Sanayi Devrimi’nin Yapı Taşları: İlk Atmosferik Buhar Motoru

James Watt, buhar motorunu madenlerde ortaya çıkan suyun dışarı pompalanması için etkili bir yöntem ararken geliştirdi. İlk yazımızda Arşimet, 12. yüzyılda yaşayan el-Cezeri ve 16. yüzyılda yaşayan Takiyüddin’in suyun yukarı taşınması için geliştirdikleri düzenekleri anlatmıştık.

Makara sistemini gösteren bir çizim

James Watt kendi buhar motorunu, atmosferik buhar motorunun mucidi Thomas Newcomen’in tasarımını geliştirerek ve verimliliğini artırarak geliştirdi.

Buhar makinesinden önce madenlerde açığa çıkan su atlar tarafından hareket ettirilen bir makara sistemindeki kovalar aracılığıyla çıkarılıyordu. Daha sonraları buharla çalışan sistemler kullanılmaya başlandı.

İngiliz mühendis Thomas Savery, 1698’de, icat ettiği buhar motorunun patentini almıştı. Savery’nin buhar motorunda su ısıtılarak buharlaştırılıyordu. Buharın bulunduğu tank soğutulduğunda içinde oluşan vakum madende açığa çıkan buharın yukarı çekilmesinde kullanılıyordu. Ancak bu buhar motoru tasarımı suyu çok yükseğe çıkaramıyordu. Bu nedenle derin madenlerde kullanılamıyordu.

İngiliz demirci Thomas Newcomen, yaşadığı yerin yakınlarındaki kalay madenlerinde suyu dışarı çıkarmak için kullanılan atların yüksek maliyetinden haberdardı. Newcomen bu soruna çözüm bulmak için yardımcısı ile on yıldan uzun bir süre boyunca buhar motoru üzerine çalışmalar yaptı. Ancak makine mühendisliği eğitimi almamışlardı. Bu nedenle dönemin ünlü bilim insanı Robert Hooke ile mektuplaşarak fikir alışverişi yaptılar. Yaklaşık on yıllık çalışmanın sonunda, 1698’de, pistonun çevresi deri bir kapakla sızdırmaz hâle getirilmiş, yaklaşık 18 cm çapında pirinç bir silindir yapmayı başardılar.

Newcomen’in atmosferik motorunun bir çizimi

Newcomen’in motorunda bir ucu buhar pistonu ve silindir sistemine, diğer ucu madendeki suyu yukarı çeken pompaya bağlı olan ahşap bir kalas bulunuyordu. Kalasın pompaya bağlı ucu silindir sistemine bağlı ucundan daha ağırdı. Bu nedenle sistem çalışmadığı zaman pompaya bağlı taraf aşağıda duruyordu. İlk olarak silindirin içi atmosfer basıncındaki buharla dolduruluyor ve daha sonra sisteme su püskürtülüp buharın soğuyarak yoğunlaşması sağlanıyordu. Bu durumda silindirin içinde oluşan vakum pistonu aşağı çekerken tahta kalasın diğer ucu yukarı kalkıyor, böylece madendeki su yukarı doğru çıkarak pompa odasına doluyordu. Daha sonra buhar silindirinin altındaki kapakçık açılarak silindirin içinin atmosfer basıncına dönmesini sağlıyordu. Bu sırada tahta kalasın diğer ucu daha ağır olduğu için yerçekiminin de etkisi ile aşağı iniyordu, böylece pompa odasındaki su tahliye ediliyordu.

Newcomen’in motorunda buhar atmosfer ile aynı basınçtaydı, bu nedenle Newcomen’in motoruna “atmosferik” motor denilmişti. Newcomen motoru ilk defa 1712'de Staffordshire'daki Dudley Şatosu yakınında kuruldu.

Newcomen’in atmosferik buhar motorunun icadından sonra geçen 60 yılda Newcomen'in tasarımından farklı olmayan birçok atmosferik motor üretildi.

John Smeaton - The Royal Society

İngiliz mühendis John Smeaton, Newcomen’in atmosferik buhar motorunun verimini artırmak için İngiltere’de kullanılan çok sayıda atmosferik buhar motoru tasarımını ayrıntılı olarak inceledi. Araştırmaları sonucunda farklı büyüklükteki atmosferik motorlar için en uygun oranları belirledi. Ayrıca motor parçalarının, özellikle pistonun ve silindirin, çalışma mekanizmasını geliştirerek motorlarının performansını iki katına çıkarmayı başardı.

1760'lı yıllarda mühendisler, derin madenlerden suyla birlikte kömürü de çıkarmak için buhar motorlarını kullanmaya başladı. Aynı dönemde James Watt da buharlı motorlarla ilgileniyordu.

Kaynaklar:

• https://www.egr.msu.edu/~lira/supp/steam/
• https://www.britannica.com/biography/James-Watt
• https://www.britannica.com/biography/Thomas-Newcomen
• https://www.gracesguide.co.uk/John_Smeaton
• https://prints.royalsociety.org/products/portrait-of-john-smeaton-1724-1792-rs-9720
• https://www.thoughtco.com/thomas-newcomen-profile-1992201