Uniflow steam engine
યુનિફ્લો પ્રકારનું વરાળ એન્જિન વરાળનો ઉપયોગ કરે છે જે સિલિન્ડરના દરેક ભાગમાં માત્ર એક જ દિશામાં વહે છે. નળાકારની સાથે તાપમાનનો ઢાળ રાખીને ઉષ્મીય કાર્યક્ષમતામાં વધારો થાય છે. વરાળ હંમેશા નળાકારના ગરમ છેડા પર પ્રવેશ કરે છે અને ઠંડા કેન્દ્રમાં બંદરોમાંથી બહાર નીકળે છે. આ રીતે, નળાકારની દિવાલોની સાપેક્ષ ગરમી અને ઠંડકમાં ઘટાડો થાય છે. ડિઝાઇન વિગતો વરાળની એન્ટ્રી સામાન્ય રીતે પોપપેટ વાલ્વ દ્વારા નિયંત્રિત થાય છે (જે આંતરિક કમ્બશન એન્જિનમાં ઉપયોગમાં લેવાતા સમાન કાર્ય કરે છે) જે કેમશાફ્ટ દ્વારા સંચાલિત થાય છે. જ્યારે સ્ટ્રોકની શરૂઆતમાં લઘુતમ વિસ્તરણ વોલ્યુમ સુધી પહોંચી જાય ત્યારે વરાળ લેવા માટે ઇનલેટ વાલ્વ ખુલે છે. ક્રેન્ક ચક્રના સમયગાળા માટે, વરાળ દાખલ કરવામાં આવે છે, અને પોપપેટ ઇનલેટ પછી બંધ કરવામાં આવે છે, જે સ્ટ્રોક દરમિયાન વરાળના સતત વિસ્તરણને મંજૂરી આપે છે, જે પિસ્ટનને ચલાવે છે. સ્ટ્રોકના અંતની નજીક, પિસ્ટન સિલિન્ડરના કેન્દ્રની આસપાસ ત્રિજ્યીય રીતે માઉન્ટ થયેલ એક્ઝોસ્ટ પોર્ટ્સની વીંટીને ઉઘાડે છે. આ બંદરો મેનીફોલ્ડ અને પાઇપિંગ દ્વારા કન્ડેન્સર સાથે જોડાયેલા હોય છે, જે વાતાવરણની નીચે ચેમ્બરમાં દબાણ ઘટાડે છે, જેના કારણે ઝડપથી થાક લાગે છે. ક્રેન્કનું સતત પરિભ્રમણ પિસ્ટનને ખસેડે છે. એનિમેશનમાંથી, યુનિફ્લો એન્જિનની વિશેષતાઓ જોઈ શકાય છે, જેમાં મોટા પિસ્ટન સાથે સિલિન્ડરની લંબાઈ લગભગ અડધી હોય છે, બંને છેડે પોપપેટ ઇનલેટ વાલ્વ હોય છે, કેમશાફ્ટ (જેની ગતિ ડ્રાઇવશાફ્ટમાંથી મેળવવામાં આવે છે) અને એક્ઝોસ્ટ પોર્ટ્સની કેન્દ્રિય રીંગ હોય છે. ફાયદા યુનિફ્લો એન્જિન સંભવિત રીતે એક્ઝોસ્ટ સ્ટ્રોક દરમિયાન કાર્યકારી સિલિન્ડરના ગરમ છેડા અને પરંપરાગત "કાઉન્ટરફ્લો" વરાળ એન્જિનના વરાળ બંદરોમાં વહેતી પ્રમાણમાં ઠંડી એક્ઝોસ્ટ વરાળ વિના એક સિલિન્ડરમાં વધુ વિસ્તરણની મંજૂરી આપે છે. આ સ્થિતિ ઉચ્ચ થર્મલ કાર્યક્ષમતાને મંજૂરી આપે છે. એક્ઝોસ્ટ બંદરો પિસ્ટન સ્ટ્રોકના માત્ર એક નાના ભાગ માટે ખુલ્લા હોય છે, જેમાં પિસ્ટન સિલિન્ડરના પ્રવેશ અંત તરફ મુસાફરી કરવાનું શરૂ કરે તે પછી જ એક્ઝોસ્ટ બંદરો બંધ થઈ જાય છે. એક્ઝોસ્ટ બંદરો બંધ થયા પછી સિલિન્ડરની અંદર બાકી રહેલી વરાળ ફસાઈ જાય છે, અને આ ફસાયેલી વરાળ પરત આવતા પિસ્ટન દ્વારા સંકુચિત થાય છે. આ થર્મોડાયનેમિકલી ઇચ્છનીય છે કારણ કે તે વરાળના પ્રવેશ પહેલા નળાકારના ગરમ છેડાને પહેલાથી ગરમ કરે છે. જો કે, અતિશય સંકોચનનું જોખમ ઘણીવાર સિલિન્ડર હેડ પર નાના સહાયક એક્ઝોસ્ટ પોર્ટમાં પરિણમે છે. આવી ડિઝાઇનને અર્ધ-યુનિફ્લો એન્જિન કહેવામાં આવે છે આ પ્રકારના એન્જિનમાં સામાન્ય રીતે ઇન-લાઇન ગોઠવણીમાં બહુવિધ સિલિન્ડર હોય છે, અને તે સિંગલ અથવા ડબલ-એક્ટિંગ હોઈ શકે છે. આ પ્રકારનો એક ખાસ ફાયદો એ છે કે વાલ્વ બહુવિધ કેમશાફ્ટની અસર દ્વારા સંચાલિત થઈ શકે છે, અને આ કેમશાફ્ટના સંબંધિત તબક્કાને બદલીને, ઓછી ઝડપે ઉચ્ચ ટોર્ક માટે દાખલ કરવામાં આવતી વરાળની માત્રામાં વધારો કરી શકાય છે, અને કામગીરીના અર્થતંત્ર માટે ફરતી ઝડપે ઘટાડી શકાય છે. વૈકલ્પિક રીતે, વધુ જટિલ કેએમ સપાટીનો ઉપયોગ કરતી ડિઝાઇન તેના અનુયાયીની તુલનામાં સમગ્ર કેમ્શાફ્ટને સમાંતર રીતે ખસેડીને સમય બદલવાની મંજૂરી આપે છે, જેનાથી પ્રવેશનો સમય વૈવિધ્યસભર બની શકે છે. (કેમશાફ્ટને યાંત્રિક અથવા હાઇડ્રોલિક ઉપકરણો દ્વારા ખસેડી શકાય છે.) અને, સંપૂર્ણ તબક્કાને બદલીને, એન્જિનની પરિભ્રમણની દિશા બદલી શકાય છે. યુનિફ્લો ડિઝાઇન સિલિન્ડર દ્વારા સતત તાપમાનનો ઢાળ પણ જાળવી રાખે છે, સિલિન્ડરના સમાન છેડેથી ગરમ અને ઠંડી વરાળ પસાર કરવાનું ટાળે છે. ગેરફાયદા વ્યવહારમાં, યુનિફ્લો એન્જિનમાં સંખ્યાબંધ ઓપરેશનલ ખામીઓ છે. મોટા વિસ્તરણ ગુણોત્તર માટે મોટા સિલિન્ડર વોલ્યુમની જરૂર પડે છે. એન્જિનમાંથી મહત્તમ સંભવિત કાર્ય મેળવવા માટે ઉચ્ચ પારસ્પરિક દર જરૂરી છે, જે સામાન્ય રીતે ડબલ-એક્ટિંગ કાઉન્ટરફ્લો પ્રકારનાં એન્જિન કરતાં 80 ટકા વધુ ઝડપી હોય છે. આના કારણે ઇનલેટ વાલ્વ ખોલવાનો સમય ખૂબ જ ટૂંકો હોય છે, જે નાજુક યાંત્રિક ભાગ પર ભારે તાણ મૂકે છે. પ્રચંડ યાંત્રિક બળોનો સામનો કરવા માટે, એન્જિનને ભારે બાંધવું પડે છે અને ટોર્કમાં ફેરફારોને સરળ બનાવવા માટે મોટા ફ્લાયવ્હીલની જરૂર પડે છે કારણ કે વરાળનું દબાણ ઝડપથી વધે છે અને સિલિન્ડરમાં પડે છે. કારણ કે સિલિન્ડરની આજુબાજુ થર્મલ ઢાળ હોય છે, દિવાલની ધાતુ વિવિધ હદ સુધી વિસ્તરે છે. આના માટે સિલિન્ડર બોરને ગરમ છેડા કરતાં ઠંડા કેન્દ્રમાં પહોળો બનાવવાની જરૂર પડે છે. જો નળાકારને યોગ્ય રીતે ગરમ કરવામાં ન આવે, અથવા જો પાણી તેમાં પ્રવેશે, તો નાજુક સંતુલન ખલેલ પહોંચાડી શકે છે, જેના કારણે આંચકાની વચ્ચે જપ્તી થઈ શકે છે અથવા સંભવિત રીતે વિનાશ થઈ શકે છે. યુનિફ્લો એન્જિનનો સૌપ્રથમ ઉપયોગ બ્રિટનમાં 1827 માં જેકબ પર્કિન્સ દ્વારા કરવામાં આવ્યો હતો અને 1885 માં લિયોનાર્ડ જેનેટ ટોડ દ્વારા પેટન્ટ કરવામાં આવ્યો હતો. તેને જર્મન ઇજનેર જોહાન સ્ટમ્પફ દ્વારા 1909માં લોકપ્રિય બનાવવામાં આવ્યું હતું, જેમાં એક વર્ષ અગાઉ 1908માં પ્રથમ વ્યાવસાયિક સ્થિર એન્જિનનું ઉત્પાદન કરવામાં આવ્યું હતું. યુનિફ્લો સિદ્ધાંતનો ઉપયોગ મુખ્યત્વે ઔદ્યોગિક વીજ ઉત્પાદન માટે થતો હતો, પરંતુ ઇંગ્લેન્ડમાં કેટલાક રેલ્વે એન્જિનમોટિવ્સમાં પણ તેનો પ્રયાસ કરવામાં આવ્યો હતો, જેમ કે 1913ના નોર્થ ઇસ્ટર્ન રેલ્વે યુનિફ્લો એન્જિનમોટિવ્સ No.825 અને 1918ના No.2212 અને મિડલેન્ડ રેલ્વે પેજેટ એન્જિનમોટિવ. ફ્રાન્સ, જર્મની, અમેરિકા અને રશિયામાં પણ પ્રયોગો કરવામાં આવ્યા હતા. કોઈ પણ કિસ્સામાં પરિણામો વધુ વિકાસ હાથ ધરવા માટે પૂરતા પ્રોત્સાહક ન હતા. યુનિફ્લો એન્જિનનો પ્રથમ મોટા પાયે ઉપયોગ 1918માં એટકિન્સન વરાળ વેગનમાં થયો હતો. આવી માત્ર એક વરાળ વેગન હજુ પણ અસ્તિત્વમાં હોવાનું જાણીતું છે; તે 1918 માં બનાવવામાં આવ્યું હતું, તેનું કાર્યકારી જીવન અને ઓસ્ટ્રેલિયામાં અવગણનાનો સમયગાળો પસાર કર્યો હતો, અને પછી તેને ઇંગ્લેન્ડ પરત મોકલવામાં આવ્યો હતો અને ટોમ વર્લી દ્વારા 1976-77 માં પુનઃસ્થાપિત કરવામાં આવ્યો હતો. સ્કિનર અનફ્લો યુનાઇટેડ સ્ટેટ્સમાં 1930 અને 1940ના દાયકાના અંતમાં સ્કિનર એન્જિન કંપની દ્વારા કમ્પાઉન્ડ અનફ્લો મરીન સ્ટીમ એન્જિનના વિકાસ સાથે યુનિફ્લો એન્જિનનું અંતિમ વ્યાવસાયિક ઉત્ક્રાંતિ થયું હતું. આ એન્જિન સ્ટીપલ સંયોજન રૂપરેખાંકનમાં કામ કરે છે અને સમકાલીન ડીઝલ સુધી પહોંચવાની કાર્યક્ષમતા પ્રદાન કરે છે. ગ્રેટ લેક્સ પર ઘણી કાર ફેરી એટલી સજ્જ હતી, જેમાંથી એક હજુ પણ કાર્યરત છે, 1952. ઇતિહાસમાં સૌથી વધુ ફળદ્રુપ એરક્રાફ્ટ કેરિયર ડિઝાઇનમાં બે 5-સિલિન્ડર સ્કિનર યુનાફ્લો એન્જિનનો ઉપયોગ કરવામાં આવ્યો હતો, પરંતુ આ સ્ટીપલ સંયોજનો ન હતા. ગ્રેટ લેક્સ સિમેન્ટ વાહકમાં બિન-સંયોજન સ્કિનર યુનિફ્લો 2013 સુધી સેવામાં રહ્યું હતું, જે 1950માં જહાજને ફરીથી સંચાલિત કરવામાં આવ્યું ત્યારે સ્થાપિત કરવામાં આવ્યું હતું. નાના કદમાં (આશરે કરતાં ઓછા), પારસ્પરિક વરાળ એન્જિન વરાળ ટર્બાઇન કરતાં વધુ કાર્યક્ષમ હોય છે. વ્હાઇટ ક્લિફ્સ સોલર પાવર સ્ટેશને આશરે 25 કેડબલ્યુ વિદ્યુત ઉત્પાદન પેદા કરવા માટે "બેશ"-પ્રકારના પ્રવેશ વાલ્વ સાથે ત્રણ સિલિન્ડર યુનિફ્લો એન્જિનનો ઉપયોગ કર્યો હતો. બે-સ્ટ્રોક એન્જિનના ઘરેલું રૂપાંતરણો સિંગલ-એક્ટિંગ યુનિફ્લો વરાળ એન્જિનનું રૂપરેખાંકન બે-સ્ટ્રોક આંતરિક કમ્બશન એન્જિન જેવું જ છે, અને સ્પાર્ક પ્લગની જગ્યાએ ફીટ કરેલા "બેશ વાલ્વ" દ્વારા સિલિન્ડરને વરાળ આપીને બે-સ્ટ્રોક એન્જિનને યુનિફ્લો વરાળ એન્જિનમાં રૂપાંતરિત કરવું શક્ય છે. જેમ જેમ રાઇઝિંગ પિસ્ટન તેના સ્ટ્રોકની ટોચની નજીક આવે છે, તે વરાળની નાડી દાખલ કરવા માટે બૅશ વાલ્વને ખોલે છે. જેમ જેમ પિસ્ટન નીચે આવે છે તેમ તેમ વાલ્વ આપમેળે બંધ થાય છે, અને હાલના સિલિન્ડર પોર્ટિંગ દ્વારા વરાળ ખતમ થઈ જાય છે. ફ્લાયવ્હીલની જડતા પછી પિસ્ટનને સંકોચન સામે તેના સ્ટ્રોકની ટોચ પર લઈ જાય છે, જેમ તે એન્જિનના મૂળ સ્વરૂપમાં કરે છે. મૂળની જેમ, રૂપાંતરણ સ્વયં-શરૂ થતું નથી અને શરૂ કરવા માટે બાહ્ય શક્તિ સ્રોત દ્વારા તેને ચાલુ કરવું આવશ્યક છે. આવા રૂપાંતરણનું ઉદાહરણ વરાળ સંચાલિત મોપેડ છે, જે પેડલિંગ દ્વારા શરૂ થાય છે. ધ ઇંગ્લિશ યુનિવર્સિટીઝ પ્રેસ લિમિટેડ, લંડન, 1960 દ્વારા પ્રકાશિત ઇ. ડી વિલે દ્વારા જાતે ઉષ્મા એન્જિન શીખવો, પૃષ્ઠ 40-41 બાહ્ય કડીઓ ધ મ્યુઝિયમ ઓફ રેટ્રો ટેકનોલોજી-યુનિફ્લો સ્ટીમ એન્જિન પિસ્ટન એન્જિન ટેકનોલોજી સ્ટીમ એન્જિનનો ઇતિહાસ