વરાળશક્તિ (steam power) : પ્રમાણભૂત વાતાવરણના દબાણે, 100° સે. અથવા તેથી વધુ તાપમાન ધરાવતા પાણીની વાયુસ્વરૂપ સ્થિતિમાં રહેલી શક્તિ.
ઔદ્યોગિક વિકાસની પ્રગતિમાં વરાળ એ મૂળભૂત શક્તિનો સ્રોત છે. વરાળશક્તિ સ્ટીલના ઉત્પાદનમાં, તેલની રિફાઇનરીમાં, રાસાયણિક ઉદ્યોગોમાં અને અન્ય અનેક ઉત્પાદનોમાં અવિભાજ્ય અંગરૂપ છે. વરાળશક્તિ ટર્બો-જનરેટર ચલાવવા માટે વપરાય છે. આ ટર્બો-જનરેટર મોટાભાગની વીજશક્તિનું ઉત્પાદન કરે છે. ભારે પરિવહનનાં યંત્રો આ શક્તિની મદદથી ચલાવી શકાય છે.
ઇતિહાસ : હીરો વડે બનાવાયેલું સાદું પ્રતિક્રિયા-ટર્બાઇન (Reaction Turbine)એ વરાળશક્તિ વડે ગતિ મેળવવાનો પ્રથમ પ્રયત્ન હતો. વરાળમાં ખૂબ જ પ્રમાણમાં શક્તિ રહેલી છે તે હીરોએ બતાવ્યું. કેમ્પીલેને (Kempelen) પાણીની મદદથી ચાલતાં પ્રતિક્રિયા-ટર્બાઇન બનાવવાનો પ્રયત્ન કર્યો. વૉટે એ નોંધ્યું કે, વરાળશક્તિ વડે ચક્ર જેટલી. ગતિ મેળવી શકે છે તેટલી ગતિ પાણી વડે મેળવવી શક્ય નથી. ત્યારબાદ જુદી જ જાતના વિકાસમાં, વૉટને વરાળયંત્ર બનાવવા માટેની પ્રેરણા મળી. 1698માં ખાણમાંથી પાણી બહાર કાઢવાનો પ્રશ્ર્ન ઇજનેરોને મૂંઝવતો હતો. અંગ્રેજ ઇજનેર થૉમસ સેર્વીએ બળતણના બળ વડે ચાલતો, પાણી બહાર કાઢવા માટેનો પંપ બનાવ્યો. આ પંપમાં, બૉઇલર, રિસીવર તરીકે ઓળખાતું એક વાસણ, પાણીને દાખલ કરવા માટે એક તરફ ખૂલતો વાલ્વ, રિસીવરમાંથી બહાર લઈ જવાનો માર્ગ, રિસીવર સુધી જતી પાઇપલાઇન અને તેની સાથે આવેલો બંધ કરી શકાય તેવો વાલ્વ ઉપરાંત રિસીવર ઉપર પાણીનો છંટકાવ કરી શકે તેવા વાલ્વ સાથેની પાણીની લાઇનનો સમાવેશ થતો હતો.
જ્યારે વરાળ લઈ જવા માટે વરાળના વાલ્વને ખોલવામાં આવે ત્યારે વરાળ પાણીથી ભરેલા રિસીવરમાં દાખલ થાય છે. વરાળના દબાણને લીધે રિસીવરનું પાણી પાઇપમાં મૂકેલા વાલ્વમાંથી બહાર જાય છે.
રિસીવરમાંથી પાણી સંપૂર્ણપણે બહાર નીકળી જાય ત્યારે વરાળના વાલ્વને બંધ કરવામાં આવે છે. વાલ્વના ઘોંઘાટ (clatter) વડે પાણી પૂર્ણપણે બહાર નીકળી ગયું છે કે કેમ તે જાણી શકાય છે. પાણી માટેનો વાલ્વ ત્યારબાદ ખોલવામાં આવે છે. આનાથી, પાણીનો છંટકાવ રિસીવરની સપાટી ઉપર થાય છે. વરાળનું ઠારણ થવાથી નિર્વાત જગ્યા ઉદભવે છે. હવાના દબાણને લઈને, ખાણમાંનું પાણી રિસીવરમાં આવે છે. પણ રિસીવરમાં ઉત્પન્ન થયેલું નિર્વાત પૂર્ણ હોતું નથી. તેથી હવાના દબાણથી ફક્ત 6 મીટર સુધી જ પાણી ઊંચકાઈ શકે છે. તે વખતમાં બનાવાતા બૉઇલરની ઊંચું દબાણ સહન કરવાની ક્ષમતા ન હોવાથી, વરાળની શક્તિ પણ મર્યાદિત રહેતી.
પાણી અને વરાળના સીધા સંપર્કથી ગરમીનો વ્યય થતો અને વરાળનું દબાણ પણ જેટલી ઊંચાઈ ઉપર પાણી ચઢાવવાનું હોય તેના જેટલું જ લઘુતમ રહેતું.
આના ઉપાય તરીકે ઇંગ્લૅન્ડના ઇજનેર ન્યૂકૉમૅન અને કૅલી(Calley)એ પ્રથમ વાર પિસ્ટન વડે ચાલતું વરાળ-એન્જિન વિકસાવ્યું.
ન્યૂકૉમૅનનું એન્જિન એક સિલિંડર અને તે સાથેનો પિસ્ટન ધરાવે છે. જ્યારે સિલિંડરને વરાળ વડે ભરવામાં આવે છે ત્યારે પ્રતિવજન(counter weight)ના પંખના પ્લંજર વડે પિસ્ટન સિલિંડરના છેવાડે પહોંચે છે. વરાળનું ઠારણ પાણી દાખલ કરવાથી થાય છે. આથી નિર્વાત ઉત્પન્ન થાય છે. પિસ્ટન ઉપર લાગતા બહારના દબાણને લઈને, દબાણના તફાવતને લીધે પિસ્ટન નીચે તરફ ગતિ કરે છે. આ ગતિને લીધે બળ ઉત્પન્ન થાય છે અને તેથી, પ્લંજર પંપ ઊંચકાય છે. સિલિંડરની બહાર પાણી છાંટવાથી પ્રથમ વરાળનું ઠારણ થાય છે.
આ ઠારણ ધીમું જણાય તો, પાણીનો છંટકાવ સિલિંડરની અંદર કરવામાં આવે છે. આ એન્જિનમાં બીજો એક પ્રશ્ર્ન પણ હતો. હવા અને બીજા અસંઘનન વાયુની હાજરીને લીધે એન્જિન થોડા સમય બાદ જ કાર્ય કરતું બંધ થઈ જતું. આ પ્રશ્ર્ન હલ કરવા માટે થોડી વરાળને સિલિંડરમાંથી બહાર કાઢવામાં આવે છે. વરાળ અને ઠારેલા પાણીને સિલિંડરમાં દાખલ કરતા વાલ્વને હાથથી ઉઘાડ-બંધ કરવામાં આવે છે અને તેથી એન્જિનની ગતિ ઓછી-વત્તી થાય છે. આથી ચાલુ થયા બાદ એન્જિન પોતાની મેળે ગતિ પ્રાપ્ત કરે છે.
ન્યૂકૉમૅનના એન્જિનની પ્રાયોગિક સફળતા તેના લાંબા સમયના ઉપયોગથી સિદ્ધ થાય છે.
વૉટનું એન્જિન : 1765માં વૉટે ન્યૂકૉમૅનના એન્જિનમાં જરૂરી સુધારા કર્યા. જુદું ઠારક તેણે તે એન્જિનમાં મૂક્યું. તે મૂકવાથી, દરેક સ્ટ્રોકમાં સિલિંડરને ગરમ કરવાની અને ઠંડું કરવાની જરૂરિયાત દૂર થઈ. એન્જિન ચાલતું ન હોય ત્યારે વરાળના જ તાપમાને સિલિંડર અને પિસ્ટન રહેતાં હોવાથી, બળતણની કિંમતમાં 75 %નો ઘટાડો થયો. વૉટને તેના આ સુધારેલા એન્જિન ઉપર પેટન્ટ મળી.
વૉટે તેની શોધક તરીકેની ચતુરાઈ નવી જાતના એન્જિનના વિકાસમાં લગાડી. તેના નવા એન્જિનમાં શાફ્ટ, ઉપર-નીચે જવાને બદલે ફરતો હોય તેમ તેણે રાખ્યો. પિસ્ટન અને પિસ્ટનરૉડની વચ્ચે વૉટે વાળી ન શકાય તેવું જોડાણ રાખ્યું અને શાફ્ટની ઉપર-નીચે જતી ગતિને બદલે, તેને ફરતો કરવા માટેની ખાસ પ્રકારની ગિયર-વ્યવસ્થા વિકસાવી. બળઘૂર્ણના ફેરફારને નિયંત્રિત કરવા માટે તેણે એન્જિનમાં ગતિપાલ-ચક્ર (flywheel) ઉમેર્યું. ગતિપાલ-ચક્રની જોડે જોડેલા ગવર્નરની મદદથી એન્જિનમાં જતા પ્રવાહનું નિયંત્રણ કર્યું. આ ઉપરાંત, વરાળ પિસ્ટનની બંને બાજુએથી, દાખલ થઈ શકે તેવી વ્યવસ્થા તેના એન્જિનમાં ગોઠવી. આથી તેના એન્જિનની શક્તિ પણ વધી અને પ્રયોજિત બળની વધુ એકરૂપતા મળી. પિસ્ટનરૉડ સિલિંડરમાંથી જે જગ્યાએથી બહાર આવતો હતો ત્યાં વરાળના ચૂસણ(leakage)ને રોકવા તેણે પૅકિંગ-ગ્લૅંડ મૂકી.
વૉટના આ પરિભ્રામી એન્જિને ઉપયોગોની એક નવી દિશા ખોલી આપી. આ પરિભ્રામી એન્જિનનો સ્વીકાર તુરત જ થયો. ઈ. સ. 1800 સુધી જે 500 એન્જિનોનું ઉત્પાદન થયું તેમાં 62 % એન્જિનો આ પ્રકારનાં હતાં.
બૉઇલરની ક્ષમતા જોતાં વરાળનું દબાણ 35 KPa જેટલું જ રાખી શકાતું હતું. વરાળની પ્રસારણીય ક્ષમતા વૉટ બરાબર સમજ્યા અને તેનો ભરપૂર ફાયદો પણ તેમણે લીધો. ત્યારબાદ તેમણે સંયુક્ત એન્જિન (compound engine) પણ વિકસાવ્યું.
આ પ્રકારના એન્જિનમાં ઊંચા દબાણની વરાળ પ્રથમ સિલિંડરમાં મોકલવામાં આવે છે. તેમાંથી પ્રસારિત થતી વરાળને તે સિલિંડરમાંથી બહાર નીકળે ત્યારબાદ બીજા સિલિંડરમાં મોકલાય છે અને આમ પ્રક્રિયા ચાલુ રહે છે. દરેક સિલિંડર તેના અગાઉના સિલિંડરની સરખામણીએ મોટા વ્યાસનો હોય છે તેનું કારણ એ છે કે, વરાળનું દબાણ ઘટવાથી વરાળનું કદ વધે છે. વધુ કદની વરાળને સમાવવા મોટા સિલિંડરની જરૂરિયાત પડે છે. સિલિંડરની અંદર વરાળનું કેટલું દબાણ છે તે કાગળ ઉપર દોરીને દર્શાવી શકાય તેવું સાધન વિકસાવ્યું. આ સાધન આજે પણ, એન્જિનના કાર્યલક્ષણ (performance) જાણવા માટે વપરાય છે. આથી એન્જિનને મહત્તમ કાર્ય કરે એ રીતે ગોઠવી શકાય છે.
પ્રદીપ સુરેન્દ્ર દેસાઈ