Parna mašina

Parna mašina

Parna mašina je vrsta mašine u kojoj se nalazi motor koji pokreće para. Ona energiju pare (koja većinom nastaje od vode) pretvara u mehanički rad. Ovi motori su korišteni na lokomotivama ili parobrodima, ali i u tvornicama za pokretanje pumpi i unapređivanje proizvodnje. Bili su primarna snaga industrijske revolucije.

Parna mašina koristi silu koju stvara pritisak pare da gura klip naprijed-nazad unutar cilindra. Ova sila guranja može se transformisati, pomoću klipnjače i poluge, u rotirajuću silu za rad. Termin "parna mašina" se općenito primjenjuje samo na klipne motore kako je upravo opisano, a ne na parnu turbinu. Parne mašine su mašine s vanjskim sagorijevanjem,^[1] gdje je radni fluid odvojen od produkata izgaranja. Idealni termodinamički ciklus koji se koristi za analizu ovog procesa naziva se Rankineov ciklus. U opštoj upotrebi, izraz parna mašina može se odnositi ili na kompletna parna postrojenja (uključujući kotlove itd.), kao što su željezničke parne lokomotive i prijenosni motori, ili se može odnositi samo na klipnu ili turbinsku mašineriju, kao u grednoj mašini i stacionarnom parnom motoru.

Iako su uređaji na parni pogon bili poznati kao aeolipile u prvom vijeku nove ere, sa nekoliko drugih upotreba zabilježenih u 16. vijeku, 1606. godine Jerónimo de Ayanz y Beaumont patentirao je svoj izum prve pumpe za vodu na parni pogon za isušivanje rudnika.^[2] Thomas Savery se smatra izumiteljem prvog komercijalno korištenog uređaja na parni pogon, parne pumpe koja je koristila pritisak pare koja radi direktno na vodi. Prvi komercijalno uspješan motor koji je mogao prenositi kontinuiranu snagu na mašinu razvio je 1712. godine Thomas Newcomen. James Watt je napravio ključno poboljšanje 1764. godine, uklanjanjem istrošene pare u posebnu posudu za kondenzaciju, uveliko poboljšavajući količinu posla dobijenog po jedinici potrošenog goriva. Do 19. vijeka stacionarne parne mašine pokretale su fabrike industrijske revolucije. Parne mašine su zamenile jedra za brodove na parobrodima, a parne lokomotive su radile na željeznici.

Parne mašine sa klipnim motorom bile su dominantan izvor energije sve do ranog 20. vijeka, kada je napredak u dizajnu elektromotora i motora sa unutrašnjim sagorevanjem rezultirao postepenom zamjenom parnih mašina u komercijalnoj upotrebi. Parne turbine zamijenile su klipne motore u proizvodnji električne energije, zbog niže cijene, veće radne brzine i veće efikasnosti.^[3]

Historija

Rani eksperimenti

Jedan od zabilježenih rudimentarnih "motora" na parni pogon bio je eolipil koji je opisao Hero od Aleksandrije, grčki matematičar i inženjer u rimskom Egiptu u prvom vijeku nove ere.^[4] U narednim vijekovima, nekoliko poznatih "motora" na parni pogon bili su, poput eolipila,^[5] u suštini eksperimentalni uređaji koje su pronalazači koristili da demonstriraju svojstva pare.

Rudimentarni uređaj parne turbine opisao je Taqi al-Din^[6] u osmanskom Egiptu 1551. i Giovanni Branca^[7] u Italiji 1629. godine. Španski pronalazač Jerónimo de Ayanz y Beaumont dobio je patente 1606. godine za 50 izuma na parni pogon, uključujući pumpu za vodu za isušivanje natopljenih rudnika.^[8] Denis Papin, hugenot, obavio je neke korisne radove na parnom digestoru 1679. godine, a prvi je koristio klip za podizanje utega 1690. godine.

Motori za pumpanje

Prvi komercijalni uređaj na parni pogon bila je pumpa za vodu koju je 1698. razvio Thomas Savery.^[9] Koristio je kondenzaciju pare da bi stvorio vakuum koji je podigao vodu odozdo, a zatim koristio pritisak pare da bi je podigao više. Mali motori su bili efikasni, dok su veći modeli bili problematični. Imali su vrlo ograničenu visinu dizanja i bili su skloni eksplozijama kotla. Saveryjev motor je korišten u rudnicima, pumpnim stanicama i opskrbi vodom vodenih točkova koji su pokretali tekstilne mašine.^[10] Saveryjev motor je bio niske cijene. Bento de Moura Portugal je uveo poboljšanje Saveryjeve konstrukcije „da bi je učinio sposobnom za sam rad“, kako je to opisao John Smeaton u Filozofskim transakcijama objavljenim 1751. godine.^[11] Nastavio se proizvoditi sve do kasnog 18. vijeka. Još se znalo da je barem jedan motor radio 1820. godine.^[12]

Klipni parni motori

Prvi komercijalno uspješan motor koji je mogao prenositi kontinuiranu snagu na mašinu bio je atmosferski motor, koji je izumio Thomas Newcomen oko 1712. godine.^[13] Poboljšao je Saveryjevu parnu pumpu, koristeći klip kako je predložio Papin. Newcomenov motor je bio relativno neefikasan i uglavnom se koristio za pumpanje vode. Djelovao je stvaranjem parcijalnog vakuuma kondenzacijom pare ispod klipa unutar cilindra. Korišten je za isušivanje jama u rudnicima na dubinama koje su prvobitno bile nepraktične koristeći tradicionalna sredstva, i za obezbeđivanje vode za višekratnu upotrebu za pogon vodenih točkova u fabrikama koje su bile udaljene od odgovarajuće "glave". Voda koja je prošla preko točka pumpana je u rezervoar za skladištenje iznad točka.^[14][15] Godine 1780. James Pickard je patentirao korištenje zamajca i radilice za obezbjeđivanje rotacijskog kretanja od poboljšanog Newcomen motora.^[16]

Godine 1720. Jacob Leupold je opisao dvocilindričnu parnu mašinu visokog pritiska.^[17] Pronalazak je objavljen u njegovom glavnom djelu Theatri Machinarum Hydraulicarum.^[18] Motor je koristio dva teška klipa da bi omogućio kretanje vodenoj pumpi. Svaki klip je podignut pritiskom pare i vraćen u prvobitni položaj gravitacijom. Dva klipa su dijelila zajednički četverosmjerni rotacijski ventil povezan direktno na parni kotao.

Sljedeći veliki korak dogodio se kada je James Watt razvio (1763–1775) poboljšanu verziju Newcomenovog motora, sa posebnim kondenzatorom. Boulton i Wattovi rani motori koristili su upola manje uglja nego John Smeatonovepoboljšana verzija Newcomenovog motora.^[16] Newcomenovi i Wattovi rani motori bili su "atmosferski". Pokretali su se pritiskom vazduha koji je gurao klip u parcijalni vakuum koji je nastao kondenzacijom pare, umesto pritiska pare koja se širi. Cilindri motora su morali biti veliki jer je jedina korisna sila koja je djelovala na njih bio atmosferski pritisak.^[14][19]

Watt developed his engine further, modifying it to provide a rotary motion suitable for driving machinery. This enabled factories to be sited away from rivers, and accelerated the pace of the Industrial Revolution.^[19]

Watt je dalje razvio svoj motor, modificirajući ga kako bi omogućio rotaciono kretanje pogodno za vožnju mašina. To je omogućilo da fabrike budu udaljene od rijeka, i ubrzalo tempo industrijske revolucije.^[14][19][20]

Motori visokog pritiska

Značenje visokog tlaka, zajedno sa stvarnom vrijednošću iznad ambijentalne, ovisi o eri u kojoj se taj izraz koristio. Za ranu upotrebu termina Van Reimsdijk^[21] se odnosi na paru koja je pod dovoljno visokim pritiskom da bi se mogla izbaciti u atmosferu bez oslanjanja na vakuum koji bi joj omogućio da obavlja koristan rad. Ewing 1894, str. 22 navodi da su Wattovi kondenzacijski motori u to vrijeme bili poznati kao niskotlačni u poređenju sa visokotlačnim, nekondenzacijskim motorima iz istog perioda.

Wattov patent je spriječio druge da prave motore pod visokim pritiskom i složene motore. Ubrzo nakon što je Watt-ov patent istekao 1800. godine, Richard Trevithick i, odvojeno, Oliver Evans 1801.^[22][23] predstavili su motore koji koriste paru pod visokim pritiskom; Trevithick je dobio svoj patent za motor visokog pritiska 1802. godine,^[24] a Evans je prije toga napravio nekoliko radnih modela.^[25] Oni su bili mnogo snažniji za datu veličinu cilindra od prethodnih motora i mogli su biti dovoljno mali za transport. Nakon toga, tehnološki razvoj i poboljšanja u proizvodnim tehnikama (djelomično uzrokovana usvajanjem parne mašine kao izvora energije) rezultirali su dizajnom efikasnijih motora koji bi mogli biti manji, brži ili moćniji, ovisno o namjeravanoj primjeni.^[14]

Cornish motor su razvili Trevithick i drugi 1810-ih.[30]^[14] Bio je to motor sa složenim ciklusom koji je ekspanzivno koristio paru visokog pritiska, a zatim kondenzovao paru niskog pritiska, čineći ga relativno efikasnim. Cornish motor je imao nepravilno kretanje i obrtni moment kroz ciklus, ograničavajući ga uglavnom na pumpanje. Cornish motori su se koristili u rudnicima i za vodosnabdijevanje sve do kasnog 19. vijeka.^[14]

Horizontalni stacionarni motor

Rani graditelji stacionarnih parnih mašina smatrali su da će horizontalni cilindri biti podložni prekomjernom trošenju. Njihovi motori su stoga bili raspoređeni sa osovinom klipa u vertikalnom položaju. Vremenom je horizontalni raspored postao popularniji, što je omogućilo da se kompaktni, ali snažni motori ugrade u manje prostore.

Vrhunac horizontalnog motora bio je Corlissova parna mašina, patentirana 1849. godine, koji je bio protivtočni motor sa četiri ventila s odvojenim ulaznim i izpuhnim ventilima i automatskim promjenjivim isključivanjem pare. Kada je Corliss dobio Rumfordovu medalju, komitet je rekao da "nijedan izum od Wattovog vremena nije tako poboljšao efikasnost parne mašine".^[26] Osim što je koristio 30% manje pare, omogućio je ravnomjerniju brzinu zbog promjenjivog prekida pare, što ga čini vrlo pogodnim za proizvodnju, posebno za predenje pamuka.^[20]

Cestovna vozila

Prva eksperimentalna cestovna vozila na parni pogon izgrađena su krajem 18. vijeka, ali tek nakon što je Richard Trevithick razvio upotrebu pare pod visokim pritiskom, oko 1800. godine, mobilne parne mašine postali su praktičan prijedlog. U prvoj polovini 19. vijeka došlo je do velikog napretka u dizajnu parnih vozila, a do 1850-ih postalo je održivo njihovo proizvodnju na komercijalnoj osnovi. Ovaj napredak je usporen zakonima koji su ograničavali ili zabranjivali upotrebu vozila na parni pogon na putevima. Poboljšanja u tehnologiji vozila nastavljena su od 1860-ih do 1920-ih. Parna cestovna vozila korištena su za mnoge primjene. U 20. vijeku, brzi razvoj tehnologije motora sa unutrašnjim sagorevanjem doveo je do nestanka parne mašine kao izvora pogona vozila na komercijalnoj osnovi, pri čemu je relativno malo njih ostalo u upotrebi nakon Drugog svjetskog rata. Mnoga od ovih vozila nabavili su entuzijasti radi očuvanja, a brojni primjeri još uvijek postoje. 1960-ih, problemi zagađenja zraka u Kaliforniji doveli su do kratkog perioda interesovanja za razvoj i proučavanje vozila na parni pogon kao mogućeg sredstva za smanjenje zagađenja. Osim interesovanja ljubitelja pare, povremenih replika vozila i eksperimentalne tehnologije, trenutno se ne proizvode parna vozila.

Pomorski motori

Krajem 19. vijeka složeni motori su ušli u široku upotrebu. Složeni motori su iscrpljivali paru u sukcesivno veće cilindre kako bi se prilagodili većim zapreminama pri smanjenim pritiscima, dajući poboljšanu efikasnost. Ove faze su se zvale ekspanzije, s motorima dvostruke i trostruke ekspanzije koji su bili uobičajeni, posebno u brodarstvu gdje je efikasnost bila važna za smanjenje težine prevezenog uglja.^[14] Parne mašine su ostale dominantan izvor energije sve do ranog 20. vijeka, kada je napredak u dizajnu parne turbine, elktromotora i motora s unutrašnjim sagorijevanjem postupno rezultirao zamjenom klipnih parnih motora, pri čemu se trgovačko brodarstvo sve više oslanjalo na dizel motore a ratni brodovi na parnoj turbini.^[3][14]

Parne lokomotive

Kako je razvoj parnih mašina napredovao kroz 18. vijek, učinjeni su različiti pokušaji da se one primjene u cestovnoj i željezničkoj upotrebi.^[27] Godine 1784. William Murdoch, škotski izumitelj, napravio je model parne cestovne lokomotive.^[28] Rani radni model parne šinske lokomotive dizajnirao je i konstruirao pionir parobroda John Fitch u Sjedinjenim Državama vjerovatno tokom 1780-ih ili 1790-ih.^[29] Njegova parna lokomotiva koristila je unutrašnje kotače s lopaticama vođene šinama.

Prvu radnu željezničku parnu lokomotivu napravio je Richard Trevithick u Ujedinjenom Kraljevstvu, a 21. februara 1804. dogodilo se prvo svjetsko putovanje željeznicom dok je Trevithickova neimenovana parna lokomotiva vukla voz tramvajskom prugom od željezare Pen-y-Darena blizu Merthyr Tydfila do Abercynona u južnom Walesu.^[27][30][31] Dizajn je uključio niz važnih inovacija koje su uključivale korištenje pare pod visokim pritiskom koja je smanjila težinu motora i povećala njegovu efikasnost. Trevithick je kasnije 1804. posjetio područje Newcastlea, a željeznice rudnika u sjeveroistočnoj Engleskoj postale su vodeći centar za eksperimentiranje i razvoj parnih lokomotiva.^[32]

Trevithick je nastavio svoje eksperimente koristeći trio lokomotiva, zaključno s Catch Me Who Can 1808. Samo četiri godine kasnije, uspješnu dvocilindričnu lokomotivu Salamanca autora Matthewa Murraya koristila je Middleton Railway sa zupčanikom i zupčanikom s rubnim šinama.^[33] Godine 1825. George Stephenson je izgradio Locomotion za Stockton i Darlington željeznicu. Ovo je bila prva javna parna željeznica u svijetu, a zatim je 1829. godine izgradio The Rocket koja je bila prijavljena i pobijedila na Rainhill Trials-u.^[34] Željeznica Liverpool - Manchester otvorena je 1830. godine, koristeći isključivo parnu snagu za putničke i teretne vozove.

Parne lokomotive su se nastavile proizvoditi do kasnog dvadesetog vijeka u mjestima kao što su Kina i bivša Istočna Njemačka (gdje se proizvodila DR klasa 52.80).^[35]

Parne turbine

Konačna velika evolucija dizajna parnih mašina bila je upotreba parnih turbina počevši od kraja 19. vijeka. Parne turbine su generalno efikasnije od klipnih parnih motora sa klipom (za izlazne snage veće od nekoliko stotina konjskih snaga), imaju manje pokretnih dijelova i pružaju rotirajuću snagu direktno umjesto preko sistema klipnjače ili sličnih sredstava.^[36] Parne turbine su praktično zamijenile klipne motore u stanicama za proizvodnju električne energije početkom 20. vijeka, gdje su njihova efikasnost, veća brzina prikladna za rad generatora i glatka rotacija bili prednosti. Danas većinu električne energije daju parne turbine. U Sjedinjenim Državama se 90% električne energije proizvodi na ovaj način korištenjem različitih izvora topline.^[3] Parne turbine su se u velikoj mjeri primjenjivale za pogon velikih brodova tokom većeg dijela 20. vijeka.

Sadašnji razvoj

Iako klipna parna mašina više nije u širokoj komercijalnoj upotrebi, razne kompanije istražuju ili iskorištavaju potencijal motora kao alternative motorima s unutrašnjim sagorijevanjem.

Reference

1. American Heritage Dictionary of the English Language (4th izd.). Houghton Mifflin Company. 2000.
2. "Who Invented the Steam Engine?". Live Science. 19. 3. 2014.
3. Wiser, Wendell H. (2000). Energy resources: occurrence, production, conversion, use. Birkhäuser. str. 190. ISBN 978-0-387-98744-6.
4. "turbine". Encyclopædia Britannica Online. 18. 7. 2007.
5. "De Architectura": Chapter VI (paragraph 2)
   from "Ten Books on Architecture" by Vitruvius (1st century BC), published 17, June, 08 [1] accessed 7. 7. 2009
6. Ahmad Y Hassan (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, str. 34–35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.
7. "University of Rochester, NY, The growth of the steam engine online history resource, chapter one". History.rochester.edu. Arhivirano s originala, 24. 7. 2011. Pristupljeno 3. 2. 2010.
8. Garcia, Nicholas (2007). Mas alla de la Leyenda Negra. Valencia: Universidad de Valencia. str. 443–54. ISBN 978-84-370-6791-9.
9. Lira, Carl T. (21. 5. 2013). "The Savery Pump". Introductory Chemical Engineering Thermodynamics. Michigan State University. Pristupljeno 11. 4. 2014.
10. Hills 1989, str. 16–20 harvnb error: no target: CITEREFHills1989 (help)
11. "LXXII. An engine for raising water by fire; being on improvement of saver'y construction, to render it capable of working itself, invented by Mr. De Moura of Portugal, F. R. S. Described by Mr. J. Smeaton". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 47: 436–438. 1752. doi:10.1098/rstl.1751.0073. S2CID 186208904.
12. Jenkins, Ryhs (1971) [First published 1936]. Links in the History of Engineering and Technology from Tudor Times. Cambridge: The Newcomen Society at the Cambridge University Press. ISBN 978-0-8369-2167-0.. Collected Papers of Rhys Jenkins, Former Senior Examiner in the British Patent Office.
13. Brown, Richard (1991). Society and economy in modern Britain, 1700-1850. London: Routledge. str. 60. ISBN 0-585-44933-3. OCLC 52629054.
14. Hunter, Louis C. (1985). A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930. Vol. 2: Steam Power. Charlottesville: University Press of Virginia.
15. Nuvolari, A; Verspagen, Bart; Tunzelmann, Nicholas (2003). "The Diffusion of the Steam Engine in Eighteenth-Century Britain. Applied Evolutionary Economics and the Knowledge-based Economy". Eindhoven, The Netherlands: Eindhoven Centre for Innovation Studies (ECIS): 3. (Paper to be presented at 50th Annual North American Meetings of the Regional Science Association International 20–22 November 2003)
16. Hunter, Louis C.; Bryant, Lynwood (1991). A History of Industrial Power in the United States, 1730–1930. Vol. 3: The Transmission of Power. Cambridge, MA: MIT Press. ISBN 978-0-262-08198-6.
17. Galloway, Elajah (1828). History of the Steam Engine. London: B. Steill, Paternoster-Row. str. 23–24.
18. Leupold, Jacob (1725). Theatri Machinarum Hydraulicarum. Leipzig: Christoph Zunkel.
19. Rosen, William (2012). The Most Powerful Idea in the World: A Story of Steam, Industry and Invention. University of Chicago Press. str. 185. ISBN 978-0-226-72634-2.
20. Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. p. 34. ISBN 978-0-8018-9141-0.
21. "The Pictorial History of Steam Power" J.T. Van Reimsdijk and Kenneth Brown, Octopus Books Limited 1989, ISBN 0-7064-0976-0, str. 30
22. Thomson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790–1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. str. 34. ISBN 978-0-8018-9141-0.
23. Cowan, Ruth Schwartz (1997), A Social History of American Technology, New York: Oxford University Press, str. 74, ISBN 978-0-19-504606-9
24. Dickinson, Henry W; Titley, Arthur (1934). "Chronology". Richard Trevithick, the engineer and the man. Cambridge, England: Cambridge University Press. str. xvi. OCLC 637669420.
25. The American Car since 1775, Pub. L. Scott. Baily, 1971, str. 18
26. Van Slyck, J.D. (1879). New England Manufacturers and Manufactories. New England Manufacturers and Manufactories. volume 1. Van Slyck. str. 198.
27. Payton, Philip (2004). "Trevithick, Richard (1771–1833)". Oxford Dictionary of National Biography (online ed.). Oxford University Press. doi:10.1093/ref:odnb/27723
28. Gordon, W.J. (1910). Our Home Railways, volume one. London: Frederick Warne and Co. str. 7–9.
29. "Nation Park Service Steam Locomotive article with photo of Fitch Steam model and dates of construction as 1780–1790". Nps.gov. 14. 2. 2002. Pristupljeno 3. 11. 2009.
30. "Richard Trevithick's steam locomotive | Rhagor". Museumwales.ac.uk. Arhivirano s originala, 15. 4. 2011. Pristupljeno 3. 11. 2009.
31. "Steam train anniversary begins". BBC. 21. 2. 2004. Pristupljeno 13. 6. 2009. A south Wales town has begun months of celebrations to mark the 200th anniversary of the invention of the steam locomotive. Merthyr Tydfil was the location where, on 21 February 1804, Richard Trevithick took the world into the railway age when he set one of his high-pressure steam engines on a local iron master's tram rails
32. Garnett, A.F. (2005). Steel Wheels. Cannwood Press. str. 18–19.
33. Young, Robert (2000). Timothy Hackworth and the Locomotive (reprint of 1923 izd.). Lewes, UK: the Book Guild Ltd.
34. Hamilton Ellis (1968). The Pictorial Encyclopedia of Railways. The Hamlyn Publishing Group. str. 24–30.
35. Michael Reimer, Dirk Endisch: Baureihe 52.80 – Die rekonstruierte Kriegslokomotive, GeraMond, ISBN 3-7654-7101-1
36. Vaclav Smil (2005), Creating the Twentieth Century: Technical Innovations of 1867–1914 and Their Lasting Impact, Oxford University Press, str. 62, ISBN 978-0-19-516874-7, pristupljeno 3. 1. 2009