Parné stroje sa používali ako hnacie motory v čerpacích staniciach, lokomotívach, parných lodiach, traktoroch, parných autách a iných vozidlách. Parné stroje prispeli k širokému komerčnému využitiu strojov v podnikoch a boli energetickým základom priemyselnej revolúcie 18. storočia. Neskôr parné stroje nahradili spaľovacie motory, parné turbíny, elektromotory a jadrové reaktory, ktoré sú efektívnejšie.
Parný stroj v akcii
Vynález a vývoj
Prvé známe zariadenie poháňané parou opísal Heron Alexandrijský v prvom storočí – ide o takzvaný „volavkin kúpeľ“ alebo „aeolipil“. Para unikajúca tangenciálne z dýz pripevnených k guli spôsobila rotáciu gule. Predpokladá sa, že premena pary na mechanický pohyb bola známa v Egypte v období rímskej nadvlády a používala sa v jednoduchých zariadeniach.
Prvé priemyselné motory
Žiadne z opísaných zariadení nebolo v skutočnosti použité ako prostriedok na riešenie užitočných problémov. Prvý parný stroj použitý vo výrobe bol „požiarny stroj“, ktorý navrhol anglický vojenský inžinier Thomas Savery v roku 1698. Savery získal patent na svoje zariadenie v roku 1698. Bolo to piestové parné čerpadlo a zjavne nie príliš účinné, pretože teplo z pary sa strácalo zakaždým počas chladenia nádoby a bolo dosť nebezpečné na prevádzku, pretože kvôli vysokému tlaku pary nádoby a potrubia motora niekedy explodovali. . Keďže toto zariadenie bolo možné použiť na otáčanie kolies vodného mlyna aj na čerpanie vody z baní, vynálezca ho nazval „baníkom kamarát“.
Potom anglický kováč Thomas Newcomen v roku 1712 predviedol svoj „atmosférický motor“, ktorý bol prvým parným strojom, po ktorom mohol byť komerčný dopyt. Išlo o Saveryho vylepšený parný stroj, v ktorom Newcomen výrazne znížil prevádzkový tlak pary. Newcomen mohol byť založený na opisoch Papinových experimentov uskutočnených v Kráľovskej spoločnosti v Londýne, ku ktorým mohol mať prístup prostredníctvom člena spoločnosti Roberta Hooka, ktorý spolupracoval s Papenom.
Schéma činnosti Newcomenovho parného stroja.
– Para je zobrazená fialovou farbou, voda modrou.
– Otvorené ventily sú zobrazené zelenou farbou, zatvorené ventily sú zobrazené červenou farbou
Prvým použitím motora Newcomen bolo čerpanie vody z hlbinnej bane. V banskom čerpadle bolo vahadlo spojené s tyčou, ktorá šla dole do šachty do komory čerpadla. Vratné pohyby ťahu sa prenášali na piest čerpadla, ktorý privádzal vodu nahor. Ventily prvých motorov Newcomen sa otvárali a zatvárali ručne. Prvým vylepšením bola automatizácia ventilov, ktoré boli poháňané samotným strojom. Legenda hovorí, že toto zlepšenie urobil v roku 1713 chlapec Humphrey Potter, ktorý mal otvárať a zatvárať ventily; keď ho to omrzelo, zviazal rukoväte ventilov povrazmi a išiel sa hrať s deťmi. V roku 1715 už bol vytvorený pákový riadiaci systém, poháňaný mechanizmom samotného motora.
Prvý ruský dvojvalcový vákuový parný stroj skonštruoval mechanik I. I. Polzunov v roku 1763 a zostrojil ho v roku 1764 na pohon dúchadiel v továrňach Barnaul Kolyvano-Voskresensk.
Humphrey Gainsborough zostrojil v 60. rokoch 18. storočia model parného stroja s kondenzátorom. V roku 1769 si škótsky mechanik James Watt (pravdepodobne s využitím Gainsboroughových myšlienok) patentoval prvé významné vylepšenia vákuového motora Newcomen, vďaka čomu bol výrazne úspornejší. Wattovým príspevkom bolo oddelenie kondenzačnej fázy vákuového motora v samostatnej komore, zatiaľ čo piest a valec mali teplotu pary. Watt pridal k Newcomenovmu motoru niekoľko ďalších dôležitých detailov: umiestnil piest do valca, aby vytlačil paru a premenil vratný pohyb piestu na rotačný pohyb hnacieho kolesa.
Na základe týchto patentov zostrojil Watt v Birminghame parný stroj. V roku 1782 bol Wattov parný stroj viac ako 3-krát produktívnejší ako Newcomenov motor. Zlepšenie účinnosti Wattovho motora viedlo k využívaniu parnej energie v priemysle. Navyše, na rozdiel od Newcomenovho motora, Wattov motor umožňoval prenos rotačného pohybu, zatiaľ čo v skorých modeloch parných strojov bol piest spojený s vahadlom a nie priamo s ojnicou. Tento motor mal už základné vlastnosti moderných parných strojov.
Ďalším zvýšením účinnosti bolo použitie vysokotlakovej pary (Američan Oliver Evans a Angličan Richard Trevithick). R. Trevithick úspešne skonštruoval priemyselné vysokotlakové jednotaktné motory známe ako „Cornish motory“. Pracovali pri tlaku 50 psi alebo 345 kPa (3,405 atmosfér). So zvyšujúcim sa tlakom však hrozilo aj väčšie nebezpečenstvo výbuchov strojov a kotlov, čo spočiatku viedlo k početným nehodám. Z tohto pohľadu bol najdôležitejším prvkom vysokotlakového stroja poistný ventil, ktorý uvoľnil pretlak. Spoľahlivá a bezpečná prevádzka sa začala až nahromadením skúseností a štandardizáciou postupov pri stavbe, prevádzke a údržbe zariadení.
Francúzsky vynálezca Nicolas-Joseph Cugnot predviedol v roku 1769 prvé funkčné samohybné parné vozidlo: „fardier à vapeur“ (parný vozík). Možno jeho vynález možno považovať za prvý automobil. Parný traktor s vlastným pohonom sa ukázal ako veľmi užitočný ako mobilný zdroj mechanickej energie, ktorý poháňal ďalšie poľnohospodárske stroje: mlátičky, lisy atď. Philadelphia (Pennsylvánia) a Burlington (štát New York). Viezol 30 pasažierov a išiel rýchlosťou 7-8 míľ za hodinu. Parník J. Fitcha nebol komerčne úspešný, pretože jeho trasa konkurovala dobrej pozemnej ceste. V roku 1802 postavil škótsky inžinier William Symington konkurenčný parný čln a v roku 1807 americký inžinier Robert Fulton použil Wattov parný stroj na pohon prvého komerčne úspešného parníka. 21. februára 1804 bola v Penydarren Ironworks v Merthyr Tydfil v južnom Walese vystavená prvá železničná samohybná parná lokomotíva, ktorú postavil Richard Trevithick.
Piestové parné stroje
Piestové motory využívajú parnú silu na pohyb piestu v utesnenej komore alebo valci. Vratný pohyb piestu môže byť mechanicky prevedený na lineárny pohyb piestových čerpadiel alebo na rotačný pohyb na pohon rotujúcich častí obrábacích strojov alebo kolies vozidiel.
Vákuové stroje
Skoré parné stroje sa spočiatku nazývali „požiarne stroje“ a tiež Wattove „atmosférické“ alebo „kondenzačné“ motory. Pracovali na vákuovom princípe, a preto sú známe aj ako „vákuové motory“. Takéto stroje pracovali na pohon piestových čerpadiel, v každom prípade neexistuje dôkaz, že sa používali na iné účely. Keď pracuje vákuový parný stroj, na začiatku zdvihu sa do pracovnej komory alebo valca privádza nízkotlaková para. Vstupný ventil sa potom uzavrie a para sa ochladí kondenzáciou. V motore Newcomen sa chladiaca voda strieka priamo do valca a kondenzát steká do zberača kondenzátu. Tým sa vo valci vytvorí vákuum. Atmosférický tlak v hornej časti valca tlačí na piest a spôsobuje jeho pohyb smerom nadol, teda pracovný zdvih.
Neustále chladenie a dohrievanie pracovného valca stroja bolo veľmi nehospodárne a neefektívne, tieto parné stroje však umožňovali čerpať vodu z väčších hĺbok, ako to bolo možné pred ich zavedením. V roku sa objavila verzia parného stroja, ktorú vytvoril Watt v spolupráci s Matthewom Boultonom, ktorej hlavnou inováciou bolo odstránenie kondenzačného procesu do špeciálnej oddelenej komory (kondenzátora). Táto komora bola umiestnená do kúpeľa so studenou vodou a bola spojená s valcom trubicou uzavretou ventilom. Ku kondenzačnej komore bola pripevnená špeciálna malá výveva (prototyp vývevy na kondenzát), poháňaná vahadlom a používaná na odvádzanie kondenzátu z kondenzátora. Výsledná teplá voda bola dodávaná špeciálnym čerpadlom (prototyp napájacieho čerpadla) späť do kotla. Ďalšou radikálnou inováciou bolo uzavretie horného konca pracovného valca, ktorý teraz obsahoval na vrchu nízkotlakovú paru. Rovnaká para bola prítomná v dvojitom plášti valca a udržiavala si svoju konštantnú teplotu. Keď sa piest pohyboval nahor, táto para sa prenášala cez špeciálne rúrky do spodnej časti valca, aby pri ďalšom zdvihu podstúpila kondenzáciu. Stroj v skutočnosti prestal byť „atmosférický“ a jeho výkon teraz závisel od tlakového rozdielu medzi nízkotlakovou parou a vákuom, ktoré bolo možné dosiahnuť. V Newcomenovom parnom stroji bol piest mazaný malým množstvom vody naliatej na jeho vrch; vo Wattovom stroji to bolo nemožné, pretože v hornej časti valca bola para; bolo potrebné prejsť na mazanie pomocou zmes tuku a oleja. Rovnaké mazivo bolo použité v tesnení tyče valca.
Vákuové parné stroje, napriek zjavným obmedzeniam ich účinnosti, boli relatívne bezpečné a využívali nízkotlakovú paru, čo celkom zodpovedalo všeobecne nízkej úrovni kotlovej techniky v 18. storočí. Výkon stroja bol limitovaný nízkym tlakom pary, veľkosťou valca, rýchlosťou spaľovania paliva a vyparovaním vody v kotle, ako aj veľkosťou kondenzátora. Maximálna teoretická účinnosť bola obmedzená relatívne malým teplotným rozdielom na oboch stranách piesta; to spôsobilo, že vákuové stroje určené na priemyselné použitie boli príliš veľké a drahé.
Kompresia
Výstupné okno valca parného stroja sa zatvára o niečo skôr, ako piest dosiahne svoju krajnú polohu, čím zostane vo valci určité množstvo odpadovej pary. To znamená, že v pracovnom cykle nastáva kompresná fáza, ktorá tvorí takzvaný „parný vankúš“, spomaľujúci pohyb piesta v jeho krajných polohách. Okrem toho sa tým eliminuje náhly pokles tlaku na samom začiatku fázy nasávania, keď do valca vstupuje čerstvá para.
Advance
Popísaný efekt „parného vankúša“ je umocnený aj tým, že nasávanie čerstvej pary do valca začína o niečo skôr, ako piest dosiahne svoju krajnú polohu, čiže je tu určitý predstih nasávania. Tento predstih je potrebný na to, aby predtým, ako piest začne svoj pracovný zdvih vplyvom čerstvej pary, mala para čas vyplniť mŕtvy priestor, ktorý vznikol v dôsledku predchádzajúcej fázy, teda sacie a výfukové kanály a objem valca nevyužitý na pohyb piestu.
Jednoduché rozšírenie
Jednoduchá expanzia predpokladá, že para funguje len vtedy, keď je expandovaná vo valci, a výfuková para sa uvoľňuje priamo do atmosféry alebo vstupuje do špeciálneho kondenzátora. Zvyškové teplo pary je možné využiť napríklad na vykurovanie miestnosti alebo vozidla, ako aj na predhriatie vody vstupujúcej do kotla.
Zlúčenina
Počas procesu expanzie vo valci vysokotlakového stroja klesá teplota pary úmerne s jej expanziou. Keďže nedochádza k výmene tepla (adiabatický proces), ukazuje sa, že para vstupuje do valca s vyššou teplotou, ako ho opúšťa. Takéto zmeny teploty vo valci vedú k zníženiu účinnosti procesu.
Jeden zo spôsobov riešenia tohto teplotného rozdielu navrhol v roku 1804 anglický inžinier Arthur Woolf, ktorý si nechal patentovať Vysokotlakový zložený parný stroj Wulf. V tomto stroji vysokoteplotná para z parného kotla vstupovala do vysokotlakového valca a potom z neho odsávaná para pri nižšej teplote a tlaku vstupovala do nízkotlakového valca (alebo valcov). Tým sa znížil teplotný rozdiel v každom valci, čím sa celkovo znížili teplotné straty a zlepšila sa celková účinnosť parného stroja. Nízkotlaková para mala väčší objem a preto si vyžadovala väčší objem valca. Preto v zložených strojoch mali nízkotlakové valce väčší priemer (a niekedy aj dlhší) ako vysokotlakové valce.
Toto usporiadanie je tiež známe ako „dvojitá expanzia“, pretože expanzia pary prebieha v dvoch fázach. Niekedy bol jeden vysokotlakový valec spojený s dvoma nízkotlakovými valcami, výsledkom čoho boli tri valce približne rovnakej veľkosti. Táto schéma sa dala ľahšie vyvážiť.
Dvojvalcové miešacie stroje možno klasifikovať ako:
- Krížová zmes- Valce sú umiestnené v blízkosti, ich kanály na vedenie pary sú prekrížené.
- Tandemová zlúčenina- Valce sú usporiadané v sérii a používajú jednu tyč.
- Uhlová zlúčenina- Valce sú umiestnené navzájom pod uhlom, zvyčajne 90 stupňov, a pracujú na jednej kľuke.
Po 80. rokoch 19. storočia sa zložené parné stroje rozšírili vo výrobe a doprave a stali sa prakticky jediným typom používaným na parných lodiach. Ich použitie na parných rušňoch sa až tak nerozšírilo, pretože sa ukázali ako príliš zložité, čiastočne kvôli ťažkým prevádzkovým podmienkam parných strojov v železničnej doprave. Aj keď sa zložené parné lokomotívy nikdy nestali rozšíreným fenoménom (najmä v Spojenom kráľovstve, kde boli veľmi málo bežné a po tridsiatych rokoch sa vôbec nepoužívali), vo viacerých krajinách si získali určitú popularitu.
Viacnásobné rozšírenie
Zjednodušená schéma trojexpanzného parného stroja.
Vysokotlaková para (červená) z kotla prechádza cez stroj a vystupuje do kondenzátora pod nízkym tlakom (modrá).
Logickým vývojom zloženej schémy bolo pridanie ďalších expanzných stupňov, ktoré zvýšili efektivitu práce. Výsledkom bola viacnásobná expanzná schéma známa ako trojité alebo dokonca štvornásobné expanzné stroje. Takéto parné stroje využívali rad dvojčinných valcov, ktorých objem sa každým stupňom zväčšoval. Niekedy sa namiesto zväčšenia objemu nízkotlakových valcov použilo zvýšenie ich počtu, rovnako ako na niektorých zložených strojoch.
Na obrázku vpravo je znázornená činnosť trojnásobného expanzného parného stroja. Para prechádza strojom zľava doprava. Ventilový blok každého valca je umiestnený naľavo od príslušného valca.
Vznik tohto typu parného stroja sa stal obzvlášť dôležitým pre flotilu, pretože požiadavky na veľkosť a hmotnosť lodných motorov neboli príliš prísne, a čo je najdôležitejšie, táto konštrukcia uľahčila použitie kondenzátora, ktorý vracia odpadovú paru vo forme čerstvá voda späť do kotla (použite slanú morskú vodu nebolo možné napájať kotly). Pozemné parné stroje zvyčajne nemali problémy s dodávkou vody a preto mohli vypúšťať odpadovú paru do atmosféry. Preto bola takáto schéma pre nich menej relevantná, najmä s prihliadnutím na jej zložitosť, veľkosť a hmotnosť. Nadvláda viacerých expanzných parných strojov skončila až s príchodom a rozšírením parných turbín. Moderné parné turbíny však využívajú rovnaký princíp rozdelenia prúdu do vysokotlakových, strednotlakových a nízkotlakových valcov.
Parné stroje s priamym prúdením
Prietokové parné stroje vznikli ako výsledok snahy prekonať jednu z nevýhod parných strojov s tradičným rozvodom pary. Faktom je, že para v bežnom parnom stroji neustále mení smer svojho pohybu, pretože rovnaké okno na každej strane valca sa používa na prívod aj odvod pary. Keď výfuková para opúšťa valec, ochladzuje jeho steny a parné distribučné kanály. Čerstvá para preto vynakladá určité množstvo energie na ich ohrev, čo vedie k poklesu účinnosti. Prietokové parné stroje majú prídavné okno, ktoré sa na konci každej fázy otvára piestom a ktorým para opúšťa valec. To zvyšuje účinnosť stroja, pretože para sa pohybuje jedným smerom a teplotný gradient stien valca zostáva viac-menej konštantný. Jednoexpanzné stroje s priamym prietokom vykazujú približne rovnakú účinnosť ako kombinované stroje s konvenčným rozvodom pary. Okrem toho môžu pracovať pri vyšších rýchlostiach, a preto sa pred príchodom parných turbín často používali na pohon elektrických generátorov, ktoré vyžadovali vysoké otáčky.
Parné stroje s priamym prietokom sa dodávajú v jednočinných aj dvojčinných typoch.
Parné turbíny
Parná turbína pozostáva zo série rotujúcich diskov namontovaných na jednej osi, nazývaných rotor turbíny, a série striedajúcich sa stacionárnych diskov namontovaných na základni, nazývanej stator. Kotúče rotora majú na vonkajšej strane lopatky, k týmto lopatkám je privádzaná para a roztáča disky. Kotúče statora majú podobné lopatky uložené v opačných uhloch, ktoré slúžia na presmerovanie toku pary na nasledujúce rotorové disky. Každý rotorový disk a jeho zodpovedajúci statorový disk sa nazývajú turbínový stupeň. Počet a veľkosť stupňov každej turbíny sa volí tak, aby sa maximalizovala užitočná energia pary rýchlosti a tlaku, ktoré sa do nej privádzajú. Odpadová para opúšťajúca turbínu vstupuje do kondenzátora. Turbíny sa otáčajú veľmi vysokou rýchlosťou, a preto sa pri prenose rotácie na iné zariadenia zvyčajne používajú špeciálne redukčné prevody. Turbíny navyše nemôžu meniť smer ich otáčania a často vyžadujú dodatočné reverzné mechanizmy (niekedy sa používajú ďalšie stupne spätného otáčania).
Turbíny premieňajú energiu pary priamo na rotáciu a nevyžadujú dodatočné mechanizmy na premenu vratného pohybu na rotáciu. Turbíny sú navyše kompaktnejšie ako piestové stroje a majú konštantnú silu na výstupnom hriadeli. Pretože turbíny majú jednoduchší dizajn, vo všeobecnosti vyžadujú menej údržby.
Iné typy parných strojov
Aplikácia
Parné stroje možno klasifikovať podľa ich použitia takto:
Stacionárne stroje
Parné kladivo
Parný stroj v starom cukrovare na Kube
Stacionárne parné stroje možno rozdeliť do dvoch typov podľa spôsobu použitia:
- Stroje s premenlivým režimom, medzi ktoré patria valcovacie stroje, parné navijaky a podobné zariadenia, ktoré sa musia často zastavovať a meniť smer otáčania.
- Poháňané stroje, ktoré sa zriedka zastavia a nemali by meniť smer otáčania. Patria sem energetické motory v elektrárňach, ako aj priemyselné motory používané v továrňach, továrňach a lanových dráhach pred rozšírením elektrickej trakcie. Motory s nízkym výkonom sa používajú na námorných modeloch a v špeciálnych zariadeniach.
Parný navijak je v podstate stacionárny motor, ale je namontovaný na nosnom ráme, aby sa mohol pohybovať. Dá sa zaistiť lankom ku kotve a vlastnou trakciou presunúť na nové miesto.
Dopravné vozidlá
Parné motory sa používali na pohon rôznych typov vozidiel, medzi nimi:
- Pozemné vozidlá:
- Parné auto
- Parný traktor
- Parná lopata, a dokonca
- Parné lietadlo.
V Rusku prvú prevádzkovú parnú lokomotívu postavili E. A. a M. E. Čerepanov v závode Nižný Tagil v roku 1834 na prepravu rudy. Dosahoval rýchlosť 13 verst za hodinu a viezol viac ako 200 pudov (3,2 tony) nákladu. Dĺžka prvej železnice bola 850 m.
Výhody parných strojov
Hlavnou výhodou parných strojov je, že dokážu využiť takmer akýkoľvek zdroj tepla na jeho premenu na mechanickú prácu. To ich odlišuje od spaľovacích motorov, z ktorých každý typ vyžaduje použitie špecifického druhu paliva. Táto výhoda je najvýraznejšia pri využívaní jadrovej energie, keďže jadrový reaktor nedokáže generovať mechanickú energiu, ale vyrába len teplo, ktoré sa využíva na výrobu pary na pohon parných strojov (zvyčajne parných turbín). Okrem toho existujú aj iné zdroje tepla, ktoré nie je možné použiť v spaľovacích motoroch, napríklad solárna energia. Zaujímavým smerom je využitie energie z teplotných rozdielov vo Svetovom oceáne v rôznych hĺbkach.
Podobné vlastnosti majú aj iné typy motorov s vonkajším spaľovaním, napríklad Stirlingov motor, ktorý dokáže poskytnúť veľmi vysokú účinnosť, no má podstatne väčšiu hmotnosť a rozmery ako moderné typy parných strojov.
Parné lokomotívy fungujú dobre vo vysokých nadmorských výškach, pretože ich prevádzková účinnosť neklesá v dôsledku nízkeho atmosférického tlaku. Parné lokomotívy sa v horských oblastiach Latinskej Ameriky používajú dodnes, napriek tomu, že v nížinách ich už dávno nahradili modernejšie typy rušňov.
Vo Švajčiarsku (Brienz Rothorn) a Rakúsku (Schafberg Bahn) sa osvedčili nové parné lokomotívy využívajúce suchú paru. Tento typ lokomotívy bol vyvinutý na základe modelov Swiss Locomotive and Machine Works (SLM) s mnohými modernými vylepšeniami, ako je použitie valivých ložísk, moderná tepelná izolácia, spaľovanie ľahkých ropných frakcií ako paliva, vylepšené parovody atď. Vďaka tomu majú takéto lokomotívy o 60 % nižšiu spotrebu paliva a výrazne nižšie nároky na údržbu. Ekonomické kvality takýchto lokomotív sú porovnateľné s modernými dieselovými a elektrickými rušňami.
Parné lokomotívy sú navyše oveľa ľahšie ako dieselové a elektrické, čo je dôležité najmä pre horské železnice. Zvláštnosťou parných strojov je, že nevyžadujú prevodovku, ktorá prenáša výkon priamo na kolesá.
Efektívnosť
Koeficient výkonu (účinnosti) tepelného motora môžeme definovať ako pomer užitočnej mechanickej práce k vynaloženému množstvu tepla obsiahnutému v palive. Zvyšok energie sa uvoľňuje do okolia vo forme tepla. Účinnosť tepelného motora je
WATT, JAMES (Watt, James, 1736-1819), škótsky inžinier a vynálezca. Narodil sa 19. januára 1736 v Greenocku neďaleko Glasgowa (Škótsko) v rodine obchodníka. Pre zlý zdravotný stav sa Watt formálne učil málo, ale veľa sa naučil sám. Už v tínedžerskom veku sa zaujímal o astronómiu, chemické experimenty, všetko sa naučil robiť vlastnými rukami a dokonca si od svojho okolia vyslúžil prívlastok „všeliek“.
Väčšina ľudí ho považuje za vynálezcu parného stroja, no nie je to celkom pravda.
Parné stroje zostrojené D. Papenom, T. Severim, I. Polzunovom, T. Newcomenom začali v baniach pracovať dávno pred D. Wattom. Odlišovali sa dizajnom, ale hlavné bolo, že pohyb piestu bol spôsobený striedavým ohrevom a chladením pracovného valca. Z tohto dôvodu boli pomalé a spotrebovali veľa paliva.
19. januára 1736 sa James Watt (1736-1819), vynikajúci škótsky inžinier a vynálezca, preslávil predovšetkým ako tvorca vylepšeného parného stroja. Svojou spoluprácou s Pneumatickým lekárskym inštitútom Thomasa Beddoesa (Beddoes, Thomas, 1760-1808) však tiež zanechal jasnú stopu v histórii medicíny intenzívnej starostlivosti. James Watt dodal laboratóriám ústavu potrebné vybavenie. Vďaka jeho účasti vznikli a v Pneumatickom ústave boli odskúšané prvé inhalátory, spirometre, plynomery atď.
Sám James Watt, ako aj jeho manželka a jeden z jeho synov sa opakovane zúčastňovali vedeckých experimentov. Pneumatický ústav sa stal skutočným vedeckým centrom, kde sa skúmali vlastnosti rôznych plynov a ich vplyv na ľudský organizmus. Dá sa povedať, že Thomas Beddoe a jeho spolupracovníci boli priekopníkmi a predchodcami modernej respiračnej terapie. Bohužiaľ, Thomas Beddoe sa mylne domnieval, že tuberkulózu spôsobuje nadbytok kyslíka.
Preto syn Jamesa Watta, Gregory, podstúpil v Pneumatickom ústave úplne zbytočnú liečbu inhaláciou oxidu uhličitého. Avšak práve v Pneumatickom ústave sa prvýkrát začal používať kyslík na liečebné účely; boli vyvinuté základy aerosólovej terapie; Prvýkrát sa merala celková kapacita pľúc metódou riedenia vodíka (G. Davy) atď. Vyvrcholením spolupráce medzi Wattom a Beddoeom na terapeutickom využití rôznych plynov bola ich spoločná kniha „Materiály o medicínskom využití umelých odrôd vzduchu“, ktorá vyšla v dvoch vydaniach (1794, 1795) a stala sa prvou špeciálnou knihou. návod na kyslíkovú terapiu.
V roku 1755 odišiel Watt do Londýna študovať za mechanika a výrobcu matematických a astronomických prístrojov. Po ukončení sedemročného školiaceho programu za jeden rok sa Watt vrátil do Škótska a získal miesto mechanika na University of Glasgow. Zároveň si otvoril vlastnú opravovňu.
Na univerzite sa Watt stretol so skvelým škótskym chemikom Josephom Blackom (1728-1799), ktorý v roku 1754 objavil oxid uhličitý. Toto stretnutie prispelo k vývoju množstva nových chemických prístrojov potrebných pre Blackov ďalší výskum, napríklad ľadový kalorimeter. . V tomto čase Joseph Black pracoval na probléme určenia tepla vyparovania a Watt sa podieľal na poskytovaní technickej stránky experimentov.
V roku 1763 bol ako univerzitný mechanik požiadaný o opravu univerzitného modelu parného stroja T. Newcomena.
Tu by sme mali urobiť krátku odbočku do histórie vzniku parných strojov. Kedysi nás v škole učili, že vštepujú „veľmocenský šovinizmus“, že parný stroj vynašiel ruský poddaný mechanik Ivan Polzunov, a nie nejaký James Watt, o ktorého úlohe pri vytváraní parných strojov sa možno niekedy dočítať v „ nesprávne“ knihy s vlasteneckým pohľadom na knihy. Ale v skutočnosti vynálezcom parného stroja nie je Ivan Polzunov, ani James Watt, ale anglický inžinier Thomas Newcomen (1663-1729).
Navyše, prvý pokus dať paru do služieb človeka urobil v Anglicku už v roku 1698 vojenský inžinier Thomas Savery (Thomas Savery, 1650?-1715). Vytvoril parný vodný výťah, určený na odvodňovanie baní a čerpanie vody, ktorý sa stal prototypom parného stroja.
Saveryho stroj fungoval nasledovne: najprv sa utesnená nádrž naplnila parou, potom sa vonkajší povrch nádrže ochladil studenou vodou, čo spôsobilo kondenzáciu pary a vytvorenie čiastočného podtlaku v nádrži. Potom bola voda napr. zo spodnej časti šachty nasávaná do nádrže cez sacie potrubie a po zavedení ďalšej dávky pary bola vyhodená von cez výstupné potrubie. Cyklus sa potom zopakoval, no vodu bolo možné zdvihnúť len z hĺbky menšej ako 10,36 m, keďže ju vytlačil v skutočnosti atmosférický tlak.
Tento stroj nebol veľmi úspešný, ale dal Papenovi jasný nápad nahradiť pušný prach vodou. A v roku 1698 postavil parný stroj (v tom istom roku Angličan Savery zostrojil aj svoj „požiarny stroj“). Voda sa zahrievala vo zvislom valci s piestom vo vnútri a výsledná para tlačila piest nahor. Keď para ochladzovala a kondenzovala, piest sa pod vplyvom atmosférického tlaku pohyboval smerom nadol. Prostredníctvom systému blokov teda mohol Papenov stroj poháňať rôzne mechanizmy, ako napríklad čerpadlá.
Anglický vynálezca Thomas Newcomen (1663 - 1729) poznal parné stroje Saveryho a Papena, ktorý často navštevoval bane v Západnej krajine, kde pracoval ako kováč, a preto dobre chápal, aké spoľahlivé čerpadlá sú potrebné na zabránenie mínam. zo záplav. V snahe postaviť lepší model spojil sily s inštalatérom a sklenárom Johnom Culleym. Ich prvý parný stroj bol inštalovaný v bani v Staffordshire v roku 1712.
Rovnako ako v Papenovom stroji sa piest pohyboval vo zvislom valci, ale celkovo bol Newcomenov stroj oveľa vyspelejší. Aby sa odstránila medzera medzi valcom a piestom, Newcomen pripevnil na jeho koniec pružný kožený disk a nalial naň trochu vody.
Para z kotla vstúpila do spodnej časti valca a zdvihla piest nahor. Pri vstreknutí studenej vody do valca para kondenzovala, vo valci sa vytvorilo vákuum a pod vplyvom atmosférického tlaku spadol piest. Tento spätný zdvih odstránil vodu z valca a pomocou reťaze spojenej s vahadlom, ktoré sa pohybovalo ako hojdačka, zdvihol tyč čerpadla nahor. Keď bol piest na dne svojho zdvihu, para opäť vstúpila do valca a pomocou protizávažia pripevneného na tyči čerpadla alebo vahadle sa piest zdvihol do pôvodnej polohy. Potom sa cyklus opakoval.
Newcomenov stroj sa na tú dobu ukázal ako mimoriadne úspešný a v celej Európe sa používal viac ako 50 rokov. Používal sa na čerpanie vody z mnohých baní vo Veľkej Británii. Išlo o prvý veľkosériový výrobok v histórii techniky (vyrobilo sa niekoľko tisíc kusov).
V roku 1740 stroj s valcom dlhým 2,74 m a priemerom 76 cm dokončil za jeden deň prácu, ktorú predtým družstvá s 25 mužmi a 10 koňmi, pracujúcimi na smeny, zvládli za týždeň.
V roku 1775 ešte väčší stroj zostrojený Johnom Smeatonom (tvorcom majáku Eddystone) vyprázdnil dok v ruskom Kronštadte za dva týždne. Predtým to pri použití vysokých veterných turbín trvalo celý rok.
A predsa, Newcomenovo auto nebolo ani zďaleka dokonalé. Na mechanickú energiu premieňal len asi 1 % tepelnej energie a v dôsledku toho spotreboval obrovské množstvo paliva, čo však pri práci stroja v uhoľných baniach veľmi nevadilo.
Celkovo zohrali Newcomenove stroje obrovskú úlohu pri zachovaní uhoľného priemyslu. S ich pomocou sa podarilo obnoviť ťažbu uhlia v mnohých zatopených baniach.
O Newcomenovom vynáleze sa dá povedať, že to bol skutočne parný stroj, alebo skôr paro-atmosférický stroj. Od predchádzajúcich prototypov parných strojov sa odlišoval týmto:
* hnacou silou v ňom bol atmosférický tlak a zriedenie sa dosiahlo kondenzáciou pary;
* vo valci bol piest, ktorý pod vplyvom pary vykonával pracovný zdvih;
* vákuum bolo dosiahnuté v dôsledku kondenzácie pary, keď bola do valca vstreknutá studená voda.
Preto je v skutočnosti vynálezcom parného stroja právom Angličan Thomas Newcomen, ktorý svoj parno-atmosferický motor vyvinul v roku 1712 (pol storočia pred Wattom).
Pri krátkom exkurzii do histórie vzniku parných strojov nemožno opomenúť osobnosť nášho vynikajúceho krajana Ivana Ivanoviča Polzunova (1729-1766), ktorý zostrojil parno-atmosferický stroj skôr ako James Watt. Ako mechanik v banských závodoch Kolyvano-Voskresensky v Altaji 25. apríla 1763 navrhol projekt a popis „požiarneho stroja“. Projekt sa dostal na stôl šéfovi tovární, ktorý ho schválil a poslal do Petrohradu, odkiaľ čoskoro prišla odpoveď: „... Tento jeho vynález by sa mal oceniť ako nový vynález.“
Polzunov navrhol najprv postaviť malý stroj, na ktorom by bolo možné identifikovať a odstrániť všetky nedostatky nevyhnutného v novom vynáleze. Vedenie továrne s tým nesúhlasilo a rozhodlo sa okamžite postaviť obrovský stroj na výkonné dúchadlo. V apríli 1764 začal Polzunov so stavbou stroja 15-krát výkonnejšieho ako projekt z roku 1763.
Myšlienku paro-atmosférického motora prevzal z knihy I. Schlattera „Podrobné pokyny pre ťažbu...“ (Petrohrad, 1760).
Polzunovov motor sa však zásadne líšil od anglických automobilov Savery a Newcomen. Boli jednovalcové a vhodné len na čerpanie vody z baní. Polzunovov dvojvalcový kontinuálny motor mohol dodávať výbuch do pece a odčerpávať vodu. Vynálezca dúfal, že ho v budúcnosti prispôsobí iným potrebám.
Konštrukciou stroja bol poverený Polzunov, na pomoc boli pridelení „dvaja z miestnych remeselníkov, ktorí to nepoznajú, ale majú len jeden sklon“ a niekoľko pomocných robotníkov. S týmto „personálom“ Polzunov začal stavať svoje auto. Stavba trvala rok a deväť mesiacov. Keď už stroj prešiel prvým testom, vynálezca ochorel na prechodnú spotrebu a zomrel 16. (28. mája) 1766, niekoľko dní pred záverečnými testami.
23. mája 1766 začali Polzunovovi študenti Levzin a Černitsyn sami záverečné skúšky parného stroja. „Day Note“ zo 4. júla zaznamenal „hladký chod stroja“ a 7. augusta 1766 bol celý závod, parný stroj a silné dúchadlo uvedené do prevádzky. Len za tri mesiace prevádzky Polzunovov stroj nielen odôvodnil všetky náklady na jeho výstavbu vo výške 7233 rubľov 55 kopeckov, ale priniesol aj čistý zisk 12640 rubľov 28 kopeckov. Avšak 10. novembra 1766, po vyhorení kotla motora, stál 15 rokov, 5 mesiacov a 10 dní nečinný. V roku 1782 bolo auto demontované. (Encyklopédia územia Altaj. Barnaul. 1996. T. 2. S. 281-282; Barnaul. Kronika mesta. Barnaul. 1994. časť 1. s. 30).
V tom istom čase James Watt pracoval na vytvorení parného stroja v Anglicku. V roku 1763 bol ako univerzitný mechanik požiadaný o opravu univerzitného modelu parného stroja T. Newcomena.
Watt sa pri ladení univerzitného modelu paro-atmosferického stroja T. Newcomena presvedčil o nízkej účinnosti takýchto strojov. Dostal nápad vylepšiť parametre parného stroja. Bolo mu jasné, že hlavným nedostatkom Newcomenovho stroja je striedavé zahrievanie a chladenie valca. Ako sa tomu dá vyhnúť? Odpoveď prišla Wattovi na jarnú nedeľu v roku 1765. Uvedomil si, že valec môže zostať neustále horúci, ak sa para pred kondenzáciou odvedie do samostatnej nádrže cez potrubie s ventilom. V tomto prípade prenesenie procesu kondenzácie pary mimo valca by malo pomôcť znížiť spotrebu pary. Navyše, valec môže zostať horúci a kondenzátor studený, ak je jeho vonkajšok pokrytý izolačným materiálom.
Vylepšenia, ktoré Watt urobil na parnom stroji (odstredivý regulátor, samostatný parný kondenzátor, tesnenia atď.), nielen zvýšili účinnosť stroja, ale nakoniec zmenili parno-atmosférický stroj na parný stroj, a čo je najdôležitejšie, stroj sa stal ľahko ovládateľný.
V roku 1768 požiadal o patent na svoj vynález. V roku 1769 dostal patent, no dlho nedokázal zostrojiť parný stroj. A až v roku 1776, s finančnou podporou Dr. Rebecka, zakladateľa prvého hutníckeho závodu v Škótsku, bol konečne zostrojený a úspešne otestovaný Wattov parný stroj.
Prvý Wattov stroj sa ukázal byť dvakrát účinnejší ako Newcomenov stroj. Je zaujímavé, že vývoj, ktorý nasledoval po pôvodnom vynáleze Newcomena, bol založený na koncepte „kapacity“ motora, čo znamenalo počet stop-libier vody, ktoré boli prečerpané na bušel uhlia. Teraz nie je známe, kto prišiel s nápadom na túto jednotku. Tento muž sa nezapísal do dejín vedy, ale pravdepodobne to bol nejaký utiahnutý majiteľ bane, ktorý si všimol, že niektoré motory pracujú efektívnejšie ako iné, a nemohol dovoliť, aby susedná baňa mala vyššiu produkciu.
A hoci testy stroja boli úspešné, počas jeho ďalšej prevádzky sa ukázalo, že Wattov prvý model nebol úplne úspešný a spolupráca s Rebeckom bola prerušená. Napriek nedostatku financií Watt pokračoval v práci na vylepšení parného stroja. Jeho práca vzbudila záujem Matthewa Boultona, inžiniera a bohatého výrobcu, majiteľa kovospracujúceho závodu v Soho neďaleko Birminghamu. V roku 1775 Watt a Boulton uzavreli dohodu o partnerstve.
V roku 1781 dostal James Watt patent na vynález druhého modelu svojho stroja. Medzi zavedené inovácie a následné modely patrili:
* dvojčinný valec, v ktorom bola para privádzaná striedavo na opačných stranách piestu, pričom výfuková para vstupovala do kondenzátora;
* tepelný plášť, ktorý obklopuje pracovný valec na zníženie tepelných strát, a cievka;
* transformácia vratného pohybu piestu na rotačný pohyb hriadeľa, najskôr pomocou ojnicového kľukového mechanizmu a potom pomocou ozubeného prevodu, ktorý bol prototypom planétovej prevodovky;
* odstredivý regulátor na udržanie konštantnej rýchlosti hriadeľa a zotrvačník na zníženie nerovnomerného otáčania.
V roku 1782 bol zostrojený tento pozoruhodný stroj, prvý univerzálny „dvojčinný“ parný stroj. Watt vybavil kryt valca nedávno vynájdeným olejovým tesnením, ktoré zaisťovalo voľný pohyb piestnice, ale zabraňovalo úniku pary z valca. Para vstupovala do valca striedavo z jednej strany piestu a potom z druhej, čím sa vytvorilo vákuum na opačnej strane valca. Piest preto robil pracovný aj spätný zdvih pomocou pary, čo u predchádzajúcich strojov nebolo.
V roku 1782 tiež James Watt zaviedol princíp expanzného pôsobenia, pričom rozdelil tok pary vo valci na začiatku svojho toku tak, aby sa zvyšok cyklu začal rozširovať pod vlastným tlakom. Akcia expanzie znamená určitú stratu výkonu, ale zvýšenie "výkonu". Zo všetkých týchto myšlienok bola Wattova najužitočnejšia myšlienka expanznej akcie. Pri jeho ďalšej praktickej realizácii bol veľmi nápomocný indikátorový diagram, ktorý okolo roku 1790 vytvoril Wattov asistent James Southern.
Indikátorom bolo záznamové zariadenie, ktoré bolo možné pripevniť k motoru za účelom zaznamenávania tlaku vo valci v závislosti od objemu pary vstupujúcej počas daného zdvihu. Plocha pod takouto krivkou bola mierou práce vykonanej v danom cykle. Indikátor slúžil na čo najefektívnejšie vyladenie motora. Práve tento diagram sa neskôr stal súčasťou slávneho Carnotovho cyklu (Sadi Carnot, 1796-1832) v teoretickej termodynamike.
Keďže v dvojčinnom parnom stroji vykonávala piestna činnosť ťah a tlačenie, musel byť prerobený doterajší pohonný systém reťazí a vahadiel, ktoré reagovali len na ťah. Watt vyvinul systém spriahnutých tyčí a použil planetárny mechanizmus na premenu vratného pohybu piestnej tyče na rotačný pohyb, na meranie tlaku pary použil ťažký zotrvačník, odstredivý regulátor otáčok, kotúčový ventil a tlakomer.
Univerzálny dvojčinný parný stroj s plynulou rotáciou (Wattov parný stroj) sa rozšíril a zohral významnú úlohu pri prechode na strojovú výrobu.
„Rotačný parný stroj“ patentovaný Jamesom Wattom bol najskôr široko používaný na pohon strojov a krosien spriadacích a tkáčskych tovární a neskôr aj iných priemyselných podnikov. To viedlo k prudkému zvýšeniu produktivity práce. Od tohto momentu Briti počítali so začiatkom veľkej priemyselnej revolúcie, ktorá vyniesla Anglicko na popredné miesto vo svete.
Motor Jamesa Watta bol vhodný pre každé auto a vynálezcovia samohybných mechanizmov to rýchlo využili. Takto prišiel na prepravu parný stroj (Fultonov parník, 1807; Stephensonova parná lokomotíva, 1815). Anglicko sa vďaka svojej výhode v dopravných prostriedkoch stalo vedúcou mocnosťou sveta.
V roku 1785 si Watt patentoval vynález novej kotlovej pece a v tom istom roku bol jeden z Wattových strojov inštalovaný v Londýne v pivovare Samuela Whitbreada na mletie sladu. Stroj vykonal prácu namiesto 24 koní. Priemer jeho valca bol 63 cm, zdvih piesta 1,83 m a priemer zotrvačníka 4,27 m. Stroj prežil dodnes a dnes ho možno vidieť v akcii v Powerhouse Museum v Sydney.
Spoločnosť Boulton and Watt, založená v roku 1775, zažila všetky peripetie osudu, od poklesu dopytu po jej produktoch až po ochranu svojich práv na vynálezy na súdoch. Od roku 1783 však išli záležitosti tejto spoločnosti, ktorá monopolizovala výrobu parných strojov, do kopca. James Watt sa teda stal veľmi bohatým mužom a Watt poskytol veľmi, veľmi významnú pomoc Pneumatickému lekárskemu inštitútu Thomasa Beddoesa (Beddoes, Thomas, 1760-1808), s ktorým začal v tom čase spolupracovať.
Napriek svojej energickej aktivite pri vytváraní parných strojov Watt odišiel zo svojej pozície na univerzite v Glasgowe až v roku 1800. 8 rokov po svojej rezignácii založil „Wattovu cenu“ pre najlepších študentov a učiteľov univerzity. Jeho meno začalo niesť univerzitné technické laboratórium, v ktorom začal svoju činnosť. Meno Jamesa Watta nesie aj vysoká škola v Greenocku (Škótsko), rodnom meste vynálezcu.
Evolúcia parného stroja od J. Watta
1774 Steam
kalové čerpadlo 1781 Parný stroj
s krútiacim momentom na hriadeli 1784 Parný motor
duálne pôsobenie s KShM
Je zaujímavé, že Watt svojho času navrhol takú jednotku ako „konskú silu“ ako jednotku výkonu. Táto merná jednotka prežila dodnes. V Anglicku, kde je Watt uctievaný ako priekopník priemyselnej revolúcie, sa však rozhodli inak. V roku 1882 sa Britská asociácia inžinierov rozhodla pomenovať po ňom jednotku moci. Teraz je možné meno James Watt prečítať na akejkoľvek žiarovke. Bolo to prvýkrát v histórii technológie, kedy merná jednotka dostala svoj vlastný názov. Od tohto incidentu sa začala tradícia priraďovania vlastných mien k merným jednotkám.
Watt žil dlhý život a zomrel 19. augusta 1819 v Heathfielde pri Birminghame. Na pomníku Jamesa Watta je napísané: „Zvýšila moc človeka nad prírodou“. Takto hodnotili činnosť slávneho anglického vynálezcu súčasníci.
Článok publikovaný 19.05.2014 05:36 Posledná úprava 19.05.2014 05:58História vývoja parného stroja je dostatočne podrobne popísaná v tomto článku. Tu sú najznámejšie riešenia a vynálezy z rokov 1672-1891.
Prvý vývoj.
Začnime tým, že ešte v sedemnástom storočí sa para začala považovať za prostriedok pohonu, robili sa s ňou všelijaké pokusy a až v roku 1643 Evangelista Torricelli objavil silový efekt tlaku pary. Christian Huygens o 47 rokov neskôr skonštruoval prvý energetický stroj poháňaný výbuchom strelného prachu vo valci. Išlo o prvý prototyp spaľovacieho motora. Na podobnom princípe je založený stroj na príjem vody opáta Hautefeyho. Čoskoro sa Denis Papin rozhodol nahradiť silu výbuchu menej silnou silou pary. V roku 1690 postavil prvý parný stroj, známy aj ako parný kotol.
Pozostával z piestu, ktorý sa pomocou vriacej vody posúval vo valci nahor a následným ochladzovaním opäť klesal – tak vznikla sila. Celý proces prebiehal takto: pod valec bola umiestnená pec, ktorá súčasne slúžila ako kotol; Keď bol piest v hornej polohe, pec sa posunula späť, aby sa uľahčilo chladenie.
Neskôr dvaja Angličania, Thomas Newcomen a Cowley – jeden kováč, druhý sklenár – vylepšili systém oddelením kotla a valca a pridaním nádrže so studenou vodou. Tento systém fungoval pomocou ventilov alebo kohútikov, jedného pre paru a druhého pre vodu, ktoré sa striedavo otvárali a zatvárali. Potom Angličan Beighton prestaval ovládanie ventilov na skutočne hodinové.
Aplikácia parných strojov v praxi.
Newcomenov stroj sa čoskoro stal známym všade a najmä bol vylepšený dvojčinným systémom vyvinutým Jamesom Wattom v roku 1765. Teraz Parný motor sa ukázal byť dostatočne kompletný na použitie vo vozidlách, hoci vzhľadom na jeho veľkosť bol vhodnejší pre stacionárne inštalácie. Watt navrhol svoje vynálezy aj v priemysle; staval aj stroje pre textilné továrne.
Prvý parný stroj používaný ako dopravný prostriedok vynašiel Francúz Nicolas Joseph Cugnot, inžinier a amatérsky vojenský stratég. V roku 1763 alebo 1765 vytvoril auto, ktoré dokázalo odviezť štyroch pasažierov pri priemernej rýchlosti 3,5 a maximálnej rýchlosti 9,5 km/h. Po prvom pokuse nasledoval druhý - objavilo sa vozidlo na prepravu zbraní. Prirodzene, bol testovaný armádou, ale z dôvodu nemožnosti dlhodobej prevádzky (nepretržitý prevádzkový cyklus nového stroja nepresiahol 15 minút) sa vynálezcovi nedostalo podpory úradov a finančníkov. Medzitým sa v Anglicku zdokonaľoval parný stroj. Po niekoľkých neúspešných pokusoch Moora, Williama Murdocha a Williama Symingtona na základe Wattovho auta sa objavilo koľajové vozidlo Richarda Travisicka, ktoré objednala waleská uhoľná baňa. Na svet prišiel aktívny vynálezca: z podzemných baní sa zdvihol k zemi a v roku 1802 predstavil ľudstvu silné osobné auto, ktoré dosahovalo rýchlosť 15 km/h na rovine a 6 km/h na kopci.
Náhľad - kliknutím zväčšíte.
Vozidlá poháňané parou sa v Spojených štátoch čoraz viac používali: Nathan Reed prekvapil obyvateľov Philadelphie v roku 1790 svojím model parného auta. Ešte slávnejším sa však stal jeho krajan Oliver Evans, ktorý o štrnásť rokov neskôr vynašiel obojživelné vozidlo. Po napoleonských vojnách, počas ktorých sa neuskutočňovali „automobilové experimenty“, sa opäť začalo pracovať vynález a zdokonalenie parného stroja. V roku 1821 sa dal považovať za dokonalý a celkom spoľahlivý. Odvtedy každý pokrok vo vozidlách poháňaných parou určite prispel k vývoju budúcich automobilov.
V roku 1825 zorganizoval Sir Goldsworth Gurney prvú osobnú linku na 171 km úseku z Londýna do Bath. Zároveň používal koč, ktorý si patentoval a ktorý mal parný stroj. Tým sa začala éra rýchlostných cestných povozov, ktoré však v Anglicku zanikli, no rozšírili sa v Taliansku a Francúzsku. Najvyšší rozvoj dosiahli takéto vozidlá, keď sa v roku 1873 objavila „Reverance“ Amédée Ballet s hmotnosťou 4 500 kg a „Mancel“ – kompaktnejší, vážiaci niečo vyše 2 500 kg a dosahujúci rýchlosť 35 km/h. Obaja boli predzvesťou druhu výkonovej technológie, ktorá sa stala charakteristickou pre prvé „skutočné“ autá. Napriek vysokej rýchlosti účinnosť parného stroja bol veľmi malý. Bolle bol ten, kto si dal patentovať prvý dobre fungujúci systém riadenia a ovládacie a ovládacie prvky usporiadal tak dobre, že to na prístrojovom paneli vidíme dodnes.
Náhľad - kliknutím zväčšíte.
Napriek obrovskému pokroku vo vývoji spaľovacieho motora, parný pohon stále zabezpečoval rovnomernejší a plynulejší chod auta, a preto mal mnoho priaznivcov. Rovnako ako Bolle, ktorý postavil iné ľahké autá, ako napríklad Rapide v roku 1881 s rýchlosťou 60 km/h, Nouvelle v roku 1873, ktorý mal prednú nápravu s nezávislým zavesením kolies, Leon Chevrolet uviedol na trh v rokoch 1887 až 1907 niekoľko automobilov s ľahký a kompaktný parný generátor, patentovaný ním v roku 1889. Spoločnosť De Dion-Bouton, založená v Paríži v roku 1883, vyrábala autá na parný pohon prvých desať rokov svojej existencie a dosiahla v tom významný úspech – jej autá vyhrali v roku 1894 preteky Paríž – Rouen.
Náhľad - kliknutím zväčšíte.
Úspech Panharda et Levassora v používaní benzínu však viedol k tomu, že De Dion prešiel na spaľovacie motory. Keď bratia Bolleovci prevzali firmu svojho otca, urobili to isté. Potom Chevrolet obnovil svoju výrobu. Autá poháňané parou mizli z obzoru čoraz rýchlejšie, hoci sa v Spojených štátoch používali už pred rokom 1930. V tomto momente sa výroba zastavila a vynález parných strojov
Možnosti využitia parnej energie boli známe už na začiatku nášho letopočtu. Potvrdzuje to zariadenie s názvom Heronian aeolipile, ktoré vytvoril starogrécky mechanik Heron z Alexandrie. Staroveký vynález možno pripísať parnej turbíne, ktorej guľa sa otáčala silou prúdov vodnej pary.
V 17. storočí bolo možné použiť paru na pohon motorov. Tento vynález sa dlho nepoužíval, no výrazne prispel k rozvoju ľudstva. Okrem toho je história vynálezu parných strojov veľmi fascinujúca.
koncepcia
Parný stroj pozostáva z tepelného motora s vonkajším spaľovaním, ktorý využíva energiu vodnej pary na vytvorenie mechanického pohybu piestu, ktorý zase otáča hriadeľ. Výkon parného stroja sa zvyčajne meria vo wattoch.
História vynálezu
História vynálezu parných strojov je spojená s poznatkami starovekej gréckej civilizácie. Diela tejto doby dlho nikto nepoužíval. V 16. storočí sa uskutočnil pokus o vytvorenie parnej turbíny. V Egypte na tom pracoval turecký fyzik a inžinier Takiyuddin al-Shami.
Záujem o tento problém sa znovu objavil v 17. storočí. V roku 1629 Giovanni Branca navrhol vlastnú verziu parnej turbíny. Vynálezy však stratili veľké množstvo energie. Ďalší vývoj si vyžadoval vhodné ekonomické podmienky, ktoré sa objavili neskôr.
Denis Papin je považovaný za prvého, kto vynašiel parný stroj. Vynálezom bol valec s piestom, ktorý stúpa v dôsledku pary a klesá v dôsledku jej kondenzácie. Zariadenia Saveryho a Newcomena (1705) mali rovnaký princíp činnosti. Zariadenie slúžilo na odčerpávanie vody z diel pri ťažbe.
Wattovi sa v roku 1769 podarilo zariadenie konečne vylepšiť.
Vynálezy Denisa Papina
Denis Papin bol vyštudovaný lekár. Narodil sa vo Francúzsku a v roku 1675 sa presťahoval do Anglicka. Je známy mnohými svojimi vynálezmi. Jedným z nich je tlakový hrniec, ktorý sa nazýval „Papenov kotol“.
Dokázal identifikovať vzťah medzi dvoma javmi, a to teplotou varu kvapaliny (vody) a výsledným tlakom. Vďaka tomu vytvoril utesnený kotol, vo vnútri ktorého bol zvýšený tlak, čo spôsobilo, že voda vrela neskôr ako zvyčajne a zvýšila sa teplota spracovania produktov v ňom umiestnených. Tým sa zvýšila rýchlosť varenia.
V roku 1674 vytvoril medicínsky vynálezca motor na pušný prach. Jeho práca spočívala v tom, že keď sa pušný prach vo valci zapálil, piest sa pohol. Vo valci sa vytvorilo slabé vákuum a atmosférický tlak vrátil piest na svoje miesto. V tomto prípade vytvorené plynné prvky vystupovali cez ventil a zvyšné sa ochladzovali.
Do roku 1698 sa Papenovi podarilo vytvoriť jednotku využívajúcu rovnaký princíp, ktorý nepracuje na pušnom prachu, ale na vode. Tak vznikol prvý parný stroj. Napriek výraznému pokroku, ku ktorému mohla myšlienka viesť, nepriniesla svojmu vynálezcovi výrazné výhody. Bolo to spôsobené skutočnosťou, že predtým iný mechanik, Savery, už patentoval parné čerpadlo a v tom čase ešte nebola vynájdená žiadna iná aplikácia pre takéto jednotky.
Denis Papin zomrel v Londýne v roku 1714. Napriek tomu, že vynašiel prvý parný stroj, odišiel z tohto sveta v núdzi a osamelosti.
Vynálezy Thomasa Newcomena
Z hľadiska dividend dopadol úspešnejší Angličan Newcomen. Keď Papin vytvoril svoj stroj, Thomas mal 35 rokov. Starostlivo študoval prácu Saveryho a Papina a dokázal pochopiť nedostatky oboch návrhov. Od nich prevzal všetky najlepšie nápady.
Už v roku 1712 v spolupráci so sklárskym a inštalatérskym majstrom Johnom Culleym vytvoril svoj prvý model. Takto pokračovala história vynálezu parných strojov.
Vytvorený model možno stručne vysvetliť takto:
- Konštrukcia kombinovala vertikálny valec a piest, ako má Papin.
- Tvorba pary prebiehala v samostatnom kotli, ktorý fungoval na princípe stroja Savery.
- Tesnosť v parnom valci bola dosiahnutá vďaka koži, ktorou bol piest potiahnutý.
Jednotka Newcomen získavala vodu z baní pomocou atmosférického tlaku. Stroj bol veľkých rozmerov a na prevádzku vyžadoval veľké množstvo uhlia. Napriek týmto nedostatkom sa Newcomenov model používal v baniach pol storočia. Dokonca umožnila znovuotvorenie baní, ktoré boli opustené v dôsledku zaplavenia podzemnou vodou.
V roku 1722 Newcomenov nápad dokázal svoju účinnosť tým, že odčerpal vodu z lode v Kronštadte len za dva týždne. Systém veterných mlynov by to mohol urobiť za rok.
Vzhľadom na to, že stroj bol vytvorený na základe starších verzií, anglický mechanik naň nemohol získať patent. Konštruktéri sa pokúsili využiť vynález na pohyb vozidla, no neúspešne. História vynálezu parných strojov sa tým neskončila.
Wattov vynález
James Watt bol prvý, kto vynašiel zariadenie, ktoré bolo kompaktné, ale dostatočne výkonné. Parný stroj bol prvý svojho druhu. Mechanik z University of Glasgow začal v roku 1763 opravovať Newcomenovu parnú jednotku. V dôsledku opravy si uvedomil, ako znížiť spotrebu paliva. Na to bolo potrebné udržiavať valec v neustále zahrievanom stave. Wattov parný stroj však nemohol byť pripravený, kým sa nevyriešil problém kondenzácie pary.
Riešenie prišlo, keď okolo práčovní prechádzal mechanik a všimol si, že spod krytov kotla vychádzajú oblaky pary. Uvedomil si, že para je plyn a musí sa pohybovať vo valci so zníženým tlakom.
Utesnením vnútra parného valca konopným lanom namočeným v oleji sa Wattovi podarilo eliminovať atmosférický tlak. Toto bol veľký krok vpred.
V roku 1769 dostal mechanik patent, ktorý uvádzal, že teplota motora v parnom stroji sa bude vždy rovnať teplote pary. Nešťastnému vynálezcovi to však nevyšlo podľa predstáv. Bol nútený dať do zástavy patent za dlhy.
V roku 1772 sa stretol s Matthewom Boltonom, ktorý bol bohatým priemyselníkom. Kúpil a vrátil Wattove patenty. Vynálezca sa vrátil do práce, podporovaný Boltonom. V roku 1773 bol Wattov parný stroj testovaný a ukázal, že spotreboval podstatne menej uhlia ako jeho náprotivky. O rok neskôr začala výroba jeho áut v Anglicku.
V roku 1781 sa vynálezcovi podarilo patentovať svoj ďalší výtvor – parný stroj na pohon priemyselných strojov. Všetky tieto technológie časom umožnia pohyb vlakov a parníkov pomocou pary. To úplne zmení život človeka.
Jedným z ľudí, ktorí mnohým zmenili život, bol James Watt, ktorého parný stroj urýchlil technologický pokrok.
Polzunovov vynález
Konštrukcia prvého parného stroja, ktorý mohol poháňať rôzne pracovné mechanizmy, vznikla v roku 1763. Vyvinul ho ruský mechanik I. Polzunov, ktorý pracoval v altajských banských závodoch.
Vedúci závodu bol oboznámený s projektom a dostal súhlas na vytvorenie zariadenia z Petrohradu. Polzunovov parný stroj bol uznaný a práca na jeho vytvorení bola zverená autorovi projektu. Tá chcela najskôr poskladať model v miniatúre, aby sa identifikovali a odstránili prípadné nedostatky, ktoré neboli viditeľné na papieri. Dostal však príkaz, aby začal s konštrukciou veľkého, výkonného stroja.
Polzunovovi boli pridelení pomocníci, z ktorých dvaja boli mechanicky naklonení a dvaja museli vykonávať pomocné práce. Vytvorenie parného stroja trvalo jeden rok a deväť mesiacov. Keď bol Polzunov parný stroj takmer pripravený, ochorel na spotrebu. Tvorca zomrel pár dní pred prvými testami.
Všetky akcie v stroji prebiehali automaticky, mohol pracovať nepretržite. Dokázalo sa to v roku 1766, keď Polzunovovi študenti vykonali posledné testy. O mesiac neskôr bolo zariadenie uvedené do prevádzky.
Auto nielen vrátilo vynaložené peniaze, ale svojim majiteľom poskytovalo aj zisk. Do jesene vytiekol kotol a práce sa zastavili. Agregát sa dal opraviť, ale vedenie továrne o to nemalo záujem. Auto bolo opustené a o desaťročie neskôr bolo demontované ako nepotrebné.
Princíp fungovania
Na prevádzku celého systému je potrebný parný kotol. Výsledná para expanduje a tlačí na piest, čo má za následok pohyb mechanických častí.
Princíp činnosti je možné lepšie preštudovať pomocou ilustrácie nižšie.
Bez toho, aby sme zachádzali do detailov, úlohou parného stroja je premieňať energiu pary na mechanický pohyb piestu.
Efektívnosť
Účinnosť parného stroja je určená pomerom užitočnej mechanickej práce vo vzťahu k vynaloženému množstvu tepla obsiahnutému v palive. Energia uvoľnená do prostredia ako teplo sa neberie do úvahy.
Účinnosť parného stroja sa meria v percentách. Praktická účinnosť bude 1-8%. Ak je k dispozícii kondenzátor a trasa toku je rozšírená, toto číslo sa môže zvýšiť až o 25 %.
Výhody
Hlavnou výhodou parných zariadení je, že kotol môže využívať ako palivo akýkoľvek zdroj tepla, uhlie aj urán. To ho výrazne odlišuje od spaľovacieho motora. V závislosti od typu posledne menovaného je potrebný určitý druh paliva.
História vynálezu parných strojov ukázala výhody, ktoré sú badateľné aj dnes, keďže ako ekvivalent pary možno využiť jadrovú energiu. Samotný jadrový reaktor nedokáže premeniť svoju energiu na mechanickú prácu, ale je schopný generovať veľké množstvo tepla. Práve ten sa používa na výrobu pary, ktorá dá auto do pohybu. Solárna energia sa dá využiť rovnakým spôsobom.
Lokomotívy poháňané parou fungujú dobre vo vysokých nadmorských výškach. Efektivita ich práce netrpí nízkym atmosférickým tlakom v horách. V horách Latinskej Ameriky sa stále používajú parné lokomotívy.
V Rakúsku a Švajčiarsku sa používajú nové verzie parných lokomotív na suchú paru. Vykazujú vysokú účinnosť vďaka mnohým vylepšeniam. Nevyžadujú údržbu a ako palivo spotrebúvajú ľahké ropné frakcie. V ekonomických ukazovateľoch sú porovnateľné s modernými elektrickými rušňami. Parné lokomotívy sú zároveň oveľa ľahšie ako ich dieselové a elektrické náprotivky. V horských oblastiach je to veľká výhoda.
Nedostatky
Medzi nevýhody patrí predovšetkým nízka účinnosť. K tomu treba prirátať objemnosť prevedenia a nízku rýchlosť. To sa prejavilo najmä po nástupe spaľovacieho motora.
Aplikácia
Už je známe, kto vynašiel parný stroj. Zostáva zistiť, kde boli použité. Až do polovice dvadsiateho storočia sa parné stroje používali v priemysle. Používali sa aj na železničnú a parnú dopravu.
Závody, ktoré prevádzkovali parné stroje:
- cukor;
- zápas;
- papierne;
- textilné;
- potravinárske podniky (v niektorých prípadoch).
K tejto výbave patria aj parné turbíny. S ich pomocou stále fungujú generátory elektriny. Asi 80 % svetovej elektriny sa vyrába pomocou parných turbín.
Svojho času vznikali rôzne druhy dopravy poháňané parným strojom. Niektoré sa pre nevyriešené problémy nezakorenili, iné fungujú dodnes.
Preprava poháňaná parou:
- automobil;
- traktor;
- bager;
- lietadlo;
- lokomotíva;
- plavidlo;
- traktor.
Toto je história vynálezu parných strojov. Pozrime sa stručne na úspešný príklad pretekárskeho auta Serpolle, ktorý bol vytvorený v roku 1902. Na súši vytvoril svetový rýchlostný rekord 120 km za hodinu. Preto boli parné autá konkurencieschopné s elektrickými a benzínovými kolegami.
V USA sa tak v roku 1900 vyrobilo najviac parných strojov. Na cestách sa nachádzali až do tridsiatych rokov dvadsiateho storočia.
Väčšina tohto druhu dopravy sa stala nepopulárnou po nástupe spaľovacieho motora, ktorého účinnosť je oveľa vyššia. Takéto autá boli hospodárnejšie, pričom boli ľahké a rýchle.
Steampunk ako trend éry parných strojov
Keď už hovoríme o parných strojoch, rád by som spomenul populárny trend - steampunk. Termín sa skladá z dvoch anglických slov – „steam“ a „protest“. Steampunk je typ sci-fi, ktorý sa odohráva v druhej polovici 19. storočia vo viktoriánskom Anglicku. Toto obdobie v histórii je často označované ako Age of Steam.
Všetky diela majú jednu charakteristickú črtu – rozprávajú o živote v druhej polovici 19. storočia, štýl rozprávania pripomína román H. G. Wellsa „Stroj času“. Príbehy opisujú mestskú krajinu, verejné budovy a technológie. Zvláštne miesto majú vzducholode, staré autá a bizarné vynálezy. Všetky kovové časti boli upevnené nitmi, keďže zváranie sa ešte nepoužívalo.
Pojem „steampunk“ vznikol v roku 1987. Jeho popularita je spojená s objavením sa románu „The Difference Engine“. Napísali ju v roku 1990 William Gibson a Bruce Sterling.
Na začiatku 21. storočia vyšlo v tomto smere niekoľko slávnych filmov:
- "Stroj času";
- "Liga výnimočných pánov";
- "Van Helsing".
K predchodcom steampunku patria diela Julesa Verna a Grigorija Adamova. Záujem o tento trend sa z času na čas prejavuje vo všetkých sférach života – od kina až po každodenné oblečenie.
História parných strojov siaha až do 1. storočia nášho letopočtu, kedy Herón Alexandrijský prvýkrát opísal aeolipile. O viac ako 1500 rokov neskôr, v roku 1551, osmanský vedec Takiyuddin al-Shami opísal primitívne turbíny poháňané parou a v roku 1629 urobil podobný objav Giovanni Branca. Týmito zariadeniami boli špízy na vyprážanie v pare alebo malé prevodové mechanizmy. V podstate takéto návrhy použili vynálezcovia na demonštráciu sily pary a dôkaz, že ju netreba podceňovať.
V roku 1700 čelili baníci veľkej výzve: čerpanie vody z hlbinných baní. Na pomoc prišla rovnaká sila pary. Pomocou parnej energie bolo možné čerpať vodu z baní. Táto aplikácia odomkla potenciálnu silu pary a viedla k vynálezu parného stroja. Neskôr sa objavili parné elektrárne. Hlavným princípom fungovania parných strojov je „kondenzácia vodnej pary na vytvorenie čiastočného vákua“.
Thomas Severi a prvé priemyselné motory
Thomas Severi ako prvý vynašiel v roku 1698 parné čerpadlo, bolo určené na čerpanie vody. Tento vynález sa často nazýva „požiarny stroj“ alebo motor na „zdvihnutie vody ohňom“. Parné čerpadlo, patentované spoločnosťou Severi, fungovalo varením vody, kým sa úplne nepremenila na paru. Potom každá kvapka pary stúpala do nádrže a v nádobe, kde bola pôvodne voda, sa vytvorilo vákuum. Toto vákuum slúžilo na čerpanie vody z hlbinných baní. Riešenie sa však ukázalo ako dočasné, pretože energia pary stačila len na čerpanie vody z hĺbky niekoľkých metrov. Ďalšou nevýhodou tejto konštrukcie bolo použitie tlaku pary na vytlačenie vody nasatej do nádrže. Tlak bol pre kotly príliš vysoký, čo spôsobilo množstvo prudkých výbuchov.
Nízkotlakové stroje
Vysoká spotreba uhlia vlastná Newcomenovým parným strojom bola znížená vďaka inováciám Jamesa Watta. Nízkotlakový strojný valec bol vybavený tepelnou ochranou, samostatným kondenzátorom a odvodňovacím mechanizmom pre skondenzovanú vodu. Spotreba uhlia v nízkotlakových strojoch sa tak znížila o viac ako 50 %.
Ivan Polzunov a prvý dvojvalcový parný stroj
Prvý parný stroj v Rusku vynašiel Ivan Polzunov. Jeho dvojvalcový parný stroj bol výkonnejší ako atmosférické anglické motory. Dosahovali výkon 24 kW. V Barnaulovom múzeu je vystavený model Polzunovovho dvojvalcového parného stroja.
Parný stroj Thomasa Newcomena
V roku 1712 Thomas Newcomen vynašiel parný stroj, ktorý bol z praktického hľadiska veľmi úspešný. Jeho model pozostával z piestu alebo valca, ktorý poháňal obrovský drevený blok na pohon vodného čerpadla. Spätný zdvih v stroji bol ovládaný gravitáciou, ktorá tlačila nadol koniec bloku zo strany čerpadla. Stroj Newcomen sa aktívne používal 50 rokov. Potom to bolo uznané ako neúčinné, pretože to vyžadovalo veľa energie na aktívne fungovanie. Valec bolo potrebné zahriať, pretože neustále chladol, v dôsledku čoho sa spálilo veľa paliva.
Vylepšenia od Jamesa Watta
James Watt urobil skutočnú revolúciu v histórii vývoja parných strojov zavedením samostatného kondenzátora do pôvodného dizajnu. Túto novinku predstavil v roku 1765. Ale až o 11 rokov neskôr bolo možné dosiahnuť dizajn, ktorý by sa dal použiť v priemyselnom meradle. Najväčším problémom pri realizácii Wattovho nápadu bola technológia na vytvorenie obrovského piesta na udržanie požadovaného množstva vákua. Ale technológia čoskoro urobila veľký pokrok a akonáhle patent získal dostatočné finančné prostriedky, Wattov parný stroj sa začal aktívne používať na železnici a lodiach. V Spojených štátoch bolo v rokoch 1897 až 1927 poháňaných parnými strojmi viac ako 60 000 automobilov.
Vysokotlakové stroje
V roku 1800 Richard Trevithick vynašiel vysokotlakové parné stroje. V porovnaní so všetkými predtým vynájdenými konštrukciami parných strojov bola táto možnosť najvýkonnejšia. Ale dizajn navrhnutý Oliverom Evansom bol skutočne úspešný. Bol založený na myšlienke poháňať motor parou, a nie kondenzáciou pary na vytvorenie vákua. Evans vynašiel prvý vysokotlakový, nekondenzačný parný stroj v roku 1805. Stroj bol stacionárny a vyvíjal 30 otáčok za minútu. Tento stroj sa pôvodne používal na pohon píly. Takéto stroje podporovali obrovské zásobníky vody, ktorá bola ohrievaná zdrojom tepla umiestneným priamo pod zásobníkom, čo umožňovalo efektívne vyrábať potrebné množstvo pary.
Tieto parné stroje čoskoro našli široké použitie v motorových člnoch a na železnici v roku 1802 a 1829. Takmer o pol storočia neskôr sa objavili prvé parné autá. Charles Algernon Parsons vynašiel prvú parnú turbínu v roku 1880. Začiatkom 20. storočia boli parné stroje široko používané v automobiloch a lodiarstve.
Cornish parné stroje
Richard Trevethick sa pokúsil vylepšiť parné čerpadlo, ktoré vynašiel Watt. Bol upravený na použitie v kotloch Cornish, ktoré vynašiel Trevethick. Účinnosť cornwallského parného stroja výrazne zlepšili William Sims, Arthur Woolf a Samuel Groose. Aktualizované cornwallské parné stroje pozostávali z izolovaných potrubí, motora a kotlov na zvýšenie účinnosti.
V kontakte s
