিন নয়। 2024 সালে যুক্তরাষ্ট্রের কয়লা বিদ্যুৎকেন্দ্রগুলো প্রতি কিলোওয়াট-ঘণ্টা তৈরিতে গড়ে 10,777 Btu জ্বালানি খরচ করেছে, আর এক কিলোওয়াট-ঘণ্টা যেহেতু 3,412 Btu, তাতে দক্ষতা দাঁড়ায় 31.7%। এগুলো এখনো জল ফোটায়, বাষ্প প্রসারিত করে আর ঘনীভূত করে, তবে টারবাইনে এবং অনেক বেশি চাপ ও তাপমাত্রায়।
লোকোমোটিভের বিকল্পগুলো দেখায় রেলপথ কেন কনডেন্সার ছাড়া চলতে পারত। রকেট ধরনের সেটিং নির্গমনকে 1.01 bar-এ বাতাসে ছেড়ে দেয়, যা ওয়াটের চাপে প্রায় কিছুই রাখত না। 4.4 bar-এ এতটা চাপ থাকে যে বায়ুমণ্ডলের বিরুদ্ধে ঠেলেও কাজ করা যায়, বিনিময়ে প্রতি হর্সপাওয়ারে বেশি কয়লা লাগে।
এক মঞ্চে ছয় ইঞ্জিন
মঞ্চের নিচের বোতাম ওয়াটের বদলে অন্য পাঁচ ইঞ্জিন দেখায়। প্রতিটি নড়ে, আর পাঠে সেই ইঞ্জিনের চাপ, দক্ষতা, কয়লা খরচ ও গতি আসে। সংখ্যার পর ছোট চিহ্ন উৎস বোঝায়: «সূত্র» জাদুঘর বা ঐতিহাসিক যন্ত্রের পৃষ্ঠায় যায়; «মডেল» মানে এই পৃষ্ঠার মডেল ওই ধরনের জন্য মানটি হিসাব করেছে।
নিউকোমেন, 1712। ওপরখোলা সিলিন্ডার খড়ের গাদার মতো বয়লারে দাঁড়িয়ে। প্রায় বায়ুমণ্ডলীয় চাপের বাষ্প পিস্টনের নিচে ভরে। দেয়ালের ট্যাংক থেকে ঠান্ডা জলের ফোয়ারা তা ঘনীভূত করলে ওপরের বাতাস পিস্টন নিচে ঠেলে। বিমের বাঁকানো মাথার শিকল পিস্টন ও পাম্প রড সোজা ওঠানামা করায়। ইউনিভার্সিটি অব হিউস্টনের জন লিনহার্ড প্রথম নিউকোমেন ইঞ্জিনের দক্ষতা প্রায় এক শতাংশের এক-তৃতীয়াংশ বলেছেন। তাই 29 MJ শক্তির 1 kg কয়লা প্রায় 0.1 MJ কাজ করত। সায়েন্স মিউজিয়ামের ওল্ড সারা, ওয়েকফিল্ডের কাছে বায়ুমণ্ডলীয় ইঞ্জিন, 1917 সালেও 330 ft গভীর থেকে মিনিটে প্রায় 5 স্ট্রোকে জল তুলত।
ওয়াট, 1785। পৃষ্ঠার বাকি অংশে এই ইঞ্জিনের কথাই আছে। আলাদা কনডেন্সারসহ 1.45 bar-এ মডেলের দক্ষতা 2.8% এবং প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় কয়লা খরচ 3.3 kg।
ট্রেভিথিক, 1805। সায়েন্স মিউজিয়ামের Hazledine and Co. ইঞ্জিন বায়ুমণ্ডলের চেয়ে প্রায় 50 psi বেশি চাপে, অর্থাৎ 4.46 bar পরম চাপে, 3 hp দিত। বাষ্প গরম পৌঁছাতে সিলিন্ডার বয়লারে ডোবানো, আর নির্গমন চিমনি দিয়ে; কনডেন্সার ও বিম নেই। মডেল 2.3% দেয়: উচ্চচাপ বায়ুমণ্ডলীয় চাপে বাষ্প ছেড়ে দেওয়ার বেশির ভাগ ক্ষতি পুষিয়ে দেয়, অনেক ছোট ইঞ্জিনে।
রকেট, 1829। সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপের মতে স্টিফেনসনের লোকোমোটিভ বহুনল বয়লার ও ব্লাস্ট পাইপকে এক করে। দুই তির্যক সিলিন্ডারের নির্গত বাষ্প চিমনিতে ছুটে আগুনের গ্যাস নল দিয়ে টানে। ইঞ্জিন যত বেশি কাজ করে, আগুন তত জোরে জ্বলে। একই উচ্চচাপ ও কনডেন্সার ছাড়া মডেল 2.2% দেয়।
ত্রিস্তর প্রসারণ, 1894। বাষ্প ক্রমে বড় তিন সিলিন্ডার পেরোয়; প্রতিটি আগেরটিতে প্রসারিত বাষ্প ব্যবহার করে। বস্টনের চেস্টনাট হিলের লেভিট পাম্পিং ইঞ্জিন ASME-স্বীকৃত ঐতিহাসিক যান্ত্রিক নিদর্শন। পরীক্ষায় 175.7 psi (13.1 bar পরম চাপ) ও 50.6 rpm-এ চলে, প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় 1.146 lb কয়লা পোড়ায়। তা 0.52 kg; প্রতি kg-তে 29 MJ ধরলে দক্ষতা 17.8%, ওয়াট মডেলের ছয়গুণ। ASME-র পুস্তিকা শুধু ইঞ্জিনের, বাষ্পের ভিত্তিতে মাপা দক্ষতা 20.8% দেয়। দ্বিতীয় বিশ্বযুদ্ধের লিবার্টি জাহাজ, যেমন এসএস জেরেমায়া ওব্রায়েন, তখনও 2,500 hp ত্রিস্তর প্রসারণ ইঞ্জিন ব্যবহার করত।
পার্সন্স টারবাইন, 1884। পিস্টন নেই। মডেলে বাষ্প খোলসের মাঝখান দিয়ে ঢুকে রোটরের চলন্ত ও খোলসের স্থির ব্লেডের সারি দিয়ে প্রসারিত হয়ে সরাসরি শ্যাফট ঘোরায়। সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ প্রথম টারবাইনের গতি 18,000 rpm বলে, যা ডায়নামোর উপযোগী, কিন্তু দক্ষতা দেয় না; পাঠে তা জানানো হয়। 1892 সালে কেমব্রিজের কনডেন্সারসহ তিনটি 100 kW পার্সন্স টারবাইন পরীক্ষায় সমান মাপের সেরা পিস্টন ইঞ্জিনের মতো দক্ষ হয়। তুলনায় আজকের কয়লা বিদ্যুৎকেন্দ্রের 31.7% দক্ষতাও দেখানো হয়।
এক কিলোগ্রাম কয়লা, ইঞ্জিনে ইঞ্জিনে
নিয়ন্ত্রণের নিচে দক্ষতার দৌড়ে প্রতিটি ইঞ্জিন 1 kg কয়লা পুড়িয়ে জল 10 m তোলে। এক কিলোগ্রামকে 10 m তুলতে 9.81 × 10 = 98.1 J লাগে। 1 kg কয়লায় 29 MJ আছে, তাই তোলা জলের পরিমাণ 29,000,000 × দক্ষতা ÷ 98.1 kg।
| ইঞ্জিন | বছর | দক্ষতা | 1 kg কয়লায় 10 m তোলা জল | উৎস |
|---|---|---|---|---|
| নিউকোমেন | 1712 | 0.33% | 976 kg | ইউনিভার্সিটি অব হিউস্টন |
| স্মিটন, লং বেন্টন | 1774 | 1.4% | 4,139 kg | ASEE প্রবন্ধ |
| ওয়াট (মডেল) | 1785 | 2.84% | 8,406 kg | এই মডেল |
| ট্রেভিথিক (মডেল) | 1805 | 2.32% | 6,855 kg | এই মডেল |
| রকেট (মডেল) | 1829 | 2.22% | 6,559 kg | এই মডেল |
| কর্নিশ ইঞ্জিন | 1835 | 11% | 32,518 kg | ASME, Kew Bridge |
| কারখানার বিম ইঞ্জিন | 1846 | 3.4% | 10,055 kg | সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ |
| ত্রিস্তর প্রসারণ (3 সিলিন্ডার) | 1894 | 17.8% | 52,644 kg | ASME, Leavitt |
| আজকের কয়লা বিদ্যুৎকেন্দ্র | 2024 | 31.7% | 93,596 kg | US EIA |
দুটি সারি কয়লা খরচ থেকে হিসাব করা। 1846 সালের পিল, উইলিয়ামস ও পিল বিম ইঞ্জিন প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় প্রায় 6 lb, অর্থাৎ 2.72 kg কয়লা পোড়াত; দক্ষতা 3.4%। লেভিটের 1.146 lb থেকে 0.52 kg ও 17.8% পাওয়া যায়। কর্নিশ ইঞ্জিনের 11% হলো 1835 সালে কর্নওয়ালের 80-inch ইঞ্জিনের ASME-দেওয়া সামগ্রিক দক্ষতা। একই পুস্তিকা বলে 1830-এর দশকের কর্নিশ ইঞ্জিন প্রতি টন কয়লায় সেরা ওয়াট ইঞ্জিনের চার থেকে পাঁচগুণ জল তুলত। ASEE-র প্রবন্ধ লং বেন্টনের স্মিটন ইঞ্জিনের প্রতি বুশেলে 9.45 মিলিয়ন ফুট-পাউন্ড কাজ থেকে প্রায় 1.4% হিসাব করে। প্রথম নিউকোমেন থেকে আজকের বিদ্যুৎকেন্দ্র পর্যন্ত একই কয়লা 96 গুণ জল তুলতে পারে।
বারগুলো লগারিদমিক স্কেলে, যেখানে প্রতি ধাপ আগের দশগুণ। সরল স্কেলে নিউকোমেনের বার এত ছোট হতো যে দেখা যেত না। নিচের চার্ট একই নয় ইঞ্জিনকে সময়রেখায় রাখে।
চ্যালেঞ্জ ও সেফটি ভালভ
নিয়ন্ত্রণের নিচে সাত চ্যালেঞ্জ ইঞ্জিনের একেকটি বৈশিষ্ট্য যাচাই করে। তিনটিতে ওয়াট মডেল লাগে: একই কয়লায় নিউকোমেনের তিনগুণ কাজ, 60 hp বোঝায় 40 rpm রাখা এবং আগে কাট-অফ ও বেশি বয়লার চাপে 4%-এর বেশি দক্ষতা। 1.45 bar-এ প্রায় 37 hp থেকে গতি 38 rpm-এর নিচে যায় এবং 50 hp-তে পৌঁছাতেই থেমে থাকে; তাই বোঝার চ্যালেঞ্জে আগে বয়লার 2.5 bar বা বেশি করুন। চতুর্থটি সেফটি ভালভ ব্যবহার করে, বয়লারের ওপর ওজনযুক্ত লিভার। মডেলের গাড়ির মতো বয়লারের সীমা 3.5 bar, এই গড়নের নিম্নচাপ বয়লারের জন্য আমাদের বেছে নেওয়া মান। ভালভ চালু রেখে সেটিং সীমার ওপরে নিলে লিভার উঠে বাষ্প ছাড়ে এবং ইঞ্জিন 3.5 bar-এ চলে। ভালভ বন্ধ করলে পাঠ বিপদের সতর্কতা দেয়।
চাপমাপক ও ধোঁয়া
মডেলের দুটি ডায়াল সেই চাপগুলো দেখায় যেগুলোর দিকে ইঞ্জিন চালক নজর রাখতেন। সিলিন্ডারের পাশের নলের বাষ্প চাপমাপক থ্রটলের পরে ভালভ চেস্ট পড়ে, তাই গভর্নর থ্রটল বন্ধ করলে এর কাঁটা নামে। কনডেন্সারের শূন্যতামাপক ওয়াটের কনডেন্সারে 0.2 bar আর নিউকোমেন সেটিংয়ে 0.55 bar দেখায়। চিমনির ধোঁয়া মডেলের পোড়ানো কয়লার সঙ্গে চলে: ভার বাড়ালে বা অপচয়ী কোনো সেটিং বাছলে ঘন হয়।
চাপ-আয়তন লুপ পড়া
লাল বিন্দুকে ঘড়ির কাঁটার দিকে অনুসরণ করুন। সমতল ওপরের অংশটি প্রবেশ, যখন সিলিন্ডারের ওপরের অংশ বাষ্প চেস্টের দিকে খোলা। তা থেকে নেমে যাওয়া বাঁকটি কাট-অফের পরের প্রসারণ, যেখানে আয়তন বাড়ার সঙ্গে চাপ কমে। স্ট্রোকের 84%-এ ভালভ ওপরের অংশকে নির্গমনে খুলে দেয় আর চাপ কনডেন্সার রেখায় নেমে আসে। ফেরার স্ট্রোকে পিস্টন ওপরে পৌঁছানোর আগেই ভালভ নির্গমন বন্ধ করে, তাই শেষ বাষ্পটুকু ক্লিয়ারেন্স স্পেসে চেপে গিয়ে পিস্টনকে গদির মতো থামায়। লুপের ভেতরের ক্ষেত্রফল এক চক্রে পিস্টনের ওই দিকে করা কাজ।
ভার কমান আর লুপকে ছোট হতে দেখুন। গভর্নর থ্রটল বন্ধ করে, বাষ্প চেস্টের চাপ কমে, আর লুপের সমতল ওপরের অংশ নেমে আসে। একে বলে থ্রটল গভর্নিং: ইঞ্জিন সবসময় একই বিন্দুতে কাট-অফ করে, কিন্তু পাতলা বাষ্পে কাজ করে।
মডেলটি আসল ইঞ্জিন থেকে কোথায় আলাদা
1785 সালের ইঞ্জিন বাষ্প নেয় ড্রপ ভালভ দিয়ে, স্লাইড ভালভ দিয়ে নয়। আমরা স্লাইড ভালভ নিয়েছি কারণ একটিমাত্র চলমান অংশ ভালভের সব ঘটনা দেখায়। আসল কানেক্টিং রড 5.5 m লম্বা, মডেলের 4 m-এর চেয়ে বেশি, আর হুইটব্রেড ইঞ্জিনের বিম তৈরির বহু বছর পর ঢালাই লোহার করা হয়েছিল, অথচ আমাদেরটি ওকের। বয়লারের চাপ আমাদের নিজস্ব পছন্দ: 1.45 bar পরম, যাতে নল আর থ্রটলের পরে ভালভ চেস্ট বায়ুমণ্ডলীয় চাপের সামান্য ওপরে থাকে, ASME-র প্রস্তাবিত বায়ুমণ্ডলের 3 psi ওপরের কাছাকাছি। ফ্লাইহুইলও আসলটির চেয়ে হালকা, যাতে ভারের বদল মিনিটের বদলে কয়েক সেকেন্ডে স্থির হয়।
কনডেন্সার মডেল থেকে ল্যাপ ইঞ্জিন
ওয়াট 1765 সালে কনডেন্সার মডেল বানান আর 1769 সালে পেটেন্ট পান। ম্যাথু বোল্টনের সঙ্গে অংশীদারির পর 1776 সালে পেটেন্টটি কাজে লাগানো হয়, একটি খনির পাম্পিং ইঞ্জিনে আর একটি লোহার কারখানার ব্লোয়িং ইঞ্জিনে। ASME বলছে, এগুলো তখনকার স্বাভাবিক জ্বালানির এক-তৃতীয়াংশ পোড়াত। এরপর এল ঘূর্ণন গতি: "একটি অক্ষের চারপাশে বৃত্তাকার গতি"-র জন্য ওয়াটের পেটেন্ট, যাতে সান ও প্ল্যানেট গিয়ার ছিল, তার তারিখ 25 অক্টোবর 1781। দ্বিক্রিয়া আর প্রসারণের কাজ আসে 1782 সালের মার্চে, আর প্যারালেল মোশন 1784 সালের আগস্টে।
সিডনির হুইটব্রেড ব্রুয়ারির ইঞ্জিন বসানো হয় 1785 সালে, সম্ভবত প্রতিষ্ঠানটির তৈরি ষষ্ঠ ঘূর্ণনশীল ইঞ্জিন, আর 1887 পর্যন্ত 102 বছর কাজ করে। পাওয়ারহাউস মিউজিয়াম বলছে, এর শক্তি 10 থেকে 15 হর্সপাওয়ারে তুলতে এটি সংস্কার করা হয়, আর এর গভর্নর যোগ হয় 1790-এর দশকে। 1788 সালের ল্যাপ ইঞ্জিন, এখন লন্ডনের সায়েন্স মিউজিয়ামে, বোল্টনের সোহো কারখানায় 70 বছর পালিশের ল্যাপ চালিয়েছে। ASME একে কেন্দ্রাতিগ গভর্নর লাগানো প্রথম ইঞ্জিন হিসেবে লিপিবদ্ধ করে। ওয়াট এর মান ধরেছিলেন 10 হর্সপাওয়ার, আর 1858 সালের এক পরীক্ষায় মাপা হয় 13.75। সব মিলিয়ে বোল্টন ও ওয়াট প্রায় 500টি ইঞ্জিন বানান, যার প্রায় 60% ঘূর্ণনশীল।
প্রশ্নোত্তর
ওয়াটের আলাদা কনডেন্সার কী বদলেছিল?
এতে সিলিন্ডার সারাক্ষণ গরম থাকতে পারত, আর বাষ্প ঘনীভূত হতো নিজস্ব ঠান্ডা পাত্রে। নিউকোমেন ইঞ্জিন প্রতি স্ট্রোকে সিলিন্ডার ঠান্ডা করে আবার গরম করত। সায়েন্স মিউজিয়াম বলছে, ওয়াটের কনডেন্সারওয়ালা ইঞ্জিন দুই-তৃতীয়াংশ কম কয়লা পোড়াত।
ওয়াট কি বাষ্পীয় ইঞ্জিন আবিষ্কার করেছিলেন?
না। টমাস নিউকোমেনের বায়ুমণ্ডলীয় ইঞ্জিন 1712 সাল থেকেই খনি থেকে জল তুলছিল। ওয়াট এটিকে অনেক বেশি দক্ষ করেন, পরে দ্বিক্রিয় আর শ্যাফট ঘোরাতে সক্ষম করেন, যা বাষ্পশক্তিকে খনি থেকে কারখানা ও কলে নিয়ে যায়।
ওয়াট ক্র্যাঙ্কের বদলে সান ও প্ল্যানেট গিয়ার কেন ব্যবহার করেন?
ক্র্যাঙ্কের পেটেন্ট আগেই অন্য কেউ নিয়েছিলেন, তাই ওয়াট 1781 সালে "একটি অক্ষের চারপাশে বৃত্তাকার গতি" পাওয়ার অন্য উপায়ের পেটেন্ট নেন আর এটি বেছে নেন। এটি গতিও দ্বিগুণ করে: পিস্টনের প্রতিটি দ্বিগুণ স্ট্রোকে ফ্লাইহুইল দুবার ঘোরে, অর্থাৎ প্রতিটি একক স্ট্রোকে শ্যাফট একবার।
দ্বিক্রিয় মানে কী?
বাষ্প পালা করে পিস্টনের দুই মুখে ঠেলে: নামার স্ট্রোকে ওপরে আর ওঠার স্ট্রোকে নিচে। যে দিকে ঠেলা পড়ছে না সেটি কনডেন্সারের দিকে খোলা থাকে। একক্রিয় ইঞ্জিন শুধু এক দিকে ঠেলা পায়।
কেন্দ্রাতিগ গভর্নর কীভাবে কাজ করে?
দুটি ওজন ইঞ্জিনের সঙ্গে ঘোরে। জোরে ঘুরলে সেগুলো বাইরে ও ওপরে ছিটকে যায়, যা সংযোগের মাধ্যমে থ্রটল বন্ধ করে; ধীরে ঘুরলে নেমে আসে আর থ্রটল খোলে। মডেলে ভার 30 hp থেকে 10 hp-এ নামলে গভর্নরসহ গতি মাত্র প্রায় 2 rpm বাড়ে, গভর্নর ছাড়া বাড়ে 70 rpm-এর বেশি।
ওয়াটের ইঞ্জিনে কি বাষ্পের চাপ বেশি ছিল?
না। সেগুলো বায়ুমণ্ডলীয় চাপের কাছাকাছি চলত আর ঠেলার বড় অংশের জন্য কনডেন্সারের শূন্যতার ওপর নির্ভর করত। ASME হুইটব্রেড ইঞ্জিনের জন্য বায়ুমণ্ডলের প্রায় 3 psi ওপরের কথা বলে। অনেক বেশি চাপে চলা ইঞ্জিন এসেছে পরে।
p-V চিত্র কী কাজে লাগে?
এটি সিলিন্ডারের চাপকে আয়তনের বিপরীতে আঁকে। লুপের ভেতরের ক্ষেত্রফল এক চক্রে করা কাজ। প্রকৌশলীরা বাষ্পীয় ইঞ্জিন ইন্ডিকেটর দিয়ে এটি আঁকতেন, ইঞ্জিনের আসল শক্তি মাপতে আর ভালভ ঠিক করতে।
ওয়াটের কনডেন্সার কত কয়লা বাঁচিয়েছিল?
সায়েন্স মিউজিয়ামের হিসাবে দুই-তৃতীয়াংশ কম কয়লা। মডেলটি আলাদা কনডেন্সারে প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় 3.3 kg আর সিলিন্ডারে ধারায় 10.1 kg দেয়, অনুপাত 3.1, এমন দেয়াল-ক্ষতি ধরে যা ওই সংখ্যার সঙ্গে মেলানোর জন্য বাছা হয়েছে।
এক হর্সপাওয়ার কত ওয়াট?
745.7 W। ওয়াটের হর্সপাওয়ার মিনিটে 33,000 ফুট-পাউন্ড, বা সেকেন্ডে 550 ফুট-পাউন্ড, আর NIST রূপান্তরটি দেয় 745.6999 W।
পরের ইঞ্জিনগুলো কেন অনেক বেশি চাপ ব্যবহার করত?
উচ্চচাপের বাষ্প আগেভাগে বন্ধ করে অনেকটা প্রসারিত হতে দেওয়া যায়, তাতে প্রতি কিলোগ্রাম থেকে বেশি কাজ মেলে। এতে ইঞ্জিন কনডেন্সার ছাড়াই বায়ুমণ্ডলের বিরুদ্ধে ঠেলতে পারে, আর লোকোমোটিভের ঠিক এটাই দরকার ছিল। মডেলে 25% কাট-অফ 30 hp ভার টানে কেবল তখনই, যখন বয়লার প্রায় 2.5 bar-এ তোলা হয়।
বিদ্যুৎকেন্দ্র কি এখনো কনডেন্সার ব্যবহার করে?
হ্যাঁ। বাষ্প টারবাইনের বিদ্যুৎকেন্দ্র তার নির্গত বাষ্পকে কনডেন্সারে আবার জল বানায়, ওয়াটের মতো একই কারণে: নির্গমের দিকে কম চাপ বাষ্পকে বেশি কাজ করতে দেয়। 2024 সালে যুক্তরাষ্ট্রের কয়লা কেন্দ্রগুলো প্রায় 32% দক্ষতায় চলেছে, যেখানে মডেল ইঞ্জিন প্রায় 3%।
নিউকোমেন ও ট্রেভিথিকের ইঞ্জিনের পার্থক্য কী?
নিউকোমেন প্রায় বায়ুমণ্ডলীয় চাপে চলত। বাষ্প শুধু সিলিন্ডার ভরত; তা ঘনীভূত হয়ে তৈরি শূন্যতার দিকে বাতাস পিস্টন ঠেলে কাজ করত। 1800-এর দশকের শুরুর ট্রেভিথিক ইঞ্জিন বায়ুমণ্ডলের চেয়ে প্রায় 50 psi বেশি চাপে চলত: বাষ্প নিজে পিস্টন ঠেলে পরে বেরিয়ে যেতে পারত। ফলে ইঞ্জিন চাকার ওপর বসানোর মতো ছোট হয়।
ত্রিস্তর প্রসারণ ইঞ্জিন কী?
বাষ্প পরপর তিন সিলিন্ডারে কাজ করে। চাপ কমলে আয়তন বাড়ে বলে প্রতিটি পরের সিলিন্ডার বড়। প্রসারণ ভাগ করলে প্রতি সিলিন্ডারের তাপমাত্রার পরিসর কমে এবং দেয়ালে কম বাষ্প ঘনীভূত হয়। 1894 সালের লেভিট ইঞ্জিন এভাবে প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় 1.146 lb কয়লা পোড়াত।
বিদ্যুৎকেন্দ্রে টারবাইন পিস্টন ইঞ্জিনের জায়গা নিল কেন?
টারবাইন মসৃণভাবে দ্রুত ঘোরে, যা জেনারেটরের উপযোগী, আর বাষ্প বহু ধাপে কাজ চালিয়ে যায়। সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপের মতে 1892 সালের কেমব্রিজ পার্সন্স টারবাইন পরীক্ষায় সমান মাপের সেরা পিস্টন ইঞ্জিনের সমান ছিল এবং কেন্দ্রটি টারবাইনের উত্থানের শুরু চিহ্নিত করে। জাদুঘর বলে আজও আমাদের অধিকাংশ শক্তি টারবাইন থেকে আসে।
বিদ্যুৎকেন্দ্র কয়লা থেকে নিউকোমেনের কত বেশি কাজ পায়?
প্রায় 96 গুণ। নিউকোমেনের দক্ষতা প্রায় 0.33%, আর 2024 সালে যুক্তরাষ্ট্রের কয়লা বিদ্যুৎকেন্দ্রের গড় 31.7%। 1712 সালে 1 kg কয়লা 976 kg জল 10 m তুলত; এখন প্রায় 93,600 kg তোলে।
পরিভাষা
বিম ইঞ্জিন: এমন ইঞ্জিন যেখানে পিস্টন মাঝখানের পিভটে দোলা একটি বিমের এক প্রান্ত চালায়।
ঘূর্ণনশীল ইঞ্জিন: যে ইঞ্জিন শ্যাফট ঘোরায়, পাম্পিং ইঞ্জিনের বিপরীতে যা শুধু দোলে।
আলাদা কনডেন্সার: সিলিন্ডার থেকে আলাদা একটি ঠান্ডা পাত্র, যেখানে নির্গত বাষ্প আবার জল হয়।
দ্বিক্রিয়: বাষ্প পালা করে পিস্টনের দুই দিকে কাজ করে।
স্লাইড ভালভ: পিছলে চলা খণ্ড, যা সিলিন্ডারের পোর্টগুলো পালা করে বাষ্প ও নির্গমনের দিকে খোলে।
কাট-অফ: স্ট্রোকের যে বিন্দুতে তাজা বাষ্প ঢোকা বন্ধ হয়। এরপর বাষ্প প্রসারণে কাজ করে।
স্টিম ল্যাপ: ভালভ মাঝখানে থাকলে তার কিনারা পোর্টকে যতটা ঢেকে রাখে।
প্যারালেল মোশন: ওয়াটের সংযোগব্যবস্থা, যা বিমের বৃত্তচাপ থেকে পিস্টন রডকে সোজা রেখায় চালায়।
সান ও প্ল্যানেট গিয়ার: এক জোড়া গিয়ার, যা কানেক্টিং রডের ওঠানামাকে শ্যাফটের ঘূর্ণনে বদলায়।
কেন্দ্রাতিগ গভর্নর: ঘূর্ণায়মান ওজন, যা গতি বাড়লে থ্রটল বন্ধ করে।
গড় কার্যকর চাপ: সেই স্থির চাপ, যা এক স্ট্রোকে আসল, বদলাতে থাকা চাপের সমান কাজ করত।
নির্দেশিত শক্তি: ঘর্ষণের আগে বাষ্প পিস্টনকে যে শক্তি দেয়।
পেছনের চাপ: পিস্টনের নির্গমনের দিকের চাপ, যা এর বিরুদ্ধে কাজ করে।
প্রতি হর্সপাওয়ার-ঘণ্টায় কয়লা: এক ঘণ্টা ধরে এক হর্সপাওয়ার কাজ করতে ইঞ্জিন যত কয়লা পোড়ায়। কম হলেই ভালো।
প্রসারণের কাজ: বাষ্প আগেভাগে বন্ধ করে সিলিন্ডারে থাকা বাষ্পকে প্রসারিত হতে দেওয়া।
হর্সপাওয়ার: মিনিটে 33,000 ফুট-পাউন্ড কাজ, 745.7 W।
বায়ুমণ্ডলীয় ইঞ্জিন: নিউকোমেনের মতো ইঞ্জিন, যেখানে বাষ্প ঘনীভূত করে তৈরি শূন্যতার দিকে বাতাস পিস্টন ঠেলে।
উচ্চচাপের ইঞ্জিন: বায়ুমণ্ডলের চেয়ে অনেক বেশি চাপের বাষ্প নিজে পিস্টন ঠেলে এবং সাধারণত পরে বাইরে বেরোয়।
ত্রিস্তর প্রসারণ: উচ্চ, মধ্য ও নিম্নচাপের তিন সিলিন্ডারে পরপর বাষ্পের ব্যবহার।
বাষ্প টারবাইন: পিস্টনহীন যন্ত্র যেখানে ব্লেডের সারি পেরোনো বাষ্প রোটর ঘোরায়।
সেফটি ভালভ: ওজন বা স্প্রিংয়ে বন্ধ থাকা ভালভ, যা বয়লারের চাপের সীমায় খোলে।
প্রতি বুশেলে কাজ (Duty): পাম্পিং ইঞ্জিনের পুরোনো মাপ: প্রতি বুশেল কয়লা থেকে পাওয়া ফুট-পাউন্ড কাজ।
সূত্র
- Powerhouse Collection, Boulton and Watt rotative steam engine, 1785 (object 7177). https://collection.powerhouse.com.au/object/7177 (checked 16 October 2026)
- Science Museum Blog, Ben Russell, James Watt and the separate condenser (5 January 2019). https://blog.sciencemuseum.org.uk/james-watt-and-the-separate-condenser/ (checked 16 October 2026)
- American Society of Mechanical Engineers, Boulton & Watt Rotative Steam Engine, National Historic Mechanical Engineering Landmark brochure (1986). https://www.asme.org/wwwasmeorg/media/resourcefiles/aboutasme/who%20we%20are/engineering%20history/landmarks/111-boulton-watt-rotative-steam-engine.pdf (checked 16 October 2026)
- Deutsches Patent- und Markenamt, copy of Watt's patent No. 913 of 1769, Method of Lessening the Consumption of Steam and Fuel in Fire Engines. https://www.dpma.de/docs/dpma/veroeffentlichungen/gb000176900913a_watt1769.pdf (checked 16 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Drawing of Savery's Pumping Engine 1698 (1897-117). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50874/drawing-of-saverys-pumping-engine-1698 (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Drawing of Thomas Newcomen's Pumping Engine, 1712 (1897-120). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50887/drawing-of-thomas-newcomens-pumping-engine-1712 (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Demainbray's Newcomen engine model. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co2000/demainbrays-newcomen-engine-model (checked 17 October 2026)
- Science Museum Blog, In Pursuit Of Power (31 July 2012). https://blog.sciencemuseum.org.uk/a-new-age (checked 17 October 2026)
- The Henry Ford, Marc Greuther, Newcomen Engine (8 April 2015). https://www.thehenryford.org/collections/explore/articles/newcomen-engine (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Remains of a Cornish pumping engine, 'Old Bess', built by James Watt, 1777 (1861-45). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50947/remains-of-a-cornish-pumping-engine-old-bess-built-by-james-watt-1777 (checked 17 October 2026)
- Birmingham Museums, Thinktank, Smethwick Engine and Power Up. https://www.birminghammuseums.org.uk/thinktank/highlights/smethwick-engine (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Rotative Steam Engine by Boulton and Watt, 1788 (1861-46). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50948/rotative-steam-engine-by-boulton-and-watt-1788 (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, 'Bell-crank' engine, c. 1799. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51084/bell-crank-engine-c-1799 (checked 17 October 2026)
- Amgueddfa Cymru, National Museum Wales, Richard Trevithick's steam locomotive (15 December 2008). https://museum.wales/blog/1012/Richard-Trevithickrsquos-steam-locomotive (checked 17 October 2026)
- Science Museum Blog, Peter Turvey, Steaming Through The Centuries (27 February 2012). https://blog.sciencemuseum.org.uk/steaming-through-the-centuries/ (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Archive, Engine of P.S. Comet 1812. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/documents/aa110135869/engine-of-p-s-comet-1812 (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Rocket locomotive (1862-5). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co26704/rocket-locomotive (checked 17 October 2026)
- The History Press, The launch of SS Great Britain (16 July 2018). https://thehistorypress.co.uk/article/the-launch-of-ss-great-britain/ (checked 17 October 2026)
- American Society of Mechanical Engineers, Kew Bridge Beam Engines, landmark brochure H194. https://www.asme.org/wwwasmeorg/media/resourcefiles/aboutasme/who%20we%20are/engineering%20history/landmarks/194-kew-bridge-cornish-beam-engines.pdf (checked 17 October 2026)
- Yale University, Energy History, William Dean Howells describes the Corliss steam engine, American Centennial Exhibition, 1876. https://energyhistory.yale.edu/william-dean-howells-describes-the-corliss-steam-engine-american-centennial-exhibition-1876/ (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Parsons' steam turbine generator, 1884 (1890-59). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51109/parsons-steam-turbine-generator-1884 (checked 17 October 2026)
- North East Museums, Discovery Museum, Turbinia. https://www.northeastmuseums.org.uk/discoverymuseum/about/turbinia (checked 17 October 2026)
- Science Museum Group Collection, Mill Engine by Burnley Ironworks Company (1971-78). https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51089/mill-engine-by-burnley-ironworks-company (checked 17 October 2026)
- U.S. Energy Information Administration, Electric Power Annual, Table 8.1, Average Operating Heat Rate for Selected Energy Sources. https://www.eia.gov/electricity/annual/html/epa_08_01.html (checked 17 October 2026)
- National Institute of Standards and Technology, NIST Guide to the SI, Appendix B.9, Factors for units listed by kind of quantity. https://www.nist.gov/pml/special-publication-811/nist-guide-si-appendix-b-conversion-factors/nist-guide-si-appendix-b9 (checked 17 October 2026)
- ইউনিভার্সিটি অব হিউস্টন, জন এইচ. লিনহার্ড, আমাদের উদ্ভাবনের ইঞ্জিন: আরও এক শক্তিসংকট. https://engines.egr.uh.edu/cdlist/energy/8 (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- আমেরিকান সোসাইটি ফর ইঞ্জিনিয়ারিং এডুকেশন (ASEE), 18 শতকের বাষ্প ইঞ্জিনের তাপগতীয় মডেলিং. https://peer.asee.org/thermodynamic-modeling-of-18th-century-steam-engines.pdf (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ সংগ্রহ, নিউকোমেন পাম্পিং ইঞ্জিন ওল্ড সারার পিস্টন ও রড. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51190/piston-and-rod-from-newcomen-pumping-engine-old-sarah (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ সংগ্রহ, জন স্মিটনের বায়ুমণ্ডলীয় ইঞ্জিন, 1772. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co50899/atmospheric-engine-by-john-smeaton-1772 (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ সংগ্রহ, ট্রেভিথিকের উচ্চচাপ বাষ্প ইঞ্জিন ও বয়লার, প্রায় 1806. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51033/trevithicks-high-pressure-steam-engine-and-boiler-c-1806 (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ সংগ্রহ, পিল, উইলিয়ামস ও পিলের বাষ্প ইঞ্জিন. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co8414737/peel-williams-peel-steam-engine (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- আমেরিকান সোসাইটি অব মেকানিক্যাল ইঞ্জিনিয়ার্স (ASME), চেস্টনাট হিলের লেভিট পাম্পিং ইঞ্জিন, ঐতিহাসিক নিদর্শনের পুস্তিকা 2. https://www.asme.org/getmedia/0ae20250-f58e-44bb-9162-1deeae56533f/2.pdf (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- আমেরিকান সোসাইটি অব মেকানিক্যাল ইঞ্জিনিয়ার্স (ASME), এসএস জেরেমায়া ওব্রায়েন, ঐতিহাসিক নিদর্শন 98. https://www.asme.org/about-asme/engineering-history/landmarks/98-SS-Jeremiah-O-Brien (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ সংগ্রহ, 100 kW পার্সন্স রেডিয়াল-ফ্লো বাষ্প টারবাইন ও জেনারেটর, আংশিক কাটা. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co8625819/100-k-w-parsons-radial-flow-steam-turbine-alternator-with-generator-partly-sectioned (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- সায়েন্স মিউজিয়াম গ্রুপ সংগ্রহ, উইলানসের ত্রিস্তর প্রসারণ ইঞ্জিন, 1884–1887. https://collection.sciencemuseumgroup.org.uk/objects/co51066/willans-triple-expansion-engine-1884-1887 (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- আমেরিকান সোসাইটি অব মেকানিক্যাল ইঞ্জিনিয়ার্স (ASME), পোর্ট ওয়াশিংটন বিদ্যুৎকেন্দ্র, ঐতিহাসিক নিদর্শন 51. https://www.asme.org/about-asme/engineering-history/landmarks/51-Port-Washington-Power-Plant (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- Musée des Arts et Métiers, বাষ্পগাড়ি. https://www.arts-et-metiers.net/musee/fardier-vapeur (যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)
- বাকি তালিকা মঞ্চ থেকে প্রতিটি ইঞ্জিনের নিজস্ব Science Museum Group, ASME বা জাদুঘরের পৃষ্ঠায় নিয়ে যায় (সব যাচাই: 26 অক্টোবর 2026)।
- এই পাতার হিসাবগুলো মডেলের নিজস্ব কোড থেকে আসে: বিম ও রডের জ্যামিতি থেকে পিস্টনের অবস্থান, 45° অ্যাঙ্গেল অব অ্যাডভান্সের স্লাইড ভালভ থেকে ভালভের ঘটনা, কাট-অফের পর সমতাপীয় প্রসারণ (pV = ধ্রুবক) থেকে চাপ, আর h = g/ω² থেকে গভর্নর। বাষ্প ও কয়লার সংখ্যাও একই কোড থেকে আসে: সম্পৃক্ত অবস্থায় আদর্শ গ্যাস সূত্রে বাষ্পের ঘনত্ব, প্রতি kg কয়লায় 6 kg বাষ্প, প্রতি kg কয়লায় 29 MJ, আর দেয়ালের ক্ষতি কাজ করা বাষ্পের 0.6 গুণ (আলাদা কনডেন্সার) ও 2.0 গুণ (সিলিন্ডারে ধারা)।
আরও প্রদর্শনী
ফোর-স্ট্রোক ইঞ্জিন: ইন্টারঅ্যাক্টিভ সিমুলেটর, ধাপে ধাপে
3,000 rpm-এ প্রতিটি সিলিন্ডার সেকেন্ডে 25 বার জ্বলে। এখানে ইঞ্জিন এত ধীরে ঘোরে যে প্রতিটি স্ট্রোক দেখা যায়, আর একে সিঙ্গল থেকে V8 পর্যন্ত যেকোনো বিন্যাসে সাজানো যায়, প্রতিটির নিজস্ব ফায়ারিং ক্রম সহ।
তরল রকেট ইঞ্জিন কীভাবে কাজ করে
নুরির 75 টনের ইঞ্জিন প্রতি সেকেন্ডে 255 kg কেরোসিন আর তরল অক্সিজেন পোড়ায়, আর একই ইঞ্জিন সমুদ্রপৃষ্ঠের চেয়ে মহাকাশে প্রায় 13 শতাংশ বেশি জোরে ঠেলে।
টার্বোচার্জার কীভাবে কাজ করে
এই 2.0 লিটার ইঞ্জিনের মডেলে 1,42,000 rpm-এ ঘোরা একটি শ্যাফট প্রতিটি সিলিন্ডারে প্রায় দ্বিগুণ বাতাস ঠেলে দেয়।
সাগ্রাদা ফামিলিয়া কবে শেষ হবে? ভেতরে ঘুরে দেখুন
Sagrada Família-র ভেতরে 45 m ওপরে স্তম্ভ গাছের মতো শাখায় ভাগ হয়, আর সূর্য মেঝেতে নীল ও কমলা আলো সরায়।
গ্র্যান্ড ক্যানিয়ন কিভাবে সৃষ্টি হয়েছে: শিলাস্তরে হাঁটা
Bright Angel Trail ধরে 13টি শিলাস্তর পেরিয়ে 1,360 m নামুন, কিনারার 27 কোটি বছরের সমুদ্রতল থেকে নদীর ধারের 175 কোটি বছরের শিস্ট পর্যন্ত।
মাচু পিচু ভার্চুয়াল ভ্রমণ: ধাপচাষ, জল ও সূর্য মন্দির
Machu Picchu-কে শৈলশিরায় ধরে রাখার অধিকাংশ কাজ, এক হিসাবে 60 শতাংশ, মাটির নিচের ভিত ও অদৃশ্য নিকাশব্যবস্থায় লুকিয়ে।