Парна машина

Парна машина у раду. Пара се доводи у машину (црвено) и онда наизменично делује с обе стране клипа. Линијско кретање клипа се претвара у ротационо. Приказана машина је типична за крај 19. вијека.
Шема клипног механизма код парне машине: 1Клип 2 – Кјунача 3 – Кружна глава 4 – Ојница 5 – Коленасто вратило 6 – Брегасто вратило 7Замајац 8 – Клизни вентил 9 – Центрифугални регулатор.
Џејмс Ватова парна машина из 1848.

Парна (клипна) машина, или парни строј (парострој) представља мотор који трансформише топлотну енергију водене паре у механички рад, најчешће ротационо кретање.[1] Спада у групу клипних топлотних мотора са спољашњим сагоревањем.[1] Парне машине су се користиле као погон пумпи, парних локомотива, пароброда и парних трактора,[2] те су биле темељ индустријске револуције.[3][4]

Према конструкцијском дизајну парна машина припада групи клипних машина. Пара се производи у котлу те доводи у цилиндар, где обавља рад деловањем притиска на једну страну клипа (једнорадна парна машина), или наизменично на једну па на другу страну клипа (дворадна парна машина), потискујући клип амо-тамо. Радни циклус једнорадне парне машине започиње када се клип налази у горњем мртвом положају, уз отворен довод, а затворен одвод паре. Деловањем паре клип се помиче до доњег мртвог положаја, када се затвара довод, а отвара одвод паре из цилиндра. Енергију потребну за враћање стапа назад, те за истискивање већег дела преостале паре из цилиндра својом инерцијом (тромошћу) даје тешки метални точак замајац. Код дворадне машине конструкција цилиндра омогућује изменично увођење паре, с једне па с друге стране клипа. Због тога, за истискивање паре није потребно преузимати енергију од замајца, али се овај ипак користи ради остваривања једнакомерног рада машине. Праволинијско кретање клипа између крајњих положаја у цилиндру, најчешће се претвара у ротационо кретање погонског вратила. За то служи механизам који се састоји од мотке везане за стап (стапајица), кружне главе с клизном папучом, те ојнице, која је на једној страни зглобно повезана с кружном главом, а на другој с коленастим вратилом. Радом разводника, то јест довођењем и одвођењем паре из цилиндра, управља ексцентар причвршћен на коленасто вратило. Таква једноцилиндрична машина са клипом у мртвом положају не може се сама покренути, па се често изводе машине код којих на истом коленастом вратилу раде два или више цилиндара (вишецилиндрична машина), којима су ојнице међусобно просторно закренуте. Парне машине које пару из цилиндра избацују у атмосферу су испушне машине, за разлику од кондензацијских машина, код којих се она, пошто обави рад у цилиндру, кондензује у кондензатору паре. С обзиром на положај средишње осе клипа и цилиндра, парна машина може бити вертикална (стојећа парна машина) или хоризонтална (лежећа парна машина). [5]

Парна машина је топлотна машина с спољашњим изгарањем која енталпију водене паре претвара у механички рад. Једноставније речено, то је машина која енергију водене паре која се производи у парним котловима претвара у механички рад. Битно је напоменути да је запремина водене паре већ на 100 °C око 1 700 пута већа од запремине течне воде.

Историја парне машине

Својства и деловање водене паре били су познати већ у старом веку; Херон Александријски већ је у 1. веку п. н. е. конструисао различите уређаје које је покретала врућа пара ( Херонова кугла или еолипиле). Међутим тек поткрај 17. века Дени Папен конструирао је прву машину која донекле наликује парној; прве употребљиве парне машине конструирали су енглески инжењери Томас Савери (1650 – 1715) и Томас Њукомен (1663—1729), а прву парну машину која наликује на савремене израдио је Џејмс Ват у другој половини 18. века. Прву парну индустријску машину која је радила у пракси конструирао је Томас Њукомен у Типтону у Стафордширу 1712. у Енглеској. Та је машина црпила воду из рудника више од 30 година. Њукомен је био трговац жељезном робом у Дартмуту. Добро је познавао руднике калаја у Девону и Корнволу и њихов најтежи проблем је било уклањање воде из рудничких ровова, која их је непрекидно плавила. Требало му је 10 година вршења експеримената пре него што је нашао задовољавајуће решење. Међутим, чак ни ту машину нису хтели да прихвате корнвалски рудари, јер је трошила врло много угља, који се морао увозити преко мора па је био веома скуп. Први корисници Њукоменове парне машине били су власници рудника на подручју Мидланда, који су такође били суочени с проблемом уклањања воде из рудничких ровова. Њукомен је први човек који је с успехом користио покрете клипа у цилиндру, а његова машина изграђена 1712. године, била је је неоспорно предак свих машина тога типа. Играо је велику улогу у британској индустријској револуцији. Џејмс Ват није изумео парну машину. Он је заслужан за знатно усавршавање радног учинка машине тиме што је кондензовао пару у посебној затвореној посуди.

Роберт Фултон је 1807. употребио парну машину за погон првога комерцијалног пароброда, а нешто касније, Џорџ Стивенсон за погон прве парне локомотиве. Испрва су за погон парне машине били кориштени притисци паре незнатно виши од атмосферскога (око 103 kPa или 1,02 атм). На прелазу из 18. у 19. века, када су парни котлови били довољно усавршени да су могли производити пару знатно вишег притиска, британски изумитељ Ричард Тревитик (1771 – 1833) изградио је прве парне машине високог притиска од 207 kPa (2 atm), а 1815. амерички изумитељ Оливер Еванс (1755 – 1819) почео је да гради парне машине с притиском од приближно 1.400 kPa (14 atm); данашње парне машине најчешће користе притиске од више од 7.000 kPa (69 atm). Примена парне машине покренула је снажан напредак технике те донела корените промене у начину производње и превоза па се генерално сматра покретачем индустријске револуције.[6][7] Данас су парне турбине и мотори с унутрашњим сагоревањем заменили парне машине због већих излазних снага, већег степена искоришћења и сразмерно мање масе, али се парне машине још увек користе у неким земљама, посебно за погон локомотива. Данас се развија употреба парне машине за искориштавање алтернативних енергетских извора (на пример биомасе) у подручју малих машина већих излазних снага, као и за покретна постројења.

Херон из Александрије

Херон из Александрије је направио прву парну машину, еолипил, у првом веку нове ере

Прва машина, која је нажалост служила само као демонстратор, је саграђена у Александрији у првом веку нове ере.[8]

Конструктор је био Херон. Рад је био једноставан, вода у постољу је загревана до претварања у пару. Пара је затим долазила у шупљу куглу преко цеви-носача и излазила кроз савијене цевчице, вртећи куглу.

Сличне справе су понекад кориштене за отварања врата храмова без људске интервенције, да се импресионирају вјерници.

Херонова машина је један од раних примера ротационих парних машина, од којих су многи прототипови израђени кроз векове.[9]

Папен и Савери

Денис Папен (Denis Papin) и Томас Савери (Thomas Savery) су били настављачи развоја, послие дуге паузе. Савери је 1698. направио парну машину-пумпу која је радила на принципу кондензације паре, стварајући вакуум који је „усисавао“ воду.

Неколико његових машина је практично кориштено, упркос веома слабом степену искоришћења.

Њукомен

Њукоменова „атмосферска“ машина. Пара - ружичасто, вода - плаво. Вентили су отворени (зелено) или затворени (црвено)

Тек је Томас Њукомен (Thomas Newcomen) 1712. успео да створи машину која је почела нешто више да се користи, поготово за пумпање воде из рудника. Искористивост је и даље била слаба. Машина је називана „атмосферска“ зато јер је притисак атмосфере вршио користан рад кад клип иде доле.

Рад Њукоменове парне машине:

  • Са клипом у доњем положају, отвара се вентил који пушта пару у цилиндар.
  • Клип се подиже, углавном под дејством тежине тега (на лијевој страни цртежа).
  • Кад је клип при врху, затвара се довод паре.
  • Да би се створио потпритисак испод клипа, хладна вода се уштрцава у цилиндар. То одмах доводи до кондензације водене паре и ствара се вакуум у цилиндру.
  • Атмосферски притисак сад потискује клип надоле.
  • Вентил за хладну воду се искључује у подесном тренутку.
  • Циклус се понавља.

Како видимо, користан рад врши атмосферски притисак, потискујући клип у вакуум настао кондензацијом паре. Зато се оваква машина понекад назива атмосферском.

У првим верзијама Њукоменове машине, вентили су отварани и затварани ручно (!) у току циклуса. Постоји прича да је дечак који је био запослен да управља вентилима, сам дошао на замисао да повеже вентиле са „клацкалицом“ на врху машине и тако аутоматизује процес. Било како било, касније Њукоменове машине су имале систем полуга које су аутоматски отварале и затварале вентиле у погодном тренутку.

Џејмс Ват

Ватова „атмосферска“ машина, крај 18. вијека

Идући велики скок у развоју је било увођење машина које је конструисао Џејмс Ват (James Watt).[10]

Пажљивим посматрањем и анализирањем Њукоменове машине, Ват је успио да повећа степен искористивости 4 пута, додајући кондензатор паре, ефикаснији бојлер са топлотном изолацијом и друго. Кондензатор је омогућавао да се врућа пара помиешана с водом поново дода у цилиндар, па су губици енергије драстично смањени. Ипак и Ватова машина је користила низак притисак и кондензацију паре да створи вакуум за рад.

Ват је био изричито против машина с високим притиском, сматрајући их опаснима (због честих експлозија котлова који нису имали сигурносне вентиле).

После 1800. године

После 1800, Ричард Тревитик и други су почели да развијају парне машине високог притиска и мале масе за погон возова.

Тенденција ка све већим притисцима паре а затим и степеновање ("компаундинг") су биле одлике даљег развоја.

У „компаунд“ моторима пара је пролазила кроз неколико цилиндара све већег пречника, да би се подигао степен искоришћења.

Крајем 19. вијека стапни (клипни) парни мотори су достигли врхунац. Даљи развој парних машина је кренуо у правцу парних турбина, док су клипне машине практично нестале.

Компаунд (степенована) парна клипна машина. Пара под високим притиском (црвено) долази из котла (бојлера) и пролази кроз цилиндре са све нижим притиском. Пара ниског притиска (плаво) затим иде у кондензатор паре ради поновне употребе у машини.
други језици
Afrikaans: Stoomenjin
Alemannisch: Dampfmaschine
العربية: محرك بخاري
aragonés: Maquina de vapor
অসমীয়া: ভাপ ইঞ্জিন
azərbaycanca: Buxar maşını
Bahasa Indonesia: Mesin uap
Bahasa Melayu: Enjin wap
български: Парна машина
Bân-lâm-gú: Cheng-khì ki-koan
Basa Jawa: Mesin uwab
башҡортса: Пар машинаһы
беларуская (тарашкевіца)‎: Парасілавая ўстаноўка
bosanski: Parna mašina
Cymraeg: Peiriant ager
čeština: Parní stroj
Deutsch: Dampfmaschine
eesti: Aurumasin
Ελληνικά: Ατμομηχανή
English: Steam engine
Esperanto: Vapormaŝino
euskara: Lurrun-makina
Gaeilge: Inneall gaile
Gàidhlig: Inneal-smùide
हिन्दी: भाप का इंजन
hrvatski: Parni stroj
Հայերեն: Շոգեմեքենա
interlingua: Motor de vapor
íslenska: Gufuvél
italiano: Motore a vapore
日本語: 蒸気機関
қазақша: Бу машинасы
Кыргызча: Буу машинасы
Kiswahili: Injini ya mvuke
ಕನ್ನಡ: ಉಗಿಯಂತ್ರ
한국어: 증기 기관
latviešu: Tvaika dzinējs
lietuvių: Garo mašina
magyar: Gőzgép
македонски: Парна машина
മലയാളം: ആവിയന്ത്രം
монгол: Уурын машин
Nederlands: Stoommachine
नेपाल भाषा: स्टिम इन्जिन
norsk: Dampmaskin
norsk nynorsk: Dampmaskin
oʻzbekcha/ўзбекча: Bugʻ mashinasi
português: Motor a vapor
Patois: Stiim injin
română: Motor cu abur
Runa Simi: Wapsi kuyuchina
русиньскый: Парова машына
Simple English: Steam engine
slovenčina: Parný stroj
slovenščina: Parni stroj
srpskohrvatski / српскохрватски: Parna mašina
suomi: Höyrykone
svenska: Ångmaskin
татарча/tatarça: Bu yörtkeçe (maşina)
Tiếng Việt: Động cơ hơi nước
Türkçe: Buhar makinesi
українська: Парова машина
ئۇيغۇرچە / Uyghurche: ھور ماشىنىسى
vepsän kel’: Purumašin
Võro: Aurumoodor
ייִדיש: דאמפמאטאר
中文: 蒸汽机
粵語: 蒸氣機