Maszyna parowa

Historia Maszyny Parowej

Start

Julia Klejmont 7c

Twórca

Twórcą pierwszego w dziejach udanego silnika parowego był Thomas Newcomen – handlarz artykułami żelaznymi z Devon w Anglii, często określany ojcem rewolucji przemysłowej. Przy tworzeniu maszyny parowej współpracował z Johnem Cowley’em – szklarzem.

Zainstalował ją w kopalni węgla koło Dudley Castle (1712 r.). Była to maszyna tłokowa, dobrze dopracowana, wykonująca około 12 cykli roboczych na minutę, mogąca działać bez przerwy. Jej moc po wprowadzeniu ulepszeń szacuje się na 5 KM; miała 17 m wysokości. Maszyna ta składała się z cylindra, w którym poruszał się tłok z trzonem. Trzon był połączony łańcuchami z wahadłem i z pompą, którą miał napędzać. Na jednym z łańcuchów umocowano dodatkowy spory ciężar. Cylinder był zaopatrzony w dwie rurki, przy czym koniec jednej z nich znajdował się w kotle parowym. Kiedy tłok znajdował się w swej dolnej pozycji, otwierano zawór, do cylindra dostawała się para z kotła i podnosiła tłok do góry. Pomagał jej w tym dodatkowo zawieszony na łańcuchu ciężar. Potem zamykano zawór doprowadzający parę i otwierano inny, którym do cylindra wpuszczano trochę zimnej wody. Para w cylindrze oziębiała się i skraplała na ściankach naczynia, a ponieważ wcześniej jej objętość była wielokrotnie większa od objętości wody, w którą się zamieniała, to pod tłokiem wytwarzała się próżnia. Wtedy do głosu dochodziło ciśnienie atmosferyczne powietrza, z ogromną siłą naciskało ono na tłok od góry, cofając go do dolnej, wyjściowej pozycji.

Budowa Maszyny

Okazała się w ówczesnych warunkach praktyczna i szybko znalazła powszechne zastosowanie w górnictwie brytyjskim (głównie do odpompowywania wody podziemnej). W 1733 r. pracowały tam już 94 takie maszyny, a niebawem i w innych krajach - od 1722 r. w Austrii, od 1728 r. w Szwecji. W Polsce pierwszą maszynę Newcomena zainstalowano w kopalni ołowiu w Tarnowskich Górach w 1788 r. Silnik Newcomena udoskonalił James Watt w 1763 r.

kiedy John Anderson, profesor z Uniwersytetu Glasgow, poprosił Watta o naprawę atmosferycznego silnika parowego Thomasa Newcomena. W trakcie naprawy James doszedł do wniosku, że silnik ten jest zbyt energochłonny, co wynikało z jego nieprawidłowej konstrukcji. Każdy kolejny suw tłoka wymagał nagrzania, a następnie schłodzenia pary wodnej, aby uzyskać jej kondensację. Powodowało to równocześnie ciągłe schładzanie się cylindra. Watt wpadł na pomysł usprawnienia działania maszyny. Wydzielona komora skraplania (lub kondensacji) rozwiązała problem, przez co cylinder główny mógł cały czas pozostawać ciepły. Działanie swojego wynalazku opisał sam Watt:

„Uświadomiłem sobie, że aby najlepiej wykorzystać parę, potrzebne było, po pierwsze, aby cylinder był zawsze równie gorący, jak wchodząca do niego para i, po drugie, aby para uległa kondensacji, należało ją oziębić do temperatury 100 stopni lub poniżej, jeśli było to możliwe. Sposoby osiągnięcia tego nie były od razu widoczne.”

Silnik Lokomotywowy

Wynalazek został opatentowany dopiero w 1769 r. dzięki pomocy przemysłowca Johna Roebucka, który otrzymał dwie trzecie udziałów. W 1775 r. Watt i jego wspólnik Matthew Boulton uruchomili w Soho koło Birmingham fabrykę silników parowych. Po raz pierwszy wykorzystano wynalazek Watta w 1776 r. do napędu dmuchawy wielkiego pieca w hucie, a poza przemysłem ciężkim znalazł także zastosowanie w przemyśle tekstylnym. Około 1800 r. pracowało już około 1000 silników parowych. Maszyna parowa Watta zużywała 4-krotnie mniej paliwa niż maszyna Newcomena, więc odniosła duży sukces, a zamówienia nadeszły z całego kraju. Modernizacja silnika dokonana przez Watta przyczyniła się do oszczędności w zużyciu paliwa oraz do zwiększenia sprawności maszyny. Silnik mógł jedynie wykonywać ruchy góra-dół, jednak rozwój przemysłu bawełnianego spowodował, że potrzebne stało się wykonywanie również ruchów rotacyjnych. Dalsze ulepszenia zastosowane przez Watta – m.in. regulator prędkości silnika, możliwość zmiany ruchu tłoka z postępowo-zwrotnego na obrotowy – umożliwiły wykorzystanie urządzenia w innych gałęziach gospodarki: przy mieleniu ziarna, przędzeniu bawełny. Na potrzeby określania mocy silników James Watt zdefiniował on nową jednostkę – koń mechaniczny, która jest do dzisiaj powszechnie używana w motoryzacji. Kiedy w 1800 r. wygasły prawa do patentu, wycofał się z interesów i przeszedł na emeryturę.

Po wprowadzeniu maszyny parowej konstruktorzy stanęli przed kolejnym wyzwaniem – produkcją silnika lokomotywowego. W 1801 r. inżynier z Kornwalii – Richard Trevithick

zaprojektował silnik wysokoprężny. Niestety, jego ciężar sprawiał, że nawierzchnie dróg, po których poruszała się lokomotywa, były bardzo niszczone. W 1804 r. Trevithick zbudował parowóz szynowy, który wykorzystany został do obsługi linii kolejowej w zagłębiu węglowym w Walii Południowej. Linia kolejowa o długości 15 km obsługiwana przez jego parowozy używana była do transportu ludzi (robotników) oraz ładunku (około 20 ton). Problemem był ciężar maszyny i słaba jakość żelaza użytego do budowy szyn.

Największy sukces w dalszej modernizacji parowozu odniósł George Stephenson.

Zatrudniony jako mistrz parowozowy, był on samoukiem. W 1813 r. skonstruował stacjonarną maszynę parową z linami do przewożenia pustych wagoników na węgiel. Później skutecznie przekonywał organizatorów linii kolejowej, aby zamiast koni użyli jego lokomotywy (1825 r.). Już w 1830 r. Oddano do użytku pierwszą publiczną kolejową linię towarową pomiędzy miastami Liverpool i Manchester (około 52 km).

Przez kolejne 50 lat XIX w. dokonano znaczącego postępu w produkcji silników parowych. Przyczyny takiego stanu rzeczy to: zastosowanie lżejszych i wytrzymalszych metali, użycie precyzyjniejszych narzędzi mechanicznych, wyższy poziom wiedzy naukowej. Moc i efektywność silników wzrosła do 40-50KM, a nawet wynosiła 250KM. Moc cieplna była trzykrotnie wyższa niż silników J. Watta. Zaczęto używać silników sprzężonych dwu- i trzysuwowych. W 1860 r. moc wielkiego, sprzężonego silnika parowego przekraczała 1000 KM. Pod koniec XIX w. osiągnięto granicę możliwości silnika parowego o mocy 5000 KM. Kolejnym wyzwaniem dla człowieka i skonstruowanej przez niego maszyny parowej było jej użycie w wytwarzaniu elektryczności. W 1873 r. w południowo-wschodniej Francji zastosowano turbinę wodną w połączeniu z dynamomaszyną. W latach osiemdziesiątych XIX w. wynaleziono i udoskonalono turbinę parową. Skutek był taki, że moc pojedynczego urządzania wzrosła do niewyobrażalnych 136 tys. KM. Wynalazek ten w kolejnej dekadzie uniezależnił wytwarzanie energii elektrycznej od energii wodnej – kosztem węgla i pary wodnej. Energia elektryczna znalazła praktyczne zastosowanie w wielu dziedzinach – dla przykładu używano jej w przemyśle, w telegrafii, do oświetlania domów, fabryk, magazynów, teatrów itd. Zmienił się diametralnie styl życia. A u podstaw tych zmian leżała maszyna parowa, której zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki narodowej (górnictwo, przędzalnictwo, transport, elektryczność) zrewolucjonizowało proces produkcji. Ludność masowo przemieszczała się z obszarów wiejskich do miast. Dlaczego akurat maszyna parowa uznawana jest za najważniejszy z wynalazków , mimo ery dziesiątków innych wynalazków? Bowiem maszyna parowa stała się nieograniczonym źródłem energii!

Dziękuję za uwagę!