Silnik parowy

Silnik parowy to dzisiaj głównie relikt przeszłości, choć nadal zasada jego działania wykorzystywana jest w nowoczesnych konstrukcjach. Przykładem takiego urządzenia jest reaktor jądrowy, który wykorzystując zjawisko zmiany wody w parę, wytarza energię i wprawia w ruch turbiny, będące siłą napędową dla generatorów prądu. W tym artykule skupimy się jednak na historii i działaniu wynalazku, jakim był silnik parowy.

Jak powstał silnik parowy?

Pierwszą maszynę parową skonstruowano już w starożytności. Grecki wynalazca Hernon z Aleksandrii zbudował jej protoplastę, który był złożony z wydrążonej kuli, wiszącej na dwóch rurach doprowadzających do niej parę z kociołka. Dostarczona w ten sposób para kumulowała się w kuli, a następnie uchodziła przez dwie kolejne wychodzące z niej rurki. Ten, wyprzedzający swoje czasy, wynalazek turbiny parowej nie znalazł jednak zastosowania w starożytnym świecie. Pierwsza nowoczesna maszyna tłokowa została skonstruowana przez Thomasa Newcomena w 1710 roku w Anglii. Skonstruował on urządzenie opierające się na racy tłoka umieszczonego we wnętrzu cylindra. Wpuszczenie pary skutkowało podniesieniem się tłoka, który był następnie schładzany w celu kondensacji pary. Przyczyniało się to do spadku ciśnienia i cofnięcia się tłoka. Maszyna ta z powodzeniem wykorzystywana była w kopalniach, gdzie służyła do wypompowywania wody. Był on jednak powolny i nieefektywny, z powodu konieczności ochładzania i ogrzewania cylindra, co zajmowała wiele czasu.

Problem ten udało się rozwiązać szkockiemu inżynierowi Jamesowi Wattowi, który w 1769 roku uzyskał zgodę na unowocześnienie konstrukcji Newcomena. W 1782 roku udało mu się zbudować silnik parowy dwustronny, a dwa lata później otrzymał patent na „uniwersalny silnik parowy z odśrodkowym regulatorem obrotu”. To właśnie ten wynalazek znacząco przyspieszył przebieg rewolucji przemysłowej i stał się jednym z jej symboli. Do początku XIX wieku wyprodukował 250 sztuk swojej maszyny, w założonej pod Birmingham fabryce. Różnica konstrukcyjna w silniku Watta polegała na tym, że para gromadziła się w oddzielnym zbiorniku, a nie w cylindrze. Nie było już konieczności ogrzewania i chłodzenia cylindra. Umożliwiało to redukcję strat ciepła, a co za tym idzie, szybsze działanie silnika. Tak udoskonalony wynalazek stał się powszechnie stosowanym urządzeniem w wielu gałęziach gospodarki, np. w przemyśle drukarskim, przędzalnictwie czy rolnictwie.

Jak działał silnik parowy?

Zarówno silniki, jak i turbiny parowe przemieniają energię cieplną w mechaniczną. Ciepło, które powstaje podczas spalania paliwa, stosowane jest do gotowania wody. Pozwala to na uzyskanie pary, która zwiększa swoją objętość 1600 razy, a jej sprężenie powoduje ruch. Rozprężając się w silnikach tłokowych, przesuwa tłok w cylindrze, natomiast w turbinach, uderzając w łopatki, obraca wirniki. Niezależnie od przypadku, rozprężając się, traci swoją energię. Zarówno maszyny parowe, tłokowe jak i turbiny są silnikami o spalaniu zewnętrznym, ponieważ energia cieplna generowana jest poza silnikiem. W celu otrzymania pary kotły opala się węglem, gazem lub ropą.

W prostym silniku parowym, ciśnienie pary oddziałuje na tłok tylko z jednej strony i wprawia go w ruch. W złożonych urządzeniach obie strony tłoka użytkowane są do stworzenia energii mechanicznej. Na początku para wprowadzana jest z jednej strony tłoka, aby poruszyła nim do przodu. Następnie wtłacza się ją z drugiej strony, co powoduje powrotny ruch tłoka. Tego typu urządzenia określane są silnikami o podwójnym działaniu.