Parni stroj

Animacija parnega stroja z dvojnim delovanjem in centrifugalnim regulatorjem

Parni stroj je motor z zunanjim zgorevanjem, ki toplotno energijo vodne pare pretvarja v mehansko delo.

V parnih strojih je delovna tekočina (voda oziroma para) ločena od produktov zgorevanja. Idealen termodinamski proces, ki se uporablja za analizo delovanja parnega stroja, je Clausius-Rankinov cikel. V tem ciklu se voda s segrevanjem v parnem kotlu pretvori v paro, katere tlak je višji od zračnega tlaka. Para nato v valju potisne bat in s tem opravi mehansko delo. Para z znižanim tlakom se nato izpusti v ozračje ali kondenzira in črpa nazaj v parni kotel.

Izraz parni stroj se lahko nanaša na celoten sklop enot, vključno s parnim kotlom, na primer na parnih lokomotivah, ali samo na valj in bat ali turbino, na primer na strojih s prečnikom in stacionarnih parnih strojih. Posebne stroje, na primer parna kladiva in vrtalnike, žene para iz samostojnih parnih zalogovnikov.

Raba vodne pare za proizvodnjo mehanskega gibanja je stara več kot 2000 let. Prve naprave niso bile kdo ve kako uporabne. Prvi patent za parni stroj je dobil španski izumitelj Jerónimo de Ayanz leta 1606. Leta 1698 je Thomas Savery patentiral parno črpalko, v kateri je bila para v neposrednem stiku z vodo, katero je črpala. Saveryjeva črpalka je s kondenzacijo pare ustvarjala podtlak, ki je v črpalko posrkal vodo, sveža para pa jo je v naslednjem taktu potisnila iz črpalke. Prvi tržno zanimiv stroj je bil atmosferski parni stroj Thomasa Newcomena iz leta 1712, ki se je uporabljal za črpanje vode iz rudnikov.

Leta 1781 je James Watt patentiral parni stroj z zunanjim kondenzatorjem, ki je proizvajal stalno krožno gibanje. Stroj je imel deset konjskih moči in je lahko poganjal različne stroje. Stroji so bili lahko nameščeni povsod, kjer so bili na razpolago voda in premog ali drva in zato zelo uporabni. Do leta 1883 se je moč največjih strojev povečala na 10.000 konjskih moči. Stacionarni parni stroji so bili ključna gonilna sila industrijske revolucije. Newcomenovi in Wattovi atmosferski stroji so bili veliki v primerjavi z močjo, ki so jo proizvedli, kasnejši visokotlačni parni stroji pa so postali dovolj lahki, da so se lahko vgrajevali primer na traktorje in železniške lokomotive.

Parni stroji z dvojnim delovanjem so ostali prevladujoč vir moči do začetka 20. stoletja, ko so se dovolj razvili elektromotorji in motorji z notranjim zgorevanjem. Slednji so postopoma povsem nadomestili batne parne stroje. Če upoštevamo, da večino električne energije na svetu proizvedejo parne turbine, »parna doba«  še vedno traja in v mnogo večjem obsegu kot na začetku 20. stoletja.

Največji ohranjeni parni stroj v Sloveniji, verjetno pa tudi v Evropi, je iz leta 1893, in stoji na ozemlju nekdanjega rudnika živega srebra v Idriji.

Zgodovina

Prvi stroji in izboljšave

Heronov aeolipil

• Aelolipil ali Heronova buča, ki jo je opisal Heron Aleksandrijski v 1. stoletju n. št., se šteje za prvi dokumentirani parni stroj. Navor sta ustvarjala curka pare, ki sta iztekala iz buče.
• V Španskem kraljestvu je izumitelj Jerónimo de Ayanz y Beaumont leta 1606 dobil patent za preprosto črpalko, ki jo je gnala vodna para.
• Thomas Savery je leta 1698 patentiral prvi delujoči ognjeni stroj z eno konjsko močjo (750 W), ki je deloval pri zračnem tlaku. Stroj ni imel nobenega gibljivega dela ampak samo pipe. Bil je nekakšen toplotni sifon, v katerem se je vodna para iz kotla spustila v prazno posodo in kondenzirala. Nastali podtlak je posesal vodo iz zbiralnika na dnu rudnika. Stroj ni bil zelo učikovit in je lahko deloval samo do globine približno 9 metrov.
• Thomas Newcomen je leta 1712 razvil prvi tržno uspešem batni parni stroj s pet konjskimi močmi. Deloval je na osnovi kondenzacije pare v valju, ki je omogočila, da je zračni tlak potisnil bat v naprotno smer in prozvedel mehansko delo.
• James Watt je leta 1781 patentiral parni stroj z močjo 10 konjskih moči (7.500 W), ki je proizvajal neprekinjeno krožno gibanje. Bil je prvi, ki je deloval pri tlaku, malo višjem od zračnega tlaka. Njegov stroj je bil izboljšan Newcomenov stroj.
• Richard Trevithick je v letih 1797-1799 dodelal parni stroj do te mere, da je postal lahek in je deloval pri visokem tlaku. Stroj je bil dovolj majhen, da je bil uporaben tudi v manjših podjetjih na lokomotivah.

Parni stroji so se sprva uporabljali predvsem za pogon batnih črpalk, po izumu rotacijskega pogona, ki je premo gibanje pretvarjal v krožno, pa se je njihova uporabnost razširila na industrijo, najprej na predilnice iz tkalnice. Na začetku 19. stoletja so se začeli uporabljati tudi za pogon vodnih in kopenskih transportnih sredstev in postali gonilna sila industrijske revolucije.

Na razmerje moč/masa stroja je na splošno najbolj vplivala masa kotlov in kondenzatorjev. Razmerje je bilo mnogo manjše od razmerja v sodobnih motorjih z notranjim zgorevanjem. V vozilih so zato paro povsem izpodrinili motorji z notranjim zgorevanjem ali elektromotorji, medtem ko se večina električne energije še vedno proizvede preko parnih turbin. Od pare je zato posredno še vedno odvisna večina svetovne industrije.

Začetki

Drugi Papinov parni stroj, 1707

Zgodovina parnega motorja se je začela v 1. stoletju n. št. Prva dokumentirana naprava, ki je bila nekakšen parni stroj, je bil aeolipil, ki ga je opisal grški matematik Heron iz Aleksandrije. V naslednjih stoletjih je bilo izdelanih nekaj aeolipilu podobnih naprav, ki niso imele nobene uporabne vrednosti in so bile namenjene predvsem prikazu lastnosti pare. Enostavno parno turbino sta opisala arabski učenjak Taki al-Din leta 1551 in Giovanni Branca leta 1629. Jerónimo de Ayanz y Beaumont je leta 1606 pridobil patent za petdeset iznajdb, vključno s parno črpalko za črpanje vode iz rudnikov. Francoski izumitelj Denis Papin je razen Papinovega lonca leta 1690 izdelal tudi prvi parni stroj z batom, ki je lahko dvignil utež in s tem opravil nekaj koristnega dela.

Parne črpalke

Saveryjev stroj iz leta 1698

Prva naprava na parni pogon je bila vodna črpalka, ki jo je leta 1698 razvil Thomas Savery. Delovala je na osnovi kondenzacije pare. Kondenzacija je ustvarila podtlak, ki je dvignil vodo navzgor, v naslednjem taktu pa jo je para potisnila navzgor. Majhni stroji so delovali dosti dobro, veliki pa so bili problematični. Vodo so lahko dvignili samo do omejene višine in bili nagnjeni k eksplozijam kotlov. Do neke mere so bili uporabni v rudnikih, črpalnih postajah in za dovajanje vode na vodna kolesa, ki so gnala tekstilne stroje. Pomembna lastnost Saveryjevih strojev je bila njihova nizka cena. Njegov stroj je temeljito izboljšal portugalski znanstvenik Bento de Moura Portugal, »da je lahko deloval samostojno«, kot ga je opisal John Smeaton leta 1751. Stroje so proizvajali do poznega 18. stoletja. Eden od njih je dokumentirano deloval do leta 1820.

Batni parni stroji

Parni stroj Jacoba Leupolda iz leta 1720

Prvi tržno uspešen pravi stroj, ki je lahko ustvarjal energijo in jo prenašal delovne stroje, je bil atmosferski stroj, ki ga je izumil Thomas Newcomen okrog leta 1712. Bil je izboljšana Saveryjeva parna črpalka z batom, ki ga je predlagal že Papin. Stroj je bil relativno neučinkovit in se je uporabljal predvsem za črpanje vode. Deloval je z ustvarjanjem podtlaka s kondenzacijo pare nad batom v zaprtem valju. V rudnikih je lahko črpal vodo iz globin, ki so bile dotlej prevelike. V tovarnah, v katerih so stroje gnala vodna kolesa, je vodo izpod vodnih koles črpal v rezervoarje nad njimi.

Leta 1720 je Jacob Leupold izumil dvovaljni visokotlačni parni stroj. Izum je objavil v svojem obsežnem delu Theatri Machinarum Hydraulicarum. Stroj je imel dva masivna bata, ki sta gnala vodno črpalko. Bata sta se v izhodni položaj vračala s težnostjo. Njuno delovanje je krmilil vrtljiv štiripotni ventil, priključen neposredno na parni kotel.

Eden od prvih Wattovih parnih strojev za črpanje vode

Naslednji velik korak v razvoju parnih strojev je opravil James Watt, ki je v letih 1763-1775 izboljšal Newcomenov stroj, tako da mu je dodal kondenzator. Prvi stroji, ki jih je proizvedlo podjetje Boulton in Watt so porabili pol manj premoga kot Newcomenov stroj z enako močjo, ki ga je izboljšal John Smeaton. Vsi prvi stroji so bili atmosferski. To pomeni, da jih je gnal zračni tlak, ki je potisnil bat v prostor s podtlakom, ki ga je ustvarila kondenzacija pare. Ker je pritisk zraka relativno majhen, so morali biti bati temu primerno veliki.

Watt je še naprej razvijal svoj stroj in mu dodal planetni pogon, ki je premo gibanje spremenil v vrtenje, s čimer je stroj postal primeren za pogon tovarniških strojev. Stroj je omogočil gradnjo tovarn tudi v krajih, oddaljenih od vodnih tokov, kar je pospešilo tempo industrijske revolucije.

Visokotlačni stroji

Cornwalski parni stroj okrog leta 1877

Wattov patentirani parni kondenzator je preprečeval drugim proizvajalcem proizvodnjo visotlačnih in sestavljenih parnih strojev. Kmalu po izteku patenta leta 1800 sta začela Richard Trevithick in neodvisno od njega Oliver Evans leta 1801 proizvajati visokotlačne parne stroje. Trevithick je leta 1802 za svoj visokotlačni stroj dobil patent Evans pa je že pred tem izdelal nekaj delujočih modelov. Ti stroji so imeli veliko večjo moč od atmosferskih strojev z enakimi valji in lahko bili dovolj majhni za vgradnjo v vozila. Tehnološki razvoj strojev in izboljšave v tehnikah izdelave so dali še bolj učinkovite in zato manjše, hitrejše in močnejše stroje, prilagojene namenu uporabe.

Cornwalski stroj je razvil Trevithick s sodelavci v 1810. letih.Stroj je visokotlačno paro kondenziral samo do nizkotlačne pare in bil zato dokaj učinkovit. Ker sta bila njegovo gibanje in navor med ciklom neenakomerna, je bila njegova uporaba omejena na črpanje vode v rudnikih. Uporabljal se je do poznega 19. stoletja.

Horizontalni stacionarni stroj

Prvi konstruktorji stacionarnih parnih strojev so menili, da se bodo horizontalni valji prekomerno obrabljali in zato načrtovali stroje s pokončnim valjem. Sčasoma je postala bolj priljubljena horizontalna lega valja, ker je omogočala vgradnjo močnih, vendar kompaktnih strojev, v majhne prostore.

Vrhunski horizontalni parni stroj je patentiral Corliss leta 1848. Protitočni stroj s štirimi ventili je imel ločeno vpihavanje in izpuh pare in avtomatsko krmiljenje dotoka pare. Corliss je za stroj dobil Rumfordovo medaljo in ob tem izjavil, da »od Wattovih časov nihče ni tako povečal učinkovitosti parnega stroja«. Stroj je razen tega, da je porabil 30 % manj pare, z avtomatskim krmiljenjem zagotavljal bolj enakomerno hitrost in bil zato bolj primeren za rabo v industriji, zlasti v predilnicah bombaža.

Cestna vozila

Prvo eksperimentalno cestno vozilo na parni pogon so zgradili v poznem 18. stoletju. Parni stroji so postali uporabni za vgradnjo v cestna vozila šele po iznajdbi visokotlačnega parnega stroja okrog leta 1800. V prvi polovici 19. stoletja so zelo napredovali in bili v 1850. letih zreli za vgradnjo v cestna vozila. Razvoj je zavirala predvsem zakonodaja, ki je prepovedovala vgrajevanje parnih strojev v cestna vozila. Izboljšave v tehnologoji vozil so se nadaljevale od 1860. do 1920. let. Hiter razvoj motorjev z notranjim zgorevanjem v 20. stoletju je izpodrinil rabo parnih strojev, tako da je po drugi svetovni vojni para gnala samo še nekaj vozil. Veliko takšnih vozil so vzdrževali navdušenci in številni primerki so se ohranili do danes.

Plovila

Trostopenjski ladijski parni stroj iz leta 1907, vgrajen v vlačilcu Hercules

Proti koncu 19. stoletja so se začeli na široko uporabljati večstopenjski parni stroji. V njih se je izpušna para iz prvega valja vodila v naslednje vedno večje valje, ki so delovali pri vedno manjšem delovnem tlaku in izboljšali izkoristek stroja. Najpogostejši so bili stroji z dvema ali tremi valji. Vgrajevali so se predvsem v plovila, na katerih je bil izkoristek še kako pomemben zaradi omejene količine premoga. Parni stroji so ostali glavni ladijski pogonski stroji do zgodnjega 20. stoletja, ko so se začeli na ladje postopoma vgrajevati motorji z notranjim zgorevanjem in elektromotorji, kasneje pa parne turbine.

Parne lokomotive

Izumitelji so že v 18. stoletju večkrat poskušali vgraditi parni stroj v cestna in železniška vozila. Leta 1784 je škotski izumitelj William Murdoch izdelal prototip parne cestne lokomotive. V 1780. ali 1790. letih je delujoč model železniške lokomotive zasnoval in izdelal tudi ameriški izumitelj John Fitch, ki se je sicer ukvarjal s parniki.

Prvo uporabno parno lokomotivo je izdelal Britanec Richard Trevithick. Prva vožnja z neimenovano lokomotivo se je zgodila 21. februarja 1804 na tramvajski progi med železarno Pen-y-darren in Abercynonom v južnem Walesu. V lokomotivo so bile vgrajene številne pomembne novosti, vključno z rabo visototlačne pare, ki je zmajšala težo motorja in povečala njegovo učinkovitost. Industrijske železnice v premogovnikih v severovzhodni Angliji so postale glavno središče za preskušanje in razvoj parnih lokomotiv.

Trevithick je nadaljeval razvoj na treh lokomotivah in ga leta 1808 zaključil z lokomotivo Catch Me Who Can (Ujemi me, kdor more). Samo štiri leta kasneje je Matthew Murray izdelal lokomotivo Salamanca z uspešnim dvocilindskim parnim strojem. Imela je zobniški pogon in vozila po Middletonski železniški progi, prvi javni železniški progi na svetu, po kateri so vozile parne lokomotive. George Stephenson je leta 1825 za družbo Stockton and Darlington Railway izdelal lokomotivo Locomotion in leta 1829 s sinom Robertom Stephensonom lokomotivo The Rocket, ki je na tekmovanju v Rainhillu dosegla hitrost 46 km/h in zmagala. Od leta 1830 je redno vozila na progi Liverpool-Manchester.

Parne lokomotive so se na Kitajskem in v nekdanji Vzhodni Nemčiji proizvajale še v drugi polovici 20. stoletja.

• Razvoj parnih lokomotiv
• 
  Catch Me Who Can (1808)
• 
  Salamanca (1812)
• 
  Blücher (1814)
• 
  Locomotion No. 1 (1825)
• 
  Lancashire Witch (1828)
• 
  The Rocket (1829)
• 
  Vzhodnonemška lokomotiva razreda 52.80 (1960-1967), v uporabi približno do leta 1988

Parne turbine

Razvoj parnega stoja se je končal v poznem 19. stoletju z iznajdbo parne turbine, ki je mnogo bolj učinkovita v primeravi z batnimi parnimi stroji. Turbine dosežejo moč več sto kW, imajo manj gibljivih delov in dajejo krožno gibanje brez kakršnih koli vmesnih elementov. Parne turbine so zaradi mnogo večje učinkovitosti v proizvodnji električne energije že na začetku 20. stoletja skoraj v celoti zamenjale batne parne stroje. Parne turbine danes zagotavljajo večino električne energije in poganjajo večino velikih ladij.

Sedanji razvoj

Četudi recipročni parni stroji niso več v široki rabi, številne družbe preučujejo njihovo izkoriščanje kot alternativo motorjem z notranjim zgorevanjem. Švedska družba Energiprojekt AB je z rabo sodobnih gradiv povečala izkoristek visokotlačnih parnih strojev na 27-30%. Enostopenjski petvaljni stroj s pregreto paro porabi približno 4 kg pare za eno proizvedeno kWh energije.

Sestavni deli in oprema parnega stroja

Parni stroj ima dva osnovna sklopa: parni kotel in parni stroj v ožjem smislu. Stacionarni parni stroji v zgradbah imajo lahko parni kotel ločen od stroja. Prenosni ali prevozni parni stroji, na primer na parnih lokomotivah, imajo oba sklopa skupaj.

Batni parni stroji imajo običajno litoželezen valj z odprtinama za dotok in izpuh pare, bat, batnico, drog ali gred, vztrajnik in različne vezne elemente. Para se vpihava in izpušča preko enega ali več ventilov. Hitrost se regulira avtomatsko preko centrifugalnega regulatorja ali z ročnim ventilom. Stroji z zunanjim kondenzatorjem se razlikujejo od strojev z izpustom izrabljene pare na prosto.

K dodatni opremi spadajo črpalke za napajalno kotlovno vodo in črpalke za vračaje kondenčne vode, pregrevalniki pare, ki dvignejo temperaturo pare nad temperaturo vrelišča vode, in različni mehanizmi, povezani s kuriščem. Če se kot gorivo uporablja premog, ima kotel lahko verižni ali polžast mehanizem za avtomatsko doziranje premoga.

Viri toplote

Za segrevanje in uparjanje vode je na razpolago več virov energije. Najpogostejši vir so gorljive snovi (drva, premog, koks), ki s kisikom iz zraka zgorijo v zaprtem kurišču. V nekaterih primerih je vir toplote lahko jedrska, geotermalna in sončna energija ali odpadna energija motorjev z notranjim zgorevanjem in industrijskih procesov. V izjemnih primerih, na primer modelih ali igračah, je vir energije lahko tudi elektrika.

Kotli

Industrijski parni kotel za stacionarni parni stroj

Kotli so sestavljeni iz tlačne posode, v katerih se segreva in uparja voda, in mehanizma za prenos toplote z goriva na vodo.

Toplota se na vodo najpogosteje prenaša na dva načina:

• v vodocevnem kotlu teče voda po ceveh, ki jih obdajajo vroči plini;
• v plamenocevnem kotlu je v vodo potopljena ena ali več cevi, po kateri potujejo vroči plini.

Za proizvodnjo visokotlačne pare, na primer na lokomotivah, so se sprva uporabljali večinoma plamenocevni kotli, potem pa so jih v poznem 19. stoletju za pogon plovil in velike stacionarne parne stroje v veliki meri zamenjali bolj gospodarni vodocevni kotli.

Mnogo kotlov ima vgrajene pregrevalnike pare, ki mokro paro segrejejo in jo pretvorijo v pregreto paro. Pregrevanje preprečuje kondenzacijo pare in znatno poveča izkoristek stroja.

Motor

Parni stroj z batom, turbino ali kakšno drugo podobno napravo opravlja delo s paro z visoko temperaturo in tlakom in izpušča paro z nižjo temperaturo in nižjim tlakom. V mehansko delo poskuša pretvoriti čim večji del temperaturne in tlačne razlike.

Motor se povsem upravičeno imenuje parni stroj, čeprav deluje tudi na stisnjen zrak ali kakšen drug plin.

Ponor toplote

V vseh toplotnih strojih se večina vložene energije izpušča v okolje kot odpadna toplota z relativno nizko temperaturo.

Najenostavnejši ponor je izpust izrabljene pare v okolje. Takšen izpust se pogosto uporablja na parnih lokomotivah, na katerih se para izpušča v dimnik, s čimer se poveča vlek zraka skozi kurišče in s tem moč stroja, celoten izkoristek pa se zmanjša.

Odpadna toplota se včasih izkorišča kot taka. V takih primerih je celoten izkoristek vložene energije lahko zelo visok. Toplarne, ki odpadno toploto izkoriščajo na primer za komunalno ogrevanje, lahko dosežejo izkoristek preko 80%.

Če se odpadna toplota ne izkorišča kot taka, se kot ponor toplote uporabljajo površinski kondenzatorji, pogosto kot hladilni stolpi, ki za hlajenje uporabljajo morsko, rečno ali jezersko vodo. Kondenzirana para se kot vroča voda vrača v parni kotel, hladilna voda pa na mesto odvzema. V krajih s pomanjkanjem ali visoko ceno hladilne vode se uporabljajo vodni stolpi, podobni avtomobilskim hladilnikom.

Odpadna toplota se lahko porabi tudi v odprtih vodnih stolpih, v katerih nekaj hladilne vode izpari v zrak. Vodni stolpi porabijo manj hladilne vode kot kondenzatorji. Termoeklektrarna na premog z močjo 700 MW porabi v vodnih stolpih približno 3600 m³ vode na uro, v zaprtih kondenzatorjih pa bi je porabila približno dvajset krat več. Voda iz vodnih stolpov se ne sme vračati na mesto, kjer je bila odvzeta, hladilna voda iz zaprtih kondenzatorjev pa se lahko vrača.

Vodna črpalka

Injektor s curkom pare ustvari podtlak, ki posesa vodo in jo vbrizga v parni kotel; injektorji niso najbolj učinkoviti, vendar dovolj enostavni, da so bili primerni za parne lokomotive

Večina parnih strojev ima vodno črpalko za recikliranje ali dolivanje vode v kotel, tako da lahko teče neprekinjeno. Hišni in industrijski kotli pogosto uporabljajo večstopenjske centrifugalne črpalke, lahko tudi drugačne. Za nizkotlačne kotle se uporablja tudi injektor, ki za pogon rabi curek pare, ki jo dobi iz kotla. Injektorji so postali priljubljeni v 1850. letih, vendar se niso uporabljali prav dolgo, razen na parnih lokomotivah.

Nadziranje in krmiljenje

Richardov parni indikator iz leta 1875

Skoraj vsi parni stroji so bili zaradi varnosti opremljeni z mehanizmi, ki so kazali stanje v kotlu. Mednje sta spadala manometer in stekleno okence za opazovanje nivoja vode.

Večina stacionarnih in mobilnih parnih strojev je imela tudi centrifugalni regulator hitrosti, ki je deloval brez posegov strojnika.

Najbolj uporaben instrument za analiziranje delovanja parnih strojev je bil indikator parnega stroja. Prve indikatorje so začeli uporabljati leta 1851. Najuspešnejšega je za visokotlačne stroje razvil izumitelj Charles Richard in ga razstavil na Londonski razstavi leta 1862. Indikator je na papirju beležil tlak v valju med delovnim ciklom, iz katerega je bilo moč odkriti različne težave in izračunati trenutno moč stroja. Indikator so rutinsko uporabljali inženirji, strojniki in varnostni inšpektorji. Uporaben je bil tudi za motorje z notranjim zgorevanjem.

Centrifugalni regulator

Centrifugalni regulator; Boulton & Watt engine, 1788

Centrifugalni regulator je James Watt vgradil v parni stroj leta 1788, ko ga je njegov partner Boulton opazil v opremi enega od mlinov žita. Z njim se ni dalo vzdrževati stalne hitrosti, ker je bila odvisna od obremenitve. Regulator je lahko uravnaval samo majhne razlike, ki so nastale na primer zaradi nihanj tlaka v parnem kotlu. Regulator je ob vsaki spremembi hitrosti zanihal, zato ni bil primeren za operacije, ki so zahtevale konstantno hitrost, na primer predenje bombaža. Sčasoma se je dodelal in se je proti koncu 19. stoletja že dobro odzival na spremembe obremenitve in dobro vzdrževal konstantno hitrost.

Vrste strojev

Enostavni stroj

Enostavni parni stroj je stroj, v katerem proces poteka samo na eni strani bata, ne glede na to, koliko valjev ima. Izrabljena para se spušča v ozračje ali v kondenzator. Proces vpihavanja pare je adiabatna ekspanzija. Ker se v tem koraku v sistem ne dovede niti odvede nobene energije, se para in valj ohladita, ohlajanje in segrevanje v vsakem ciklu pa zmanjšuje učinkovitost stroja. Ker se je učinkovitost stroja poskušala povečati z večjim hodom bata, se je s tem povečala tudi ogrevana/ohlajana površino valja in s tem toplotne izgube.

Dvostopenjski ali sestavljeni stroj

Način, kako zmanjšati toplotne izgube v zelo dolgem valju, je leta 1804 izumil britanski inženir Arthur Woolf in leta 1805 patentiral Wolfov visokotlačni sestavljeni parni stroj. V tem stroju je primarna para vstopala v visokotlačni valj in iz njega v nizkotlačni valj. Proces, ki se je pred tem dogajal v enem dolgem valju, se je zdaj dogajal v dveh krajših. Toplotne izgube so se s tem zmanjšale, učinkovitost stroja pa temu primerno povečala. Zmanjšalo se je tudi nihanje navora in stroj je tekel bolj enakomerno. Nizkotlačni valj je moral imeti zaradi nižjega tlaka pare temu primerno večjo prostornino. Ker je bil hod batov v obeh valjih enak, je moral drugi valj imeti ustrezno večji premer.

Najpogostejši so bili stroji z dvema valjema. Druga stopnja je lahko imela namesto enega velikega valja dva manjša vzporedno povezana valja. Motor s tremi valji je imel približno enake premere valjev in ga je bilo laže uravnovesiti.

Stroji z dvema valjema so lahko bili

Delovanje protibatnega motorja

• vrstni, v katerih sta bila valja eden ob drugem,
• tandemski ali protibatni, v katerih sa se stikala konca valjev in sta imela skupen vezni drog,
• kotni, v katerih sta bila valja postavljena v obliki črke V; kot med njima je bil običajno 90° in sta imela skupno pogonsko gred.

V dvostopenjskih strojih, vgrajenih na lokomotivah, sta imela bata fazni zamik 90°. Če je imela lokomotiva dva parna stroja, je bil fazni zamik na posameznem stroju nastavljen na 180°, med strojema pa na 90°, tako da sta delovala kot štiritaktni motor. V trostopenjskih strojih je bil fazni zamik med prvim batom in drugima dvema običajno 135°, v nekaterih primerih pa 120°.

V industriji so bili dvostopenjski stroji dokaj pogosti, v cestnih vozilih in plovilih pa po letu 1880 skoraj izključni. Na lokomotivah niso bili najbolj priljubljeni, ker so se zdeli prezapleteni. Razlog za takšno mnenje, zlasti v Veliki Britaniji, so bili predvsem ostri vremenski pogoji, v katerih so delovale lokomotive, in omejen prostor. V drugih državah so bili bolj priljubljeni, vendar niso nikoli prevladovali.

Večstopenjski stroj

Delovanje tristopenjskega parnega stroja s faznim zamikom 120°

Logično nadaljevanje dvostopenjskega parnega stroja je bilo povečanje njegove učinkovitosti s povečanjem števila valjev. Večstopenjski stroji so imeli tri ali štiri ekspanzijske stopnje oziroma tri ali štiri valje z naraščajočimi premeri. Zasnovani so bili tako, da je vsaka stopnja doprinesla enak delež koristnega dela. Tudi v teh strojih se je lahko valj v nizkotlačni stopnji nadomestil z dvema manjšima. Stroji so bili praviloma vrstni, vendar so bile mogoče tudi drugačne razporeditve. V poznem 19. stoletju se je v nekaterih ladijskih strojih uporabljal Yarrow-Schlick-Tweedyjev uravnovešeni razpored valjev, v katerem je bila zadnja nizkotlačna ekspanzijska stopnja razdeljena na dva valja, vsakega na svojem koncu stroja. Pogonska gred je bila bolj uravnovešena, zato je stroj tekel bolj gladko, hitreje in z manj tresljaji. Takšni stroji so bili priljubljeni zlasti na potniških ladjah za dolge plovbe, dokler jih niso izpodrinile parne turbine. Turbine so zaradi doseganja večje hitrosti že pred prvo svetovno vojno začeli vgrajevati tudi v bojne ladje. Prva med njimi je bila HMS Dreadnought iz leta 1905.

Vrste pogonskih enot

Enostranski batni stroj

Drsni razvodnik pare:
1 - drsnik
2 - pogonski drog drsnika
3 - sedež drsnika
4 - parni kanal prednje strani bata
5 - parni kanal zadnje strani bata
6 - prostor z visokotlačno paro
7 - izpušni kanal

Graf odvisnosti tlaka pare [psi] od položaja bata [% maksimalnega odmika] v dvostranskem parnem stroju; na grafu so prikazani tudi štirje ključni dogodki

Enostranski batni parni stroj je stroj, v katerem proces poteka samo na eni strani bata, ne glede na to, koliko valjev ima. V večini takšnih strojev para v vsakem ciklu obrne svojo smer in vstopa in izstopa skozi isto odprtino. Izrabljena para se spušča v ozračje ali kondenzator. V ciklu se zgodijo štirje dogodki: vpihavanje pare, širjenje, izpuh in stiskanje. Dogodke krmili drsni razdelilnik pare ali sistem ventilov, ki sta vgrajena ob valju. Ventile krmili odmična gred ali kakšen drug mehanizem.

Najenostavnejši sistem krmiljenja vpiha in izpuha pare daje dogodke s fiksno dolžino in pogosto omogoča vrtenje v samo eno smer. Večina strojev ima povratni mehanizem, ki s skrajšanjem časa izpuha (ali še raje vpiha) prihrani nekaj pare in krmili hitrost in navor stroja. Cikel se v obeh primerih skrajša. Vpihavanje in izpuh pare krmili običajno isti ventil, zato v prekratkem času izpuha valja ne zapusti vsa para in ga zaradi prekomerne kompresije duši.

V 1840. in 1850. letih so poskušali problem rešiti z različnimi patentiranimi pogoni ventilov in razvodnikov pare. Slednji ima fiksen ali omejen izpust pare. S kombinacijo obeh se je stanje dokaj približalo idealnemu, vendar na račun povečanega trenja in obrabe. Mehanizem sam je bil precej zapleten.

Dušenje

Odprtina za izpuh pare se bičajno zapre malo preden se iz valja iztisne vsa para. V valju zato ostane nekaj izptrošene pare, ki se med vpihavanjem sveže pare stisne in ustvari parno blazino, ki hitro zmanjša hitrost bata in predčasno konča fazo širjenja. Parna blazina preprečuje tlačni in temperaturni šok, ki bi nastal ob nenadnem vnosu visokotlačne pare na začetku naslednjega cikla. Dušenje so kasneje dodelali z različnimi bolj ali manj zapletenimi mehanizmi za krmiljenje ventilov.

Enosmerni stroj

Shematski prikaz delovanja enosmernega parnega stroja; vstopne ventile za paro krmili odmična gred nad njima; visokotlačna para je pobarvana z rdečo, nizkotlačna pa z rumeno barvo

Težave, ki jih je v enostavnem batnem parnem stroju v vsakem ciklu povzročal mrtvi povratni hod bata, so poskušali rešiti z enosmernim parnim strojem. V enostavnem stroju se vstopni del in valj v vsakem ciklu ohladita, zato ju mora sveža para znova ogreti, kar povzroča toplotne izgube. V enosmernem parnem stroju so težavo odpravili tako, da so izpušno odprtino prestavili na sredino valja. Odpiral je je bat na koncu vsakega hoda. Para je zato tekla samo v eno smer. Tovrstni enostopenjski parni stroji so imeli enako moč kot klasični dvostopenjski stroji. Lastnosti strojev z močjo do 1000 konjskih moči so bile primerljive z lastnostmi parnih turbin. Težave je povzročal samo majhen termični ekspanzijski gradient vzdolž valja.

Parna turbina

Rotor sodobne parne turbine v termoelektrarni

Parna turbina je sestavljena iz enega ali več rotorjev (vrteči se diski), pričvrščenih na pogonsko gred, med katerimi so statorji (statični diski), pričvrščeni na ohišje turbine. Na rotorjih so na zunanjem robu letalskim propelerjem podobne lamele, na katere pritiska para in ustvarja vrtenje. Na statorju so podobne, vendar fiksne lamele, ki usmerjajo paro na naslednjo rotorsko stopnjo. Parna turbina se pogosto prazni v vodno hlajen kondenzator, v katerem parni injektor ustvarja podtlak. Stopnje parne turbine so zasnovane tako, da iz tlaka in hitrosti pare izvlečejo največjo možno količino koristnega dela. Ker tlak in hitrost pare z razdaljo padata, je vsak naslednji rotor temu ustrezno večji. Turbine so učinkovite samo pri relativno visokih hitrostih, zato so običajno priključene na reduktor, ki zmanjša hitrost na delovno hitrost na primer ladijskih vijakov. V večini velikih termoelektrarn so električni generatorji povezani s turbino brez vmesnega reduktorja. Tipična hitrost turbin je 3000 obr/min v Evropi in 3600 obr/min v ZDA. V jedrskih elektrarnah je hitrost turbin praviloma pol manjša, se pravi 1500 oziroma 1800 obr/min. Ker se turbine lahko vrtijo samo v eno smer, mora biti za spremembo smeri vrtenja v reduktor vgrajen menjalnik.

Turbinia – prva ladja na pogon s parno turbino

Parne turbine v nasprotju s parnimi stroji ne potrebujejo pretvornika premega gibanja v krožno gibanje, zato je obremenitev pogonske gredi bolj enakomerna. Gred se manj obrablja in zahteva manj vzdrževanja kot v primerljivem dvostranskem parnem stroju.

Najpomembnejše področje uporabe parnih turbin je proizvodnja električne energije. Leta 1990 se je na ta način proizvedlo 90 % svetovne proizvodnje električne energije. V zadnjem času je na račun velikih plinskih turbin njihov delež padel na približno 80 %.

V jedrskih elektrarnah se za pogon generatorjev uporabljajo skoraj izključno parne turbine. Na ladjah in podmornicah na jedrski pogon lahko parne turbine ženejo neposredno ladijski vijak in pomožni generator ali samo generator. V tem primeru ladijske vijake poganjajo elektromotorji. Za lokomotive je bilo proizvedenih samo nekaj parnih turbin, predvsem zaradi cenejših in enostavnejših dizelskih in električnih motorjev.

Delovanje enostavnega stroja z nihajočim valjem

Parni stroj z nihajočim valjem

Parni stroj z nihajočim valjem je različek enostavnega batnega parnega stroja, ki ne potrebuje ventilov za vpihavanje in izpuh pare. Namesto ventilov cel motor niha tako, da je v eni legi poravnan z odprtino za vpihavanje pare, v drugi pa z izpuhom. Ti motorji se zaradi preprostosti uporabljajo predvsem na modelih in igračah. Uporabljali so se tudi kot pogonski motorji. Zaradi majhnih dimenzij so bili cenjeni predvsem na ladjah.

Rotacijski parni stroj

Parni stroj je lahko zasnovan tudi kot rotacijski motor brez batov, kakršen je na primer Wanklov motor. V preteklosti je bilo od Jamesa Watta do danes zasnovanih nekaj takšnih strojev. Izdelanih je bilo razmeroma malo, proizvedenih pa še manj. Glavna težava v takšnem motorju je tesnenje rotorjev, ki je posledica obrabe in temperaturnega raztezanja. Motor je zaradi uhajanja pare in majhnega ekspanzijskega prostora zelo neučinkovit.

Kvaziturbina QT-AC

Že v 1840. letih je postalo jasno, da ima zasnova tehnične težave, zato so v tehničem tisku nanjo gledali z nekaj posmeha. Ko je nastopila doba elektrike so spoznali prednosti neposrednega pogona dinama z rotacijskim motorjem. V 1880. in 1890. letih so motor poskušali ožititi in izdelali nekaj omejeno uspešnih modelov. Ena od predlaganih rešitev brezbatnih parnih motorjev je bila kvaziturbina.

Nekaj rotacijskih parnih strojev je bilo proizvedenih v Hult Brothers Rotary Steam Engine Company v Stockholmu na Švedskem. Omembe vreden je tudi sferični stroj Beauchampa Towerja, ki se je na lokomotivah družbe Great Eastern Railway in ladjah Kraljeve mornarice uporabljal za pogon dinamov za razsvetljevanje. Motorje so kasneje zamenjale parne turbine.

Reakcijski stroj

Aeolipile je eden od prikazov delovanja curka vodne pare, vendar nima nobene uporabne vrednosti.

V zadnjem času se para v omejenem obsegu uporablja v raketarstvu, predvsem za pogon raketnih avtomobilov. V avtomobilih se visokotlačna posoda napolni z vrelo vodo pod visokim tlakom. Ko se z odpiranjem ventila nekaj vode iztisne skozi potisno šobo, tlak v posodi pade, voda zavre in kot para skozi šobo zapusti posodo in potisne vozilo.

Termodinamika

Shematski prikaz štirih glavnih naprav v Rankinovem ciklu:
1 – črpalka za napajalno vodo
2 – parni kotel
3 – turbina ali parni stroj
4 – kondenzator
Q = toplota
W = delo
večina dovedene toplote se pretvori v odpadno toploto

Termodinamika parnega stroja temelji na Rankinovem ciklu, sklopu štirih elementov, ki se običajno uporabljajo za enostavno pretvarjanje toplote v delo. Pretvorba se začne s faznim prehodom vode iz tekočega v plinasto agregatno stanje in konča s kondenzacijo izpušne pare v tekočo vodo. Toplota za prvo fazno spremembo se dovaja od zunaj. Nekaj dovedene toplote se pretvori v delo, ostali del pa se odstrani v kondenzatorju.

Rankinov cikel se uporablja za skoraj vse oblike pretvorbe toplote v mehansko delo. Ime je dobil po škotskem polihistorju Williamu Johnu Macquornu Rankinu.

V učinkovitih parnih turbinah graf temperatura-entropija (TS) zelo spominja na Carnotov krožni proces, zato se Rankinov cikel včasih omenja tudi kot praktični Carnotov cikel. Glavna razlika med njima je v tem, da sta v Rankinovem ciklu dovajanje toplote (v parnem kotlu) in odvzemanje toplote (v kondenzatorju) izobarna procesa, se pravi da potekata pri stalnem tlaku, v teoretičnem Carnotovem ciklu pa izotermna procesa, se pravi da potekata pri stalni temperaturi.

Delovna tekočina v Rankinovem ciklu lahko kroži, se pravi da se kondenzat vrača v parni kotel, ali pa ne, se pravi da se izčrpana para izpušča v ozračje, kotel pa se napaja s svežo tekočino. Delovna tekočina je zaradi nestrupenosti, nereaktivnosti, dostopnosti, nizke cene in svojih termodinamskih lastnosti praviloma voda. V živosrebrovi parni turbini je delovna tekočina živo srebro. V binarnem ciklu se lahko uporabljajo tudi ogljikovodiki, na primer izobutan.

Parni stroj je veliko prispeval k razvoju termodinamike, čeprav ni temeljil na poznavanju termodinamike, ampak na poznavanju lastnosti toplote in pare. Razvoj in uvedba zunanjega kondenzatorja sta temejila na meritvah, ki jih je na modelu opravil James Watt. Watt je neodvisno od drugih odkril latentno toploto in potrdil odkritje Josepha Blacka, ki je bil tudi Wattov svetovalec pri opravljanju poskusov. Watt je ugotovil tudi to, da je vrelišče vode odvisno od tlaka, sicer pa so bile izboljšave na stroju bolj mehanske narave.

Termodinamski koncept Rankinovega cikla je dal inženirjem znanje, potrebno za izračun učinkovitosti procesov, in omogočil razvoj visokotlačnih in visokotemperaturnih kotlov in parne turbine.

Učinkovitost

Učinkovitost oziroma izkoristek stroja je razmerje med proizvedenim koristnim delom in energijo, vloženo z gorivom.

Zgodovinsko merilo energijske učinkovitosti parnega stroja je bila njegova storilnost. Koncept storilnosti je uvedel že Watt za ponazoritev, koliko bolj učinkovit je njegov stroj v primerjavi z Newcomenovim. Storilnost je izrazil s čevelj-funti ( lbf•ft) dela, ki ga je dal mernik (94 funtov, kar je približno 42,3 kg) premoga. Najboljši Newcomenovi modeli so imeli storilnost okoli 7 milijonov lbf•ft, bolj verjetno samo 5 milijonov lbf•ft. Prvi Wattovi nizkotlačni stroji so dosegli storilnost do 25 milijonov lbf•ft, v povprečju pa približno 17 milijonov lbf•ft. V povprečju so bili približno trikrat boljši od Newcomenovih. Prvi Wattovi stroji z visokotlačno paro so dosegali stotrilnost do 65 milijonov lbf•ft.

Noben toplotni stroj je more biti bolj učinkovit od Carnotovega cikla, v katerem se je toplota prenesla iz visokotemperaturnega zalogovnika v zalogovnik z nižjo temperaturo, izkoristek pa je odvisen samo od razlike temperatur. Za večji izkoristek bi morali parni stroji obratovati pri najvišji možni temperaturi pare (pregreta para) in odpadno energijo oddajati pri najnižji možni temperaturi.

Izkoristek Rankinovega cikla običajno omejuje delovna tekočina. Če se s povečanjem tlaka ne more doseči nadkritičnih pogojev (pregrevanje), je temperaturno območje delovanja omejeno na dokaj majhno območje temperatur. V parnih turbinah je temperatura vstopne pare zaradi hladnega tečenja nerjavnega jekla običajno 565 °C, temperatura kondenzacija pa okoli 30 °C. V tem primeru je teoretični Carnotov izkoristek okoli 63% v primerjavi z 42% v običajnih termoelektrarne na premog.

Ena od osnovnih prednosti Rankinovega cikla pred drugimi procesi je, da je za pogon črpalk potrebno relativno malo dela. Za črpanje kondenzata v sistemu s parno turbino porabijo črpalke samo 1-3% moči parne turbine. Del te koristi se izgubi na račun nizke temperature kondenzata, ki ga je treba ponovno segreti na delovno temperaturo. Plinske turbine delujejo pri temperaturi okrog 1500 °C, njihov izkoristek pa je kljub temu primerljiv z izkoristkom velikih sodobnih parnih turbin.

Parni stroj, ki odpadno paro izpušča v ozračje, ima v praksi izkoristek 1-10%. Izkoristek se močno poveča s kondenzatorjem, večstopenjsko ekspanzijo in pregreto paro, zgodovinsko na 10-20%, zelo redko tudi nekoliko več.

Velike sodobne termocentrale z močjo nekaj megawatov proizvedene električne energije imajo izkoristke malo več kot 40%. V izjemnih primerih se izkoristek približuje 50% vložene toplotne energije.

Varnost

Parni stroji imajo v svojem sklopu parne kotle in druge elemente, ki imajo značilnosti tlačnih posod in zato veliko potencialno energijo. Uhajanje pare in eksplozije parnih kotlov so v preteklosti povzročile veliko človeških žrtev. Četudi za zagotavljanje varnosti obstajajo različni standardi in zakonodaja, ki predpisujejo način preskušanja in vzdrževanja tlačnih naprav in usposabljanja strojevodij in kurjačev, ki so v različnih državah lahko različni, se glavna skrb glede varnosti posveča predvsem izdelavi, pravilnemu obratovanju in rednemu certificiranju naprav.

Med najpogostejše vzroke nezgod spadajo:

• previsok tlak v kotlu
• premajhna količina vode v kotlu, ki povzroči pregrevanje kotla
• odlaganje vsedlin in kotlovca, ki povzročata lokalno pregrevanje, zlasti v rečnih plovilih, ki uporabljajo umazano rečno napajalno vodo
• napačna zasnova kotla in neustrezno vzdrževanje
• uhajanje pare iz kotla ali cevovodov, ki povzročajo opekline.

Parni stroji imajo pogosto dva neodvisna mehanizma, ki preprečujeta, da tlak v sistemu ne preseže kritične vrednosti. Enega od njih lahko nastavlja uporabnik, drugi pa je končni varnostni ventil. Slednji je praviloma vgrajen na vrhu kotla in je sestavljen iz vzvoda in uteži, ki zapira bat ventila. Ventil so sprva lahko nastavljali strojevodje, ki so želeli doseči čim večjo moč stroja in lahko prekomerno povečali tlak v kotlu. Zaradi velikega števila eksplozij kotlov so zdaj ventili tovarniško nastavljeni in zaplombirani.

V kroni kurišča so lahko nameščene svinčene taljive varovalke. Če gladina vode v kotlu pade, se temperatura vrha kurišča znatno poveča, varovalka se stali in para uide v kurišče in zaduši ogenj. Ogenj do konca pogasi kurjač. Takšne varovalke so učinkovite samo pri najmanjših kotlih, ker ima izhajanje pare malo vpliva na dušenje ognja. Varovalke so praviloma tudi premajhne, da bi dovolj znižale tlak pare v kotlu. Če bi bile prevelike, bi bilo izhajanje pare preveliko in bi kot tako ogrozilo varnost strojevodij.

Viri

• Crump, Thomas (2007). A Brief History of the Age of Steam: From the First Engine to the Boats and Railways.
• Hills, Richard L. (1989). Power from Steam: A history of the stationary steam engine. Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 0 521 34356 9.
• Hunter, Louis C. (1985). A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930, Vol. 2: Steam Power. Charolttesville: University Press of Virginia.
• Marsden, Ben (2004). Watt's Perfect Engine: Steam and the Age of Invention. Columbia University Press.
• Robinson, Eric H. The Early Diffusion of Steam Power Journal of Economic History Vol. 34, No. 1, (marec 1974), str. 91–107
• Rose, Joshua. Modern Steam Engines (1887, ponatis 2003)
• Stuart, Robert, A Descriptive History of the Steam Engine (London: J. Knight and H. Lacey, 1824.)
• Van Riemsdijk, J. T. Pictorial History of Steam Power (1980).

Glej tudi

• Ivan Ivanovič Polzunov
• Parna turbina

Zunanje povezave

• Predstavnosti o temi Parni stroji v Wikimedijini zbirki
• Časopis fizikov Presek o parnem stroju (1995/96)