واٹ کا بھاپ انجن کیسے کام کرتا ہے

ماڈل کیا دکھاتا ہے

جیمز واٹ سے پہلے بھاپ کا انجن اپنا زیادہ تر کوئلہ ایک ہی لوہے کے سلنڈر کو بار بار گرم اور ٹھنڈا کرنے میں خرچ کر دیتا تھا، ایک منٹ میں 12 یا اس سے زیادہ بار۔ یہ ماڈل وہ مشین دکھاتا ہے جس نے یہ مسئلہ حل کیا، اور پھر صرف پمپ چلانے کے بجائے ملوں کے شافٹ بھی گھمانے لگی۔

یہ اس قسم کا گھومنے والا بیم انجن ہے جیسے بولٹن اور واٹ نے 1780 کی دہائی میں بنائے، اصل ناپ کے دسویں حصے میں اور بیچ سے کٹا ہوا۔ سرخ سطحیں کٹے ہوئے حصے ہیں۔ بوائلر سے آنے والی تازہ بھاپ نارنجی ہے، کنڈینسر کی طرف جاتی استعمال شدہ بھاپ ہلکی نیلی، اور پانی گہرا نیلا۔ تناسب سڈنی کے پاور ہاؤس میوزیم میں رکھے 1785 کے بولٹن اور واٹ انجن کے ہیں: 635 mm (25 انچ) اندرونی قطر، 1.83 m (6 فٹ) اسٹروک اور 4.27 m (14 فٹ) کا فلائی وہیل۔

کونے کی ریڈنگ فلائی وہیل کی رفتار، تھروٹل کتنا کھلا ہے، بھاپ پسٹن میں کتنی طاقت ڈال رہی ہے، انجن کتنا کوئلہ جلا رہا ہے اور پسٹن کے اوپر کا دباؤ دکھاتی ہے۔ گراف کے نیچے ایک چھوٹی لکیر پچھلے 30 سیکنڈ کی رفتار (سرخ) اور تھروٹل (نیلی) سنبھال کر رکھتی ہے، تاکہ بوجھ بدلنے پر آپ گورنر کا جواب دیکھ سکیں۔ اس کے نیچے کا گراف سلنڈر کے اوپری حصے کا دباؤ اور حجم کا لوپ ہے، جو انجن چلتے چلتے بنتا جاتا ہے۔ اس کے پیچھے کی سرمئی لکیر ڈیزائن بوجھ پر بنا لوپ ہے، تاکہ بوجھ کا سلائیڈر کھسکانے پر آپ تبدیلی دیکھ سکیں۔

نیوکومن کا انجن اتنا کوئلہ کیوں جلاتا تھا

تھامس نیوکومن کا 1712 کا فضائی انجن پہلے اپنے سلنڈر کو بھاپ سے بھرتا، پھر اندر ٹھنڈا پانی چھڑکتا تھا۔ بھاپ پانی بن جاتی، سلنڈر کا دباؤ گرتا، اور باہر کی ہوا پسٹن کو نیچے دبا دیتی۔ یہ کام کرتا تھا، مگر ہر اسٹروک سلنڈر کی دیواروں کو ٹھنڈا کر دیتا، اور اگلی بھاپ کو جگہ بھرنے سے پہلے انہیں پھر گرم کرنا پڑتا۔ بہت سی بھاپ، اور اسے بنانے والا کوئلہ، لوہا گرم کرنے میں ہی چلا جاتا۔

واٹ کے سامنے یہ مسئلہ 1763 میں آیا، جب گلاسگو کالج نے ان سے نیوکومن انجن کا ایک ماڈل ٹھیک کرنے کو کہا جو بھاپ کی کمی سے بار بار رک جاتا تھا۔ ان کا حل یہ تھا کہ بھاپ کو کہیں اور پانی بنایا جائے، اور 1765 تک ان کا ماڈل اس طرح چلنے لگا تھا۔ ان کا پیٹنٹ 5 جنوری 1769 کو منظور ہوا، اور اس کا پہلا دعویٰ یہ تھا کہ سلنڈر کو "انجن کے کام کرنے کے پورے وقت اتنا ہی گرم رکھا جائے جتنی اس میں آنے والی بھاپ۔"

الگ کنڈینسر

ماڈل میں کنڈینسر وہ لوہے کا برتن ہے جو انجن ہاؤس کے فرش کے نیچے، ٹھنڈے پانی کی لکڑی کی ٹنکی میں کھڑا ہے۔ جب سلنڈر کا ایک سرا اخراج سے جڑتا ہے، بھاپ تیزی سے پائپ میں نیچے اتر کر کنڈینسر میں پہنچتی ہے، جہاں انجیکشن کاک سے نکلی ٹھنڈے پانی کی دھار اسے پھر پانی بنا دیتی ہے۔ پانی بھاپ سے بہت کم جگہ لیتا ہے، اس لیے کنڈینسر کا دباؤ کم رہتا ہے، ماڈل میں تقریباً 0.2 bar۔ سلنڈر کبھی ٹھنڈے پانی کو نہیں چھوتا، اس لیے گرم رہتا ہے۔

بھاپ کے پانی بننے سے پانی بنتا ہے، اور کچھ ہوا بھی بھاپ کے ساتھ آ جاتی ہے یا جوڑوں سے رس آتی ہے۔ کنڈینسر کے پاس والا ایئر پمپ دونوں کو نکال دیتا ہے۔ اس کی بالٹی بیم سے جڑی ایک سلاخ سے چلتی ہے، اور یہ جو نیم گرم پانی اٹھاتا ہے وہ ہاٹ ویل میں جاتا ہے، جہاں سے فیڈ پائپ اسے بوائلر میں واپس لے جاتا ہے۔ سائنس میوزیم نتیجہ سیدھے لفظوں میں بتاتا ہے: واٹ کے کنڈینسر والے انجن دو تہائی کم کوئلہ جلاتے تھے۔

ماڈل کے اعداد سے اس کی وجہ دکھائی دیتی ہے۔ جب تھروٹل اپنے 45% والے حوالہ کھلاؤ پر ہو، سلنڈر تک پہنچنے والی بھاپ 1.14 bar مطلق دباؤ پر ہوتی ہے، باہر کی ہوا سے بس ذرا اوپر۔ پسٹن کی دوسری طرف 0.2 bar والے کنڈینسر سے جڑی ہو، تو ہر دوہرا اسٹروک تقریباً 80 kJ کام کرتا ہے۔ اگر یہی انجن 1.01 bar کی کھلی ہوا میں بھاپ چھوڑتا، تو پیچھے کا دباؤ آگے کے دھکے کو برابر کر دیتا اور انجن رک جاتا۔

پسٹن کے دونوں طرف بھاپ

واٹ کے پہلے انجن نیوکومن کے انجنوں کی طرح اکہرے عمل والے تھے: بھاپ پسٹن کو نیچے دھکیلتی اور پمپ کی سلاخوں کا وزن اسے واپس کھینچتا۔ مشینوں کو ہمواری سے چلانے کے لیے واٹ نے مارچ 1782 میں دوہرے عمل کا پیٹنٹ لیا۔ نیچے جاتے وقت بھاپ پسٹن کے اوپر کام کرتی ہے اور اوپر جاتے وقت نیچے، اور جس طرف دھکا نہیں لگ رہا ہوتا وہ کنڈینسر سے جڑی رہتی ہے۔

ماڈل یہ تبدیلی سلائیڈ والو سے کرتا ہے۔ یہ نیچے سے کھوکھلا پیتل کا ایک ٹکڑا ہے، جو والو کی سطح کے تین سوراخوں کے اوپر اوپر نیچے چلتا ہے۔ اوپری سوراخ سلنڈر کے اوپر جاتا ہے، نچلا نیچے، اور بیچ والا اخراج میں۔ جب والو ایک بیرونی سوراخ کو بھاپ چیسٹ کے لیے کھولتا ہے، اس کا کھوکھلا حصہ دوسرے بیرونی سوراخ کو اخراج سے جوڑ دیتا ہے۔

والو کے بیرونی کنارے سوراخوں سے کچھ زیادہ چوڑے ہیں؛ اس زائد حصے کو اسٹیم لیپ کہتے ہیں۔ لیپ کی وجہ سے والو اسٹروک ختم ہونے سے کافی پہلے تازہ بھاپ بند کر دیتا ہے: ماڈل میں نیچے والے اسٹروک کے 46% پر اور اوپر والے کے 55% پر۔ دونوں عدد اس لیے الگ ہیں کہ بیم کا سرا قوس پر جھولتا ہے اور سلاخیں لامحدود لمبی نہیں ہیں۔ کٹ آف کے بعد اندر بند بھاپ پھیلتے ہوئے دھکیلتی رہتی ہے، جس سے بھاپ بچتی ہے۔ واٹ نے پھیلاؤ والے اس کام کو اسی 1782 کے پیٹنٹ میں بیان کیا تھا۔

جھولتے بیم کو گھماؤ میں بدلنا

پسٹن راڈ کا اوپری سرا سیدھی لکیر میں چلنا چاہیے، ورنہ یہ اپنی پیکنگ والی گلینڈ پھاڑ دے گا۔ لیکن بیم کا سرا قوس پر چلتا ہے۔ 1784 میں واٹ کا حل پیرلل موشن تھا: سلاخوں اور ایک ریڈیئس راڈ کا ایسا جوڑ کہ اس کا ایک جوڑ پورے اسٹروک میں تقریباً سیدھی لکیر کھینچے۔ واٹ کہتے تھے کہ یہی ان کی وہ ایجاد ہے جس پر انہیں سب سے زیادہ فخر ہے۔ واٹ کا اصل جوڑ سیدھی لکیر کے بس قریب پہنچتا ہے؛ ماڈل کراس ہیڈ کو ٹھیک سلنڈر کے محور پر رکھتا ہے اور وہیں سے سلاخوں کی جگہ نکالتا ہے۔

بیم کے دوسرے سرے سے ایک کنیکٹنگ راڈ نیچے شافٹ تک آتی ہے۔ کرینک کے بجائے اس پر ایک گیئر لگا ہے جو راڈ میں جڑا ہے اور اس پر گھوم نہیں سکتا۔ یہ پلینٹ گیئر فلائی وہیل کے شافٹ پر لگے اسی ناپ کے سن گیئر سے پھنسا رہتا ہے، اور ایک پٹی دونوں کو ساتھ باندھے رکھتی ہے۔ پلینٹ کو جب گرد گھمایا جاتا ہے تو پسٹن کے ہر اوپر نیچے پر سن گیئر دو چکر گھومتا ہے۔ ASME کی تاریخ بتاتی ہے کہ واٹ نے اسے اس لیے اپنایا کہ سیدھا سادہ کرینک پہلے ہی کسی اور کے نام پیٹنٹ تھا۔

4.27 m کا فلائی وہیل ہر چکر کے ان دو مردہ نقطوں سے شافٹ کو گزار دیتا ہے، جہاں پسٹن اسٹروک کے آخر پر ہوتا ہے اور شافٹ کو گھما نہیں سکتا۔

گورنر رفتار کو کیسے قابو میں رکھتا ہے

مل کے انجن کو تقریباً ایک ہی رفتار سے چلنا ہوتا ہے، چاہے اس سے چلنے والی مشینیں مصروف ہوں یا خالی۔ مرکز گریز گورنر یہ کام بغیر کسی کی نگرانی کے کرتا ہے۔ فلائی وہیل کے شافٹ سے چلنے والے ایک دھرے سے بازوؤں پر پیتل کی دو گیندیں لٹکتی ہیں۔ دھرا تیز گھومے تو گیندیں باہر اور اوپر کی طرف جھولتی ہیں۔ اس سے ایک سلیو اٹھتی ہے، جو بیل کرینک اور ایک لمبی سلاخ کے ذریعے بھاپ کے پائپ کے بٹر فلائی تھروٹل کو ذرا بند کر دیتی ہے۔ سلنڈر تک کم بھاپ پہنچتی ہے اور انجن سست ہو جاتا ہے۔ انجن زیادہ سست ہو جائے تو گیندیں گرتی ہیں اور تھروٹل کھل جاتا ہے۔

اسے کنٹرول میں آزمائیں۔ 30 ہارس پاور کے ڈیزائن بوجھ پر انجن 40.3 rpm پر ٹک جاتا ہے۔ بوجھ 10 ہارس پاور کر دیں تو فلائی وہیل تھوڑی دیر کے لیے 42.8 rpm تک تیز ہوتا ہے، پھر تھروٹل تقریباً 8% تک بند ہوتا ہے اور رفتار 42.6 rpm پر ٹھہر جاتی ہے۔ گورنر بند کر کے یہی کریں: تھروٹل وہیں رہتا ہے، اور ایک منٹ کے اندر انجن 110 rpm سے آگے نکل جاتا ہے۔ بوجھ 40 ہارس پاور تک بڑھائیں تو تھروٹل پورا کھل جاتا ہے، پھر بھی انجن تقریباً 29 rpm تک سست ہو جاتا ہے۔ 40 rpm پر تقریباً 37 ہارس پاور سے اوپر سلنڈر کافی کام دے ہی نہیں پاتا۔

ایسا گورنر کبھی ٹھیک پرانی رفتار پر نہیں لوٹتا۔ تھروٹل کو نئی جگہ پر تھامنے کے لیے اسے رفتار میں تھوڑی سی کمی بیشی چاہیے، اس لیے ہلکے بوجھ پر انجن بھاری بوجھ کے مقابلے میں ذرا تیز چلتا ہے۔ انجینئر اسے ڈروپ کہتے ہیں۔

اعداد، حساب کے ساتھ

گورنر کی اونچائی کا فارمولا مخروطی رقاص سے آتا ہے: عمودی محور کے گرد گھومتی گیند وہاں ٹکتی ہے جہاں بازو کا اندر کی طرف کھنچاؤ کششِ ثقل کو برابر کرتا ہے، یعنی دھرے کے نقطے سے h = g/ω² نیچے، اس کی کمیت چاہے جو ہو۔ تیز گھمائیں تو h چھوٹا ہوتا ہے، اس لیے گیندیں اوپر اٹھتی ہیں۔ امریکن سوسائٹی آف مکینیکل انجینئرز کا اندازہ ہے کہ دوہرے عمل والا بننے کے بعد وٹبریڈ انجن تقریباً 35 ظاہر شدہ ہارس پاور کا تھا، یہ مان کر کہ اوسط مؤثر دباؤ 10 psi اور فی منٹ 20 سے 21 اسٹروک تھے۔ ماڈل بھی انہی اعداد پر پہنچتا ہے۔

ایک ہی انجن پر نیوکومن بمقابلہ واٹ

کنٹرول ٹیب میں الگ کنڈینسر نام کا ایک سوئچ ہے۔ اسے بند کریں تو ماڈل نیوکومن انجن کی طرح کام کرتا ہے: ہر اسٹروک کے آخر میں ٹھنڈی دھار سیدھی سلنڈر میں چھڑکی جاتی ہے، اور کنڈینسر کا برتن خالی بیٹھا رہتا ہے۔ دو چیزیں بدلتی ہیں۔ خلا کمزور ہو جاتا ہے، کیونکہ دھار کو گرم سلنڈر کی دیوار سے لڑنا پڑتا ہے، اس لیے ماڈل کا پیچھے کا دباؤ 0.2 bar سے بڑھ کر 0.55 bar ہو جاتا ہے۔ اور ہر اسٹروک پر دیواریں ٹھنڈی ہوتی ہیں، اس لیے اگلی بھاپ کو دھکیلنے سے پہلے انہیں پھر گرم کرنا پڑتا ہے۔

دوسرا اثر وہی ہے جس کے پیچھے واٹ تھے، اور اسی میں کوئلہ خرچ ہوتا ہے۔ ماڈل اسے گننے کے لیے دیواروں پر جمنے والی بھاپ کو کام کرنے والی بھاپ میں جوڑتا ہے۔ الگ کنڈینسر کے ساتھ کام کرنے والے ہر کلوگرام پر یہ 0.6 kg جوڑتا ہے، جو ایسے جیکٹ والے سلنڈر کا حساب ہے جو پھر بھی تھوڑی حرارت کھوتا ہے۔ سلنڈر میں دھار کے ساتھ یہ 2 kg جوڑتا ہے، یعنی ساری بھاپ کا دو تہائی لوہے کو پھر گرم کرنے میں چلا جاتا ہے۔ دونوں عدد ماڈل کی قدریں ہیں، جنہیں اس طرح چنا گیا ہے کہ نتیجہ سائنس میوزیم کے "دو تہائی کم کوئلہ" کے قریب آئے۔

لیب کی پٹیاں اسی انجن کا نتیجہ 40 rpm پر، تھروٹل پورا کھول کر دکھاتی ہیں:

یعنی اتنے ہی کام کے لیے 3.1 گنا کوئلہ۔ چلتے ماڈل میں یہ فرق ایک اور طرح سے بھی دکھتا ہے۔ 30 ہارس پاور کے ڈیزائن بوجھ پر نیوکومن سیٹنگ ٹک نہیں پاتی: تھروٹل پورا کھل جاتا ہے، رفتار گرتی ہے، اور انجن رک جاتا ہے۔ بوجھ 15 ہارس پاور کریں تو یہ 40.6 rpm پر ٹکا رہتا ہے، مگر گھنٹے میں 239 kg کوئلہ جلاتا ہے، جبکہ اسی بوجھ پر واٹ سیٹنگ 87 kg جلاتی ہے۔

فی ہارس پاور گھنٹہ کوئلہ، حساب کے ساتھ

واٹ کے زمانے کے انجینئر انجنوں کا موازنہ اس سے کرتے تھے کہ کوئلے کی ایک مقررہ مقدار سے وہ کتنا کام کرتے ہیں۔ ماڈل ڈیزائن بوجھ پر، گورنر چالو رکھ کر، یہی حساب قدم بہ قدم کرتا ہے:

ان میں سے دو عدد نتیجے نہیں، مفروضے ہیں: ماڈل کا بوائلر ہر کلوگرام کوئلے سے 6 kg بھاپ بناتا ہے، اور کوئلے میں فی کلوگرام 29 MJ ہیں۔ دونوں ماڈل کی قدریں ہیں۔ ان میں سے کسی کو بھی بدلیں تو جدول میں اس کے نیچے کا ہر عدد ساتھ ساتھ بدل جاتا ہے۔

آخری سطر کو آہستہ پڑھیں۔ کوئلے کی ہر سو اکائی حرارت میں سے تین سے بھی کم کام بن کر پسٹن تک پہنچتی ہے۔ باقی چمنی سے اوپر، ٹنکی کے ٹھنڈے پانی میں، اور اس نیم گرم پانی میں چلی جاتی ہے جسے ایئر پمپ ہاٹ ویل میں ڈالتا ہے۔ ماڈل میں 1 kg کوئلہ پسٹن پر 0.78 MJ کام دیتا ہے۔ یہ ایک ٹن پانی کو 80 میٹر اٹھانے کے لیے کافی ہے، اور ایسے ہی کاموں کے لیے یہ انجن خریدے جاتے تھے۔ نیوکومن سیٹنگ پر وہی 1 kg کوئلہ 0.27 MJ دیتا ہے۔

ہارس پاور کیا ہے

طاقت کی ریڈنگ پہلے ہارس پاور دکھاتی ہے، کیونکہ واٹ اپنے انجنوں کو اسی اکائی میں جانچتے تھے۔ ایک ہارس پاور کا مطلب ہے فی منٹ 33,000 فٹ پاؤنڈ کام: ہر منٹ 33,000 پاؤنڈ کی قوت ایک فٹ تک، یا 330 پاؤنڈ 100 فٹ تک۔ امریکا کا نیشنل انسٹی ٹیوٹ آف اسٹینڈرڈز اینڈ ٹیکنالوجی (NIST) اس کی تبدیلی فی سیکنڈ 550 فٹ پاؤنڈ بتاتا ہے، جو 745.7 واٹ ہے۔ ماڈل واٹ کو ہارس پاور میں بدلنے کے لیے اسی عدد سے تقسیم کرتا ہے، اس لیے 26.1 kW کا مطلب 35.0 ہارس پاور ہوتا ہے۔

اس کے ساتھ کلوواٹ کا عدد اس لیے ہے کہ آج تقریباً ہر چیز واٹ میں جانچی جاتی ہے۔ واٹ کی اپنی اکائی میں، مرمت کے بعد سڈنی انجن کی 10 سے 15 ہارس پاور کا مطلب تھا 10 سے 15 گھوڑوں کا بغیر رکے کیا گیا کام۔

بھاپ کو اور پہلے کاٹنا

واٹ نے دیکھا کہ والو بند ہونے کے بعد بھی سلنڈر میں پہنچ چکی بھاپ کام کرتی رہ سکتی ہے، اور کٹ آف سلائیڈر سے آپ یہ آزما سکتے ہیں۔ یہ طے کرتا ہے کہ اسٹروک میں کتنی دور تک تازہ بھاپ آتی رہے۔ ماڈل کا سلائیڈ والو اصل طرز کا ہے، اس لیے کٹ آف بدلنے سے اس کا لیپ اور اینگل آف ایڈوانس بدلتے ہیں، اور اخراج بھی الگ نقطے پر کھلتا ہے۔ بغیر لیڈ کے، جس والو کا لیپ اس کے سفر کا L حصہ ہو، وہ پسٹن کی تقریباً cos²δ جگہ پر کٹ آف کرتا ہے، جہاں sin δ = L۔ ماڈل کا 45° کٹ آف کو آدھے اسٹروک کے قریب رکھتا ہے۔

پھیلاؤ فائدہ مند ہے کیونکہ بند بھاپ مفت میں دھکیلتی رہتی ہے۔ مستقل درجہ حرارت پر بھاپ اپنے حجم سے دگنی پھیلے تو وہ اندر آتے وقت کیے گئے کام کا 1 + ln 2 = 1.69 گنا کام کرتی ہے۔ چار گنا پھیلے تو 2.39 گنا۔ اس لیے چھوٹا کٹ آف ہر کلوگرام بھاپ سے زیادہ کام نکالتا ہے۔

مشکل یہ ہے کہ چھوٹے کٹ آف کا مطلب ہر اسٹروک میں کم بھاپ بھی ہے، اور اس لیے کم طاقت۔ واٹ کے 1.45 bar پر کٹ آف 25% کریں تو انجن 30 ہارس پاور نہیں اٹھا پاتا: سست ہو کر رک جاتا ہے۔ بوائلر کا دباؤ 2.5 bar کریں تو یہ پھر 41.4 rpm پر ٹک جاتا ہے، تھروٹل صرف 24% کھلا، اور فی hp·گھنٹہ 3.4 کے بجائے 2.4 kg کوئلہ لگتا ہے۔ بعد کے انجینئروں نے یہی راستہ اپنایا۔ 1800 کی دہائیوں کے کورنش پمپنگ انجن زیادہ دباؤ والی بھاپ لیتے اور اسے جلد کاٹ دیتے تھے؛ ماڈل کو 3.5 bar پر 20% کٹ آف اور اکہرے عمل پر سیٹ کریں تو پٹیاں فی hp·گھنٹہ 1.8 kg دکھاتی ہیں۔

اکہرا عمل اور دوہرا عمل

دوہرا عمل سوئچ طے کرتا ہے کہ بھاپ سلنڈر کے نچلے حصے میں جائے یا نہیں۔ بند کرنے پر پسٹن کا نچلا حصہ ہمیشہ کنڈینسر سے جڑا رہتا ہے، جیسا واٹ کے پہلے پمپنگ انجنوں میں تھا۔ ہر دوہرے اسٹروک کا کام آدھا ہو جاتا ہے، اور پورے تھروٹل پر ماڈل 42 کے بجائے 20 ہارس پاور دیتا ہے۔ 30 ہارس پاور کے ڈیزائن بوجھ پر اکہرے عمل والا انجن سست ہو کر رک جاتا ہے۔ 15 ہارس پاور پر یہ تقریباً 38 rpm پر ٹکتا ہے، تھروٹل 84% کھلا۔

اسٹیج پر بھی فرق دکھتا ہے۔ اکہرے عمل کی سیٹنگ پر سلنڈر کا نچلا حصہ ہر وقت ہلکا نیلا رہتا ہے، اور گراف پر p-V نقطہ ہر چکر کا آدھا وقت کنڈینسر کی لکیر پر گزارتا ہے۔

تاریخ کے انجن

«تاریخ کے انجن» میں 76 انجن ہیں، 1698 کے سیوری پمپ سے آج کے کوئلے کے بجلی گھر تک۔ نام، سال یا مقام سے تلاش اور ملک و استعمال سے چھانٹی کریں: کان اور پانی کے پمپ، کارخانے اور ملیں، ریل اور سڑک کی گاڑیاں، جہاز، بجلی، ماڈل اور پیٹنٹ۔ انتخاب سے نیچے دی گئی چھ قسموں میں سے متعلقہ انجن اسٹیج پر آتا ہے اور واٹ ماڈل کی چار ترتیبات بدلتی ہیں: اخراج کی منزل (سلنڈر میں پانی، الگ کنڈینسر یا کھلی ہوا)، اکہرا یا دوہرا عمل، کٹ آف اور بوائلر دباؤ۔ یہ قسم کی نمائندگی ہیں، اس مخصوص مشین کی پیمائش نہیں۔

مینو کے نیچے کے نوٹ بتاتے ہیں کہ عجائب گھر اور ادارے ہر انجن کے بارے میں کیا کہتے ہیں۔ کچھ میں طاقت کا عدد ہے، اور وہ اصل انجن کے اعداد کے طور پر دکھائے جاتے ہیں: 1843 میں ایس ایس گریٹ برٹین کے انجن کے لیے 1,000 ہارس پاور، 1876 کی سینٹینیئل نمائش میں مشینری ہال چلانے والے کورلس انجن کے لیے 1,400 ہارس پاور، اور 1903 کے برنلی مل انجن کے لیے 700 ہارس پاور۔ آخری انتخاب پسٹن انجن ہے ہی نہیں۔ 2024 میں امریکا کے کوئلہ بجلی گھروں نے ہر کلوواٹ گھنٹہ بنانے میں اوسطاً 10,777 Btu ایندھن لگایا، اور چونکہ ایک کلوواٹ گھنٹہ 3,412 Btu ہے، یہ 31.7% استعداد ہوئی۔ وہ آج بھی پانی ابالتے، بھاپ پھیلاتے اور اسے پانی بناتے ہیں، مگر ٹربائنوں میں اور کہیں زیادہ دباؤ اور درجہ حرارت پر۔

لوکوموٹیو والے انتخاب دکھاتے ہیں کہ ریلوے بغیر کنڈینسر کے کیوں چل سکتی تھی۔ راکٹ جیسی سیٹنگ اخراج کو 1.01 bar کی ہوا میں چھوڑ دیتی ہے، جو واٹ کے دباؤ پر تقریباً کچھ نہیں بچنے دیتی۔ 4.4 bar پر اتنا دباؤ ہوتا ہے کہ فضا کے مقابل دھکیل کر بھی کام کیا جا سکے، بدلے میں فی ہارس پاور زیادہ کوئلہ لگتا ہے۔

ایک اسٹیج پر چھ انجن

اسٹیج کے نیچے بٹن واٹ کی جگہ پانچ دوسرے انجن دکھاتے ہیں۔ ہر انجن حرکت کرتا ہے اور دباؤ، کارکردگی، کوئلہ اور رفتار کی قرأت بدلتی ہے۔ عدد کے بعد «ماخذ» میوزیم یا تاریخی مشین کے صفحے سے ملاتا ہے؛ «ماڈل» اس قسم کے لیے اسی صفحے کے ماڈل کا حساب ہے۔

نیوکومن، 1712۔ اوپر کھلا سلنڈر بھوسے کے ڈھیر جیسے بوائلر پر ہے۔ تقریباً فضائی دباؤ کی بھاپ پسٹن کے نیچے بھرتی ہے؛ دیوار کے حوض کا ٹھنڈا پانی اسے پانی بناتا ہے اور اوپر کی ہوا پسٹن نیچے دباتی ہے۔ بیم کے قوس دار سروں کی زنجیریں پسٹن اور پمپ راڈ کو سیدھا چلاتی ہیں۔ یونیورسٹی آف ہیوسٹن کے جان لینہارڈ کے مطابق پہلے نیوکومن انجن تقریباً ایک فیصد کے تہائی مؤثر تھے: 29 MJ والا 1 kg کوئلہ تقریباً 0.1 MJ کام کرتا تھا۔ سائنس میوزیم کا ویک فیلڈ کے پاس اولڈ سارہ 1917 میں بھی 330 ft سے تقریباً 5 اسٹروک فی منٹ پانی اٹھاتا تھا۔

واٹ، 1785۔ اسی انجن کے بارے میں باقی صفحہ ہے۔ الگ کنڈینسر اور 1.45 bar پر ماڈل کی کارکردگی 2.8% اور فی ہارس پاور گھنٹہ کوئلہ 3.3 kg ہے۔

ٹریوتھک، 1805۔ سائنس میوزیم کا Hazledine and Co. انجن فضائی دباؤ سے تقریباً 50 psi اوپر (4.46 bar مطلق) پر 3 hp دیتا تھا۔ سلنڈر بوائلر میں ہے تاکہ بھاپ گرم پہنچے، اخراج چمنی سے ہے؛ کنڈینسر اور بیم نہیں۔ ماڈل 2.3% دیتا ہے: زیادہ دباؤ کھلی ہوا میں بھاپ پھینکنے کے بیشتر نقصان کی تلافی کرتا ہے، بہت چھوٹے انجن میں۔

راکٹ، 1829۔ سائنس میوزیم گروپ کے مطابق اسٹیفنسن کے لوکوموٹیو نے کثیر نلی بوائلر اور بلاسٹ پائپ ملائے۔ دو ترچھے سلنڈروں کا اخراج چمنی میں پھٹ کر آگ کی گیسیں نلیوں میں کھینچتا ہے؛ زیادہ کام سے آگ زیادہ جلتی ہے۔ اسی زیادہ دباؤ اور بغیر کنڈینسر ماڈل 2.2% دیتا ہے۔

تہرا پھیلاؤ، 1894۔ بھاپ بڑھتے سائز کے تین سلنڈروں میں گزرتی ہے؛ ہر سلنڈر پہلے میں پھیلی بھاپ استعمال کرتا ہے۔ بوسٹن کے چیسٹنٹ ہل کا ASME تاریخی لیوٹ پمپنگ انجن آزمائش میں 175.7 psi (13.1 bar مطلق) اور 50.6 rpm پر، فی ہارس پاور گھنٹہ 1.146 lb کوئلہ جلاتا تھا۔ یہ 0.52 kg ہے؛ 29 MJ فی kg پر کارکردگی 17.8%، واٹ ماڈل سے چھ گنا۔ ASME کتابچہ بھاپ کے لحاظ سے صرف انجن کی کارکردگی 20.8% دیتا ہے۔ دوسری عالمی جنگ کے لبرٹی جہاز، مثلاً ایس ایس جیرمیا اوبرائن، اب بھی 2,500 hp تہرے پھیلاؤ کے انجن استعمال کرتے تھے۔

پارسنز ٹربائن، 1884۔ پسٹن نہیں۔ ماڈل میں بھاپ خول کے بیچ سے داخل ہوکر روٹر کے چلتے اور خول کے ساکن پروں میں پھیلتی اور شافٹ براہ راست گھماتی ہے۔ سائنس میوزیم گروپ پہلی ٹربائن کی رفتار 18,000 rpm بتاتا ہے، جو ڈائنمو کے لیے موزوں ہے، مگر کارکردگی نہیں؛ قرأت یہی کہتی ہے۔ 1892 تک کیمبرج کی کنڈینسر والی تین 100 kW پارسنز ٹربائنیں آزمائش میں اسی سائز کے بہترین پسٹن انجنوں جتنی مؤثر تھیں۔ تقابل میں آج کے کوئلے کے بجلی گھر کی 31.7% کارکردگی بھی دکھتی ہے۔

ایک کلوگرام کوئلہ، ہر انجن میں

کنٹرول کے نیچے دوڑ میں ہر انجن 1 kg کوئلہ جلا کر پانی 10 m اٹھاتا ہے۔ ایک کلوگرام 10 m اٹھانے میں 9.81 × 10 = 98.1 J لگتے ہیں۔ 1 kg کوئلے میں 29 MJ ہیں، اس لیے اٹھنے والا پانی 29,000,000 × کارکردگی ÷ 98.1 kg ہے۔

دو قطاریں کوئلے کے استعمال سے حساب کی گئی ہیں۔ 1846 کا پیل، ولیمز اور پیل بیم انجن فی ہارس پاور گھنٹہ تقریباً 6 lb، یعنی 2.72 kg اور 3.4% دیتا ہے۔ لیوٹ کے 1.146 lb، 0.52 kg اور 17.8% بنتے ہیں۔ کورنش انجن کی 11%، ASME کی 1835 میں کورنوال کے 80-inch انجن کی مجموعی قدر ہے۔ اسی کتابچے کے مطابق 1830 کی دہائی کے کورنش انجن فی ٹن کوئلے پر بہترین واٹ انجن سے چار تا پانچ گنا پانی اٹھاتے تھے۔ ASEE مقالہ لانگ بینٹن کے سمیٹن انجن کے 9.45 ملین فٹ پاؤنڈ فی بشل سے تقریباً 1.4% نکالتا ہے۔ پہلے نیوکومن سے آج کے بجلی گھر تک وہی کوئلہ 96 گنا پانی اٹھاتا ہے۔

ستون لوگارتھمی پیمانے پر ہیں، ہر قدم پچھلے سے دس گنا، کیونکہ سیدھے پیمانے پر نیوکومن کا ستون نظر نہ آنے جتنا چھوٹا ہوتا۔ نیچے چارٹ انہی نو انجنوں کو زمانی لکیر پر رکھتا ہے۔

چیلنج اور حفاظتی والو

سات چیلنج انجنوں کی الگ خاصیت آزماتے ہیں۔ تین واٹ ماڈل چاہتے ہیں: اسی کوئلے پر نیوکومن سے تین گنا کام، 60 hp بوجھ پر 40 rpm، اور پہلے کٹ آف و زیادہ دباؤ سے 4% سے زیادہ کارکردگی۔ 1.45 bar پر تقریباً 37 hp سے رفتار 38 rpm سے نیچے اور 50 hp تک بند ہوتی ہے؛ پہلے دباؤ 2.5 bar یا زیادہ کریں۔ چوتھا حفاظتی والو، بوائلر پر وزنی لیور، استعمال کرتا ہے۔ ماڈل کے گاڑی نما بوائلر کی 3.5 bar حد اس شکل کے کم دباؤ والے بوائلر کے لیے ہماری منتخب کردہ ہے۔ والو چالو ہو اور ترتیب حد سے بڑھے تو لیور اٹھ کر بھاپ نکالتا ہے، انجن 3.5 bar پر چلتا رہتا ہے۔ والو بند ہو تو قرأت خطرے سے خبردار کرتی ہے۔

دباؤ پیما اور دھواں

ماڈل کے دو ڈائل وہ دباؤ دکھاتے ہیں جن پر انجن چلانے والا نظر رکھتا تھا۔ سلنڈر کے ساتھ والے پائپ کا بھاپ کا دباؤ پیما تھروٹل کے بعد والو چیسٹ کو پڑھتا ہے، اس لیے گورنر تھروٹل بند کرے تو اس کی سوئی گرتی ہے۔ کنڈینسر کا خلا پیما واٹ کے کنڈینسر کے ساتھ 0.2 bar اور نیوکومن سیٹنگ پر 0.55 bar پڑھتا ہے۔ چمنی کا دھواں ماڈل کے جلائے کوئلے کے ساتھ چلتا ہے: بوجھ بڑھانے پر یا کوئی فضول خرچ سیٹنگ چننے پر یہ گاڑھا ہو جاتا ہے۔

دباؤ اور حجم کا لوپ پڑھنا

سرخ نقطے کے پیچھے گھڑی کی سمت میں چلیں۔ ہموار اوپری حصہ داخلہ ہے، جب سلنڈر کا اوپری حصہ بھاپ چیسٹ سے جڑا ہوتا ہے۔ اس سے نیچے گرتا خم کٹ آف کے بعد کا پھیلاؤ ہے، جہاں حجم بڑھنے کے ساتھ دباؤ گرتا ہے۔ اسٹروک کے 84% پر والو اوپری حصے کو اخراج سے جوڑتا ہے اور دباؤ کنڈینسر کی لکیر تک گر جاتا ہے۔ واپسی کے اسٹروک پر والو پسٹن کے اوپر پہنچنے سے پہلے اخراج بند کر دیتا ہے، اس لیے بچی ہوئی بھاپ کلیئرنس اسپیس میں دب جاتی ہے اور پسٹن کے لیے گدی کا کام کرتی ہے۔ لوپ کے اندر کا رقبہ ایک چکر میں پسٹن کی اس طرف کیا گیا کام ہے۔

بوجھ گھٹائیں اور لوپ کو سکڑتے دیکھیں۔ گورنر تھروٹل بند کرتا ہے، بھاپ چیسٹ کا دباؤ گرتا ہے، اور لوپ کا ہموار اوپری حصہ نیچے کھسک جاتا ہے۔ اسے تھروٹل گورننگ کہتے ہیں: انجن ہمیشہ اسی نقطے پر کٹ آف کرتا ہے، مگر پتلی بھاپ پر کام کرتا ہے۔

ماڈل اصل انجنوں سے کہاں مختلف ہے

1785 کا انجن بھاپ کو ڈراپ والو سے اندر لیتا ہے، سلائیڈ والو سے نہیں۔ ہم نے سلائیڈ والو اس لیے لیا کہ ایک ہی چلتا پرزہ والو کے سارے واقعات دکھا دیتا ہے۔ اصل کنیکٹنگ راڈ 5.5 m لمبی ہے، ماڈل کی 4 m سے زیادہ، اور وٹبریڈ انجن کا بیم بننے کے برسوں بعد ڈھلے لوہے کا کر دیا گیا تھا، جبکہ ہمارا شاہ بلوط کا ہے۔ بوائلر کا دباؤ ہمارا اپنا انتخاب ہے: 1.45 bar مطلق، تاکہ پائپ اور تھروٹل کے بعد والو چیسٹ فضائی دباؤ سے ذرا اوپر رہے، ASME کے تجویز کردہ فضا سے 3 psi اوپر کے قریب۔ فلائی وہیل بھی اصل سے ہلکا ہے، تاکہ بوجھ میں تبدیلی منٹوں کے بجائے سیکنڈوں میں ٹھہر جائے۔

کنڈینسر ماڈل سے لیپ انجن تک

واٹ نے اپنا کنڈینسر ماڈل 1765 میں بنایا اور 1769 میں پیٹنٹ پایا۔ میتھیو بولٹن کے ساتھ شراکت کے بعد 1776 میں یہ پیٹنٹ عمل میں آیا، ایک کان کے پمپنگ انجن اور ایک لوہے کے کارخانے کے بلوئنگ انجن میں۔ ASME کہتی ہے کہ وہ اس وقت کے عام ایندھن کا ایک تہائی جلاتے تھے۔ اس کے بعد گھومنے والی حرکت آئی: "ایک محور کے گرد دائروی حرکت" کے لیے واٹ کا پیٹنٹ، جس میں سن اینڈ پلینٹ گیئر شامل تھا، 25 اکتوبر 1781 کا ہے۔ دوہرا عمل اور پھیلاؤ والا کام مارچ 1782 میں آئے، اور پیرلل موشن اگست 1784 میں۔

سڈنی کا وٹبریڈ بریوری انجن 1785 میں لگایا گیا، شاید کمپنی کا بنایا چھٹا گھومنے والا انجن، اور 1887 تک 102 سال چلا۔ پاور ہاؤس میوزیم کے مطابق اس کی طاقت 10 سے 15 ہارس پاور کرنے کے لیے اس میں تبدیلیاں کی گئیں، اور اس کا گورنر 1790 کی دہائی میں لگایا گیا۔ 1788 کا لیپ انجن، جو اب لندن کے سائنس میوزیم میں ہے، بولٹن کی سوہو فیکٹری میں 70 سال تک پالش کرنے والے لیپ چلاتا رہا۔ ASME اسے مرکز گریز گورنر والا پہلا انجن لکھتی ہے۔ واٹ نے اسے 10 ہارس پاور کا جانچا تھا، اور 1858 کے ایک تجربے میں 13.75 ناپا گیا۔ مجموعی طور پر بولٹن اور واٹ نے تقریباً 500 انجن بنائے، جن میں سے قریب 60% گھومنے والے تھے۔