तप्त वायु इंजन

तप्त वायु इंजन (ऐतिहासिक रूप से वायु इंजन या कैलोरी सिद्धांत इंजन कहा जाता है। ) कोई भी ऊष्मा इंजन है जो तापीय ऊर्जा को यांत्रिक कार्योंमें परिवर्तित करने के लिए तापमान परिवर्तन के प्रभाव में वायु के विस्तार और संकुचन का उपयोग करता है। ये इंजन सर जॉर्ज केली और जॉन एरिक्सन और रॉबर्ट स्टर्लिंग के बंद चक्र इंजन जैसे दोनों खुले चक्र उपकरणों को सम्मिलित करने वाले कई तापगतिकीय चक्रों पर आधारित हो सकते हैं। तप्त वायु के इंजन उत्तम ज्ञात आंतरिक दहन आधारित इंजन और भाप इंजन से अलग हैं।

विशिष्ट कार्यान्वयन में, सिलेंडर (इंजन) में वायु को बार-बार तप्त और ठंडा किया जाता है और परिणामी विस्तार और संकुचन का उपयोग पिस्टन को स्थानांतरित करने और उपयोगी यांत्रिक कार्य करने के लिए किया जाता है।

परिभाषा
तप्त वायु का इंजन शब्द विशेष रूप से तापगतिकीय चक्र का प्रदर्शन करने वाले किसी भी इंजन को बाहर करता है जिसमें कार्यशील तरल पदार्थ चरण संक्रमण से निकलता है, जैसे कि रैंकिन चक्र। पारंपरिक आंतरिक दहन इंजनों को भी बाहर रखा गया है, जिसमें काम कर रहे सिलेंडर के अन्दर ईंधन के दहन से काम कर रहे तरल पदार्थ में तप्ती को जोड़ा जाता है। निरंतर दहन प्रकार, जैसे कि जॉर्ज ब्रेटन की रेडी मोटर और संबंधित गैस टर्बाइन, को सीमावर्ती स्थितियों के रूप में देखा जा सकता है।

इतिहास
तप्त वायु की विस्तृत संपत्ति पूर्वजों के लिए जानी जाती थी। अलेक्जेंड्रिया के हीरो ऑफ न्यूमेटिका ने उन उपकरणों का वर्णन किया है जिनका उपयोग बलिदान की वेदी पर आग जलाए जाने पर मंदिर के दरवाजे स्वचालित रूप से खोलने के लिए किया जा सकता है। तप्त वायु के इंजन, या बस वायु के इंजन कहे जाने वाले उपकरणों को 1699 के प्रारंभ से ही रिकॉर्ड किया गया है। 1699 में, गुइलौमे एमोंटोंस (1663-1705) ने पेरिस में रॉयल एकेडमी ऑफ साइंसेज को अपने आविष्कार पर रिपोर्ट प्रस्तुत की: पहिया जो तप्ती से चालू करने के लिए बनाया गया था। पहिया लंबवत रूप से लगाया गया था। पहिए के केंद्र के चारों ओर पानी से भरे कक्ष थे। पहिए के रिम पर वायु से भरे कक्ष पहिए के तरफ के नीचे आग से तप्त हो गये थे। तप्त वायु का विस्तार हुआ और, नलियों के माध्यम से, पानी को कक्ष से दूसरे कक्ष में जाने के लिए विवश किया, जिससे पहिया असंतुलित हो गया और यह मुड़ गया था।

देखना: यह संभावना है कि 1818 का रॉबर्ट स्टर्लिंग का वायु इंजन, जिसमें उनका अभिनव इकोनोमाइज़र (1816 में पेटेंट किया गया) सम्मिलित था, पहला वायुई इंजन था जिसे व्यावहारिक कार्य के लिए रखा गया था। इकोनोमाइज़र, जिसे अब स्टर्लिंग इंजन पुनर्जननकर्ता के रूप में जाना जाता है, इंजन के तप्त हिस्से से तप्ती को संग्रहीत करता है क्योंकि वायु ठंडी तरफ जाती है, और ठंडी वायु में तप्ती छोड़ती है क्योंकि यह तप्त तरफ लौटती है। इस नवाचार ने स्टर्लिंग के इंजन की दक्षता में सुधार किया और इसे किसी भी वायु इंजन में उपस्थित होना चाहिए जिसे ठीक से स्टर्लिंग इंजन कहा जाता है।
 * एमोंटोंस (20 जून 1699) मोयेन डे सबस्टिटुएर कॉमोडमेंट ल'एक्शन डु फेउ, ए ला फ़ोर्स डेस होम्स एट डेस चेवाक्स पोर मूवोइर लेस मशीन (आग की क्रिया को स्थानांतरित करने के लिए पुरुषों और घोड़ों के बल के लिए सुविधाजनक रूप से प्रतिस्थापन का अर्थ [अर्थात्, शक्ति] मशीनें), मेमोइरेस डे ल'एकेडेमी रोयाले डेस साइंसेज, पृष्ठ 112-126। संस्मरण हिस्टॉयर डी ल'एकेडेमी रोयाले डेस साइंसेज, एनी 1699 में दिखाई देते हैं, जो 1732 में प्रकाशित हुआ था। एमोंटोंस मौलिन ए फू (फायर मिल) के संचालन को पृष्ठ 123-126 पर समझाया गया है; उनकी मशीन पृष्ठ 126 के बाद की प्लेट पर चित्रित की गई है।
 * अंग्रेजी में एमोंटोंस के आग से चलने वाले पहिये के विवरण के लिए देखें: रॉबर्ट स्टुअर्ट, ऐतिहासिक और वर्णनात्मक उपाख्यान स्टीम-इंजन और उनके आविष्कारक और सुधारक (लंदन, इंग्लैंड: वाइटमैन और क्रैम्प, 1829), वॉल्यूम। 1, पेज 130-132; मशीन के उदाहरण पर दिखाई देता है उस समय के आसपास जब गैस कानून पहली बार निर्धारित किए गए थे, और प्रारंभिकी पेटेंट में हेनरी वुड (इंजीनियर), कोलब्रुकडेल श्रॉपशायर के पास हाई एर्कल के विकर (1759 का अंग्रेजी पेटेंट 739) और थॉमस मीड (इंजीनियर), स्कुलकोट्स यॉर्कशायर के इंजीनियर सम्मिलित हैं। (1791 का अंग्रेजी पेटेंट 979), उत्तरार्द्ध में विशेष रूप से विस्थापक प्रकार के इंजन के आवश्यक तत्व होते हैं (मीड ने इसे ट्रांसफरर कहा है)। यह संभावना नहीं है कि इनमें से किसी पेटेंट के परिणामस्वरूप वास्तविक इंजन बना और सबसे पहला व्यावहारिक उदाहरण संभवतः अंग्रेजी आविष्कारक जॉर्ज केली का c. 1807 खुला चक्र औद्योगिक भट्टी गैस इंजन था।

स्टर्लिंग ने 1827 में अपने भाई जेम्स के साथ मिलकर दूसरे तप्त वायु के इंजन का पेटेंट कराया। उन्होंने डिजाइन को व्युत्क्रम कर दिया जिससे विस्थापितों के तप्त सिरे मशीनरी के नीचे हों और उन्होंने संपीड़ित वायु पंप जोड़ा जिससे अन्दर की वायु को लगभग 20 वायुमंडल दबाव तक बढ़ाया जा सके। चेम्बर्स द्वारा यह कहा गया है कि यांत्रिक दोषों के कारण असफल रहा है और "ऊष्मा का अप्रत्याशित संचय, पुनर्जननकर्ता के ठंडे हिस्से में छलनी या छोटे मार्ग से पूरी तरह से निकाला नहीं गया है, जिसकी बाहरी सतह फेंकने के लिए पर्याप्त बड़ी नहीं थी। जब इंजन अत्यधिक संपीड़ित वायु के साथ काम कर रहा था, तो बिना गरम किए हुए ताप को बंद कर दिया।

पार्किंसंस और क्रॉसली, अंग्रेजी पेटेंट, 1828 अपने स्वयं के तप्त वायु इंजन के साथ आया। इस इंजन में एयर-चैंबर आंशिक रूप से ठंडे पानी में डूबने से बाहरी ठंड के संपर्क में आ जाता है और इसके ऊपरी हिस्से को भाप से तप्त किया जाता है। आंतरिक पोत इस कक्ष में ऊपर और नीचे चलता है, और ऐसा करने से वायु को विस्थापित करता है, बारी-बारी से ठंडे पानी और तप्त भाप के तप्त और ठंडे प्रभावों को उजागर करता है, जिससे इसका तापमान और विस्तार की स्थिति बदल जाती है। उतार-चढ़ाव सिलेंडर में पिस्टन के पारस्परिक संबंध का कारण बनता है, जिसके सिरों पर वायु-कक्ष वैकल्पिक रूप से जुड़ा होता है।

1829 में अर्नॉट ने अपने एयर एक्सपेंशन मशीन का पेटेंट कराया, जहां बंद सिलेंडर के तल के पास जाली पर आग लगाई जाती है, और सिलेंडर ताजी वायु से भरा होता है जिसे हाल ही में स्वीकार किया गया है। ढीले पिस्टन को ऊपर की ओर खींचा जाता है जिससे ऊपर के सिलेंडर में सभी वायु को आग के माध्यम से ट्यूब से निकलने के लिए बनाया जाए, और विस्तार या मात्रा में वृद्धि के लिए बढ़ी हुई लोच प्राप्त होगी, जो आग इसे देने में सक्षम है।.

अगले वर्ष (1830) में कैप्टन एरिक्सन ने उनका अनुसरण किया जिन्होंने अपने दूसरे तप्त वायु का इंजन का पेटेंट कराया। विनिर्देश इसे और अधिक विशेष रूप से वर्णित करता है, जैसे कि "परिपत्र कक्ष, जिसमें शंकु पत्तियों या पंखों के माध्यम से शाफ्ट या अक्ष पर घूमने के लिए बनाया जाता है, बारी-बारी से भाप के दबाव के संपर्क में आता है; इन पंखों या पत्तियों को स्लिट्स या गोलाकार विमान के उद्घाटन के माध्यम से काम करने के लिए बनाया जा रहा है, जो तिरछे घूमता है, और इस प्रकार शंकु के किनारे के संपर्क में रहता है।

एरिक्सन ने 1833 में अपना तीसरा तप्त वायु का इंजन (कैलोरी इंजन) बनाया, जिसने कुछ साल पहले इंग्लैंड में इतनी रूचिी उत्पन्न की थी; और जो, अगर इसे व्यावहारिक संचालन में लाया जाना चाहिए, तो मानव मन द्वारा कल्पना की गई अब तक की सबसे महत्वपूर्ण यांत्रिक आविष्कार सिद्ध होगी, और जो सभ्य जीवन पर इससे पहले की तुलना में अधिक लाभ प्रदान करेगी। इसके उद्देश्य के लिए तप्ती की एजेंसी द्वारा यांत्रिक शक्ति का उत्पादन होता है, ईंधन के इतने कम खर्च पर, कि मनुष्य के पास लगभग असीमित यांत्रिक शक्ति होगी, उन क्षेत्रों में जहां ईंधन अब कठिन से उपस्थित है.

1838 फ़्रैंचॉट तप्त वायु का इंजन का पेटेंट देखता है, निश्चित रूप से तप्त वायु का इंजन जो कि कार्नोट आवश्यकताओं का सबसे अच्छा पालन कर रहा था।

अब तक ये सभी वायुई इंजन असफल रहे हैं, किन्तु विधि परिपक्व हो रही थी। 1842 में, रॉबर्ट के भाई जेम्स स्टर्लिंग ने प्रसिद्ध डंडी स्टर्लिंग इंजन का निर्माण किया। यह कम से कम 2-3 साल तक चला किन्तु फिर अनुचित तकनीकी बाधाओं के कारण इसे बंद कर दिया गया।

तप्त वायु के इंजन परीक्षणों और त्रुटियों की कहानी है, और तप्त वायु के इंजनों को औद्योगिक पैमाने पर उपयोग करने में और 20 साल लग गए। पहले विश्वसनीय तप्त वायु के इंजन शॉ, रोपर, एरिक्सन द्वारा बनाए गए थे। उनमें से कई हजारों बनाए गए थे।

वाणिज्यिक निर्माता
तप्त इंजनों को पानी पंप करने के लिए बाजार मिला (मुख्य रूप से घरेलू पानी की टंकी के लिए) क्योंकि पानी के इनलेट ने तापमान के अंतर को बनाए रखने के लिए आवश्यक ठंड प्रदान की, चूंकि उन्हें अन्य व्यावसायिक उपयोग नहीं मिले।


 * लंदन के हेवर्ड, टायलर एंड कंपनी। पानी पंप करने के लिए इंजन और पंकाह c1876-1883 काम कर रहे हैं।
 * लंदन के हेवर्ड-टायलर एंड कंपनी। घरेलू जल आपूर्ति (राइडर का पेटेंट) c1888-1901।
 * डब्ल्यू.एच. बेली एंड कंपनी, सैलफोर्ड। घरेलू पानी पंप करने और स्थिर मशीनरी के संचालन के लिए इंजन c1885-1887 ।
 * एडम वुडवर्ड एंड संस, एंकोट्स, मैनचेस्टर। रॉबिन्सन का पेटेंट c1887 ।
 * नॉरिस एंड हेंटी, लंदन। 'रॉबिन्सन' प्रकार के पम्पिंग इंजन के पुनर्विक्रेता c1898-1901 ।
 * कॉर्नेलियस एच. डेलामेटर|सी.एच. डेलमैटर एंड कंपनी, डेलमैटर आयरन वर्क्स, न्यूयॉर्क। 'राइडर' और 'एरिक्सन' टाइप इंजन 1870-1898 ।
 * राइडर इंजन कंपनी, वाल्डेन, न्यूयॉर्क 1879-1898 ।
 * राइडर-एरिक्सन इंजन कंपनी, वाल्डेन, न्यूयॉर्क 1898- ।

तापगतिकीय चक्र
तप्त वायु इंजन तापगतिकीय चक्र (आदर्श रूप से) 3 या अधिक तापगतिकीय प्रक्रियाओं (सामान्यतः 4) से बनाया जा सकता है। प्रक्रियाएं इनमें से कोई भी हो सकती हैं:
 * इज़ोटेर्मल प्रक्रिया (स्थिर तापमान पर, तप्ती के साथ बनाए रखा जाता है या तप्ती स्रोत या सिंक से हटा दिया जाता है)
 * समदाब रेखीय प्रक्रिया (निरंतर दबाव पर)
 * आइसोमेट्रिक / आइसोकोरिक प्रक्रिया (स्थिर आयतन पर)
 * एडियाबेटिक प्रक्रिया (काम करने वाले तरल पदार्थ से कोई तप्ती नहीं जोड़ी या हटाई जाती है)
 * आइसेंट्रोपिक प्रक्रिया, प्रतिवर्ती एडियाबेटिक प्रक्रिया (कार्यशील तरल पदार्थ से कोई तप्ती नहीं जोड़ी या हटाई जाती है - और एन्ट्रापी स्थिर होती है)
 * आइसेंथाल्पिक प्रक्रिया (तापीय धारिता स्थिर है)

कुछ उदाहरण (जैसा ऊपर परिभाषित किया गया है, सभी तप्त वायु चक्र नहीं) इस प्रकार हैं: फिर भी और उदाहरण वुइल्यूमियर चक्र है।

यह भी देखें

 * स्टर्लिंग इंजन
 * थर्मोअकॉस्टिक तप्त वायु का इंजन
 * मैनसन-गाइज़ इंजन
 * लौ चाटने वाला इंजन
 * कार्नोट हीट इंजन
 * तप्ती इंजन प्रौद्योगिकी की समयरेखा

बाहरी संबंध

 * Introduction to Stirling-Cycle Machines
 * Pioneers in Air Engine Designs (Select the desired biography)
 * Apparatus for the Method of Heat Differentiation Vuilleumier patent
 * Inquiry into the Hot Air Engines of the 19th Century