Silnik parowy - budowa

Silnik parowy: zasada działania, budowa, schemat

Ciekawostki

W dzisiejszych czasach silniki parowe kojarzą się z reliktem przeszłości. Były ciężkie, skrajnie nieekonomiczne i zatruwały środowisko. Niemniej jednak ich produkcja pozwoliła na szybki rozwój przemysłu oraz transportu. Wynalezienie silnika parowego to ogromny skok technologiczny w dziejach ludzkości. Jak skonstruowany jest silnik parowy i czy nadal jest wykorzystywany?

Kto wynalazł silnik parowy?

Za inicjatora pierwszej maszyny parowej uznaje się greckiego wynalazcę – Hernona z Aleksandrii. Było to proste urządzenie, które składało się z dwóch elementów. Pierwszym z nich był kocioł podgrzewany wodą oraz kula zamocowana na osi. Co ciekawe nie była to zwyczajna kula, ale z wmontowanymi po obu stronach dyszami. Gorąca para doprowadzana była do wiszącej kuli i wydostawała się przez omawiane dysze. To siłą odrzutu sprawiało, że zaczynała się kręcić wokół własnej osi. Niestety urządzenie to nie doczekało się żadnego, sensownego zastosowania.

Silnik parowy – rok wynalezienia

Za właściwą maszynę parową, uznaje się parowy silnik tłokowy skonstruowany w 1710 roku przez Thomasa Newcomena w Anglii. Konstrukcja owej maszyny przypominała już współczesne silniki parowe. Za dostarczenie energii odpowiadał tłok poruszający się wewnątrz cylindra za sprawą dostarczanej gorącej pary. Silnik Thomasa Newcomena w przeciwieństwie do historycznego wynalazku Hernona, znalazł już odpowiednie zastosowanie. Wykorzystywano go w kopalniach i służył do wypompowywania wody.

James Watt na drodze rewolucji przemysłowej

Silnik parowy konstrukcji Thomasa Newcomena miał poważną wadę. Działał bardzo powoli. Na szczęście już w 1782 roku modernizacją tego pomysłu zajął się James Watt. Zwieńczeniem jego praco był dwustronny silnik parowy, który doczekał się finalnej wersji z odśrodkowym regulatorem obrotu. Dzięki temu rewolucja przemysłowa mogła ruszyć “pełną parą”. Jako ciekawostkę trzeba dodać, że wyprodukowano 250 sztuk tej maszyny.

Jak działa silnik parowy?

Budowa klasycznego silnika parowego opartego o rozwiązanie Jamesa Watta jest względnie prosta. Wodę w kotle doprowadza się do wrzenia poprzez jej ogrzewanie. Najczęściej wykorzystywano w tym celu węgiel lub drewno. Powstająca w ten sposób para wodna trafia do cylindra i porusza znajdujący się w nim tłok. Działanie całego układu jest dosyć ciekawe, ponieważ rozgrzana para wpuszczana jest naprzemiennie raz do przedniej i raz do tylnej części cylindra.

Pracę silnika parowego można opisać w czterech punktach:

  1. Para wodna trafia do cylindra poprzez otwarty kanał wlotowy.
  2. Na skutek panującego ciśnienia, następuje przesunięcie tłoka.
  3. Po osiągnięciu zadanego punktu następuje zamknięcie zaworu.
  4. Tłok zaczyna wracać do swojej pierwotnej pozycji, wypuszczając przy tym nagromadzoną parę.

W początkowych fazach rozwoju maszyn parowych, do napędu wykorzystywano parę nasyconą. Było to najprostsze rozwiązanie, ale mało wydajne. Para ta skraplała się na ściankach cylindra, co w konsekwencji powodowało straty cieplne i obniżało sprawność całego układu. Dużo efektywniejszym rozwiązaniem okazało się stosowanie pary nienasyconej (o temperaturze wyższej niż temperatura wrzenia wody). Była ona dostarczana pod wysokim ciśnieniem do cylindra wysokociśnieniowego, a następnie zasilała cylinder niskociśnieniowy. Podwójne rozprężanie gwarantowało większą sprawność silnika.

Zalety silnika parowego

Do niewątpliwych zalet silników parowych należy ich prosta konstrukcja. To bezpośrednio przekłada się na wysoką żywotność mechaniczną. Oczywiście pod warunkiem, że wszystkie ruchome elementy są właściwie smarowane i konserwowane.

Plusem jest również łatwość w pozyskaniu surowca napędowego i schemat działania tego rodzaju silnika. Dzięki temu szybko i łatwo można zdiagnozować i wyeliminować usterkę.

Do zalet, ale jednocześnie wad silnika parowego można zaliczyć również tzw. wielopaliwowość. Spalaniu można poddawać nie tylko węgiel, ale również inne paliwa stałe, jak np. drewno. A co z osiągami? Tu siła pary wodnej może nieźle zaskoczyć, ponieważ silniki te generują bardzo wysoki moment obrotowy i co najlepsze już przy obrotach początkowych.

Wady silnika parowego

Największą wadą silników parowych jest emisja ogromnych ilości produktów ubocznych spalania węgla. W dodatku aby zasilić lokomotywę parową na średniej długości odcinku kolejowym, potrzeba zabrać na pokład kilkanaście lub kilkadziesiąt ton węgla. Miejmy również na uwadze, że surowiec ten nie należy do tanich.

Dołóżmy do tego sprawność silnika parowego, która najczęściej nie przekracza 10% i okazuje się, że pomimo ogromnych pokładów paliwa, ilość pozyskanej z niej energii jest zatrważająco mała. Kolejna wada to ogromny ciężar silników parowych, które bez wątpienia są o wiele masywniejsze od bardziej popularnych silników spalinowych.

Na koniec jeszcze jedna dosyć istotna wada, jaką jest długi czas przygotowania silnika do pracy, czyli rozruchu. Minie dobre kilkadziesiąt minut zanim maszyna parowa będzie gotowa do działania. Trzeba wliczyć w ten czas m.in. sprawdzenie i naoliwienie elementów ruchomych, oczyszczenie paleniska, przygotowanie i rozpalenie opału oraz finalnie nagrzanie wody (na sam rozruch silnika parowego zużywa się ogromne ilości paliwa). W tej kwestii nawet sporych rozmiarów silniki diesla montowane w lokomotywach, osiągają temperaturę roboczą zdecydowanie wcześniej.

Silnik parowy w samochodzie

Silniki parowe pomimo tak wielu zalet, zostały skutecznie wyparte przez o wiele bardziej sprawne i wydajne silniki diesla. Kolejny problem to istota czysto ekologiczna. Nie oszukując się, spalanie ogromnych ilości węgla nie pozostaje obojętne na środowisko naturalne. Na szczęście te majestatyczne silnika nie odeszły całkiem do lamusa i w 2001 powstał prototyp nowoczesnego silnika napędzanego parą wodną.

Mowa tu o silniku ZEE, czyli Zero Emission Engine. Ten trzycylindrowy układ o pojemności 992 cm3 generował 50 kW mocy. Jak działał taki silnik? Na każdy cylinder przypadał palnik podgrzewający wodę w układzie zamkniętym. Para wodna uzyskana w ten sposób osiągała ciśnienie 50 barów.

Silnik ZEE cechowała wysoka sprawność, sięgająca nawet 23%. To oznacza, że był on ponad 2-krotnie wydajniejszy od silników montowanych w lokomotywach parowych. Niestety to nadal zbyt mało aby móc konkurować z ówczesnymi jednostkami benzynowymi czy tym bardziej diesla.

Podsumowanie

Silniki parowe bez wątpienia przyczyniły się do ekspansji przemysłu. Zastosowanie pary wodnej do napędu maszyn w transporcie i przemyśle wydawało się ponadczasowym rozwiązaniem i w gruncie rzeczy taka była. Mija ponad 300 lat od momentu, gdy Thomas Newcomen w 1710 roku skonstruował maszynę parową. To szmat czasu, w trakcie którego silniki parowe stanowiły ważny element gospodarki na całym świecie. Czy możemy liczyć na ich powrót?

Wszystko wskazuje na to, że intensywny rozwój technologiczny pod koniec XX wieku, skutecznie wyparł tradycyjne silniki zasilane parą wodną. O ile faktycznie są one wysoce niezawodne i generuję względnie wysokie osiągi, tak największym problemem jest rodzaj paliwa w nich zastosowanych. Wszystko sprowadza się do ogrzania wody, co powinno być jednocześnie rozwiązaniem tanim, lekkim i wysoce mobilnym. Niestety nowoczesne silniki spalinowe w tej kwestii cechują się zdecydowanie większą użytecznością i nie zanosi się na wielki powrót silników parowych.

Niemniej jednak trzeba przyznać, że wraz z długą historią tego typu  maszyn, spora rzesza osób ma do nich ogromny sentyment. Dotyczy to w szczególności pasjonatów kolei, dla których lokomotywy parowe to istny rarytas, który budzi ogromną ekscytację.

Redaktor naczelny w serwisie Joblife.pl

Od 11 lat tworzy specjalistyczne treści o charakterze poradnikowym. Jego wiedza czerpana jest z wielojęzycznych kanałów informacyjnych oraz encyklopedii naukowych. Osobiście miłośnik górskich podróży i pasjonat działań marketingowych.

1 komentarz
Najstarsze
Najnowsze
Inline Feedbacks
Zobacz wszystkie komentarze