Parni stroj: definicija, zgodovina, delovanje in uporaba v industriji

Parni stroj je motor, ki za ustvarjanje mehanskega gibanja uporablja paro iz vrele vode. Para pritiska na gibljive dele motorja (na primer bat ali turbinsko lopatico) in jih premika, pri čemer se toplota pretvarja v mehansko delo. Parni stroji so lahko neposredno povezani s pogonom strojev, vozil ali z vrtenjem električnih generatorjev.

Zgodovina

Prvi praktični parni stroji so nastali v začetku 18. stoletja za izčrpavanje vode iz rudnikov. Eden zgodnejših pomembnih modelov je stroj Thomasa Newcomna (približno 1712). Velik preboj pa je prinesel James Watt, ki je v drugi polovici 18. stoletja (sredina 1760‑ih naprej) uvedel ključne izboljšave, predvsem ločen kondenzator in druge izboljšave učinkovitosti. Parni stroj je bil eden ključnih izumov Industrijske revolucije: nadomestil je živinsko vleko, mline na veter in vodne mline ter omogočil množično industrijsko proizvodnjo.

Kako deluje

Osnovni sestavni deli tipičnega batnega parnega stroja so:

kotlovnica, kjer se voda segreva in tvori paro;
bat in valj, v katerem para deluje na bat;
ventil ali drugi razdelilnik pare, ki usmerja paro iz kotla izmenično na različna mesta;
batna palica, prečna glava in ojnica ter kroglični ali klipni mehanizem, ki gibanje bata pretvarjajo v vrtenje koles ali gredi;
vztrajnik, ki izravnava nihanja moči in stabilizira vrtenje;
regulator, ki uravnava hitrost motorja (npr. centrifugalni regulator).

V kotlu se običajno kuri z ognjem; kot vir toplote se lahko uporablja ogenj na les, premog ali nafto. Namesto neposrednega zgorevanja se kotli lahko segrevajo tudi z drugimi viri energije, na primer z jedrsko ali sončno energijo.

Pri batnih parnih strojih para pritiska na en ali oba konca bata. Pri enostransko delujočih izvedbah deluje samo ena stran, pri dvo-stransko delujočih pa se para izmenično dovaja na oba konca bata, kar daje bolj enakomeren izhod moči. Ventilni mehanizem pošilja paro najprej na en konec bata in nato na drugi, kar povzroča povratno (nazaj in naprej) gibanje. Ta gibanja se z mehaniko pretvorijo v vrtenje koles ali gredi.

V 19. in 20. stoletju so bati v številnih aplikacijah nadomestile turbine, ki so zasnovane za neprekinjeno vrtenje. Para v turbini deluje kot curki, ki poganjajo vrsto lopatic in povzročijo hitro vrtljanje gredi – to je učinkovitejše pri velikih hitrostih in močeh.

Različne izvedbe in izboljšave

Batni parni stroji (enostavni, dvosmerni, kondenzacijski) — primerni za nižje hitrosti in direktne mehanske pogone.
Večstopenjski (compound) motorji — para se širi v več valjih z različnimi tlaki, kar poveča učinkovitost.
Parne turbine — uporabljene v sodobnih elektrarnah in velikih ladijskih motorjih zaradi višje učinkovitosti in vrtljajev.
Supergreta para, kondenziranje, regeneracija — tehnike za povečevanje termične učinkovitosti (manjša poraba goriva na proizvedeno enoto energije).

Uporaba v industriji

Parni stroji so imeli in imajo širok spekter uporabe:

v 18. in 19. stoletju so poganjali stroje v tovarnah za tekstilno, kovinsko in drugo industrijo;
v rudnikih so poganjali črpalke za odvodnjavanje;
v prevozu so bili ključni pri železniških lokomotivah in pri parnih čolnih ter kasneje pri velikih ladjah s parnimi turbinami;
dandanes se paro predvsem uporablja v elektrarnah za pogon generatorjev, ki proizvajajo električno energijo — tu so parne turbine osrednji element;
v nekaterih industrijskih obratih se uporablja sooblikovanje toplote in elektrike (kogeneracija), kjer se para izkorišča za proizvodnjo elektrike in za tehnološko ogrevanje.

Varnost in okoljski vidiki

Kotli in tlačni posodi morajo ustrezati strogim varnostnim predpisom: pregrevanje ali napačna obdelava lahko povzroči eksplozije. Zato so nujni varnostni ventili, merilniki tlaka in redno vzdrževanje. Uporaba fosilnih goriv prinaša emisije CO2 in drugih onesnaževal; prehod na manj ogljične vire (zemeljski plin, biomasa, jedrska energija, obnovljivi viri) ter izboljšave učinkovitosti so pomembni za zmanjšanje vpliva na okolje.

Sodobni pomen

Čeprav so batni parni stroji v velikem delu industrijske rabe zamenjali bolj kompaktni in učinkoviti notranje izgorevalni motorji ter električni pogoni, parna tehnologija ostaja ključna pri proizvodnji električne energije. Jedrski reaktor lahko služi kot vir toplote za kotel, pare pa pogosto poganjajo turbine na velikih termoelektrarnah in ladjah. Poleg tega številne muzejske lokomotive in industrijski eksponati ohranjajo delujoče parne stroje kot del tehnične dediščine.

Na kratko: parni stroj je temeljna tehnologija za pretvorbo toplote v mehansko delo. Njegove različice — od preprostih batnih motorjev do naprednih parnih turbin — so skozi stoletja preoblikovale industrijo, promet in proizvodnjo električne energije.

Guverner: Pomemben izum Boultona in Watta

Stara Bess: Boulton in Watt. Motor se je uporabljal za dvigovanje vode. Potrebna je bila stalna količina vode, saj je bilo za pogon strojev v Boultonovi manufakturi Soho v Birminghamu uporabljeno vodno kolo.

V tej ogromni stavbi so bili nameščeni štirje največji motorji z gredjo v Veliki Britaniji. Uporabljali so jih za premikanje odplak v Crossnessu, Bexleyju

Najstarejša ohranjena lokomotiva: Puffing Billy v Muzeju znanosti

Delujoča replika motorja Thomasa Newcomena iz leta 1712 za črpanje vode iz rudnikov na posestvih lorda Dudleyja. Živi muzej Črne dežele

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je parni stroj?

O: Parni stroj je motor, ki za gibanje uporablja paro iz vrele vode. Para pritiska na dele motorja, da se ti premikajo, in se lahko uporablja za pogon številnih vrst strojev, vključno z vozili in električnimi generatorji.

V: Kdaj so bili prvič uporabljeni parni stroji?

O: Parni stroji so bili prvič uporabljeni v rudniških črpalkah na začetku 1700. stoletja, James Watt pa jih je v 1770. letih močno izboljšal. Zelo pomembni so postali v času industrijske revolucije, ko so za delovanje strojev nadomestili konje, mline na veter in vodne mline.

V: Kako delujejo parni stroji?

O: Prvi parni stroji so bili batni. Pritisk pare je potiskal na bat, ki se je premikal po valju, zato so imeli povratno gibanje (naprej in nazaj). To je lahko neposredno premikalo črpalko ali pa je delovalo na ročico, ki je zavrtela kolo in pognala stroj. Težko vrteči se vztrajnik je izravnal moč bata, regulator pa je uravnaval hitrost motorja.

V: Kaj poganja parni stroj?

O: Para, ki poganja parni stroj, se proizvaja v kotlu, ki segreva vodo, da nastane para. V večini krajev kotel ogreva ogenj, gorivo za ogenj pa je lahko les, premog ali nafta; namesto ognja se lahko uporablja tudi jedrska ali sončna energija.

V: Kako se je tehnologija spremenila od prvotnih tipov batnih motorjev?

O: V 20. stoletju so bate nadomestile turbine, ki se vrtijo kot vetrnice, ki jih potiskajo curki pare, in se vrtijo hitreje z večjo energetsko učinkovitostjo kot prvotne vrste batnih parnih motorjev. Te turbine se zdaj uporabljajo v elektrarnah za pogon generatorjev, ki proizvajajo električno energijo, in tudi nekatere ladje poganjajo te turbine.

V: Katero vrsto goriva lahko danes uporabljamo za kotle?

O: Kotli za te sodobne turbine se lahko ogrevajo z različnimi vrstami goriva, kot so les, premog, nafta; namesto ognja se lahko uporablja tudi jedrska ali sončna energija, odvisno od tega, kaj je v danem trenutku na voljo.