Parna mašina

Parna mašina ili parni stroj (parostroj) predstavlja motor koji transformiše toplotnu energiju vodene pare u mehanički rad, najčešće rotaciono kretanje.^[1] Spada u grupu klipnih toplotnih motora sa spoljašnjim sagorevanjem.^[1] Parne mašine su se koristile kao pogon pumpi, parnih lokomotiva, parobroda i parnih traktora,^[2] te su bile temelj industrijske revolucije.^[3][4]

Prema konstrukcijskom dizajnu parna mašina pripada grupi klipnih mašina. Para se proizvodi u kotlu te dovodi u cilindar, gde obavlja rad delovanjem pritiska na jednu stranu klipa (jednoradna parna mašina), ili naizmenično na jednu pa na drugu stranu klipa (dvoradna parna mašina), potiskujući klip amo-tamo. Radni ciklus jednoradne parne mašine započinje kada se klip nalazi u gornjem mrtvom položaju, uz otvoren dovod, a zatvoren odvod pare. Delovanjem pare klip se pomiče do donjeg mrtvog položaja, kada se zatvara dovod, a otvara odvod pare iz cilindra. Energiju potrebnu za vraćanje stapa nazad, te za istiskivanje većeg dela preostale pare iz cilindra svojom inercijom (tromošću) daje teški metalni točak zamajac. Kod dvoradne mašine konstrukcija cilindra omogućuje izmenično uvođenje pare, s jedne pa s druge strane klipa. Zbog toga, za istiskivanje pare nije potrebno preuzimati energiju od zamajca, ali se ovaj ipak koristi radi ostvarivanja jednakomernog rada mašine. Pravolinijsko kretanje klipa između krajnjih položaja u cilindru, najčešće se pretvara u rotaciono kretanje pogonskog vratila. Za to služi mehanizam koji se sastoji od motke vezane za stap (stapajica), kružne glave s kliznom papučom, te ojnice, koja je na jednoj strani zglobno povezana s kružnom glavom, a na drugoj s kolenastim vratilom. Radom razvodnika, to jest dovođenjem i odvođenjem pare iz cilindra, upravlja ekscentar pričvršćen na kolenasto vratilo. Takva jednocilindrična mašina sa klipom u mrtvom položaju ne može se sama pokrenuti, pa se često izvode mašine kod kojih na istom kolenastom vratilu rade dva ili više cilindara (višecilindrična mašina), kojima su ojnice međusobno prostorno zakrenute. Parne mašine koje paru iz cilindra izbacuju u atmosferu su ispušne mašine, za razliku od kondenzacijskih mašina, kod kojih se ona, pošto obavi rad u cilindru, kondenzuje u kondenzatoru pare. S obzirom na položaj središnje ose klipa i cilindra, parna mašina može biti vertikalna (stojeća parna mašina) ili horizontalna (ležeća parna mašina).^[5]

Parna mašina je toplotna mašina s spoljašnjim izgaranjem koja entalpiju vodene pare pretvara u mehanički rad. Jednostavnije rečeno, to je mašina koja energiju vodene pare koja se proizvodi u parnim kotlovima pretvara u mehanički rad. Bitno je napomenuti da je zapremina vodene pare već na 100 °C oko 1 700 puta veća od zapremine tečne vode.

Svojstva i delovanje vodene pare bili su poznati već u starom veku; Heron Aleksandrijski već je u 1. veku p. n. e. konstruisao različite uređaje koje je pokretala vruća para (Heronova kugla ili eolipile). Međutim tek potkraj 17. veka Deni Papen konstruisao je prvu mašinu koja donekle nalikuje parnoj; prve upotrebljive parne mašine konstruisali su engleski inženjeri Tomas Saveri (1650 – 1715) i Tomas Njukomen (1663—1729), a prvu parnu mašinu koja nalikuje na savremene izradio je Džejms Vat u drugoj polovini 18. veka. Prvu parnu industrijsku mašinu koja je radila u praksi konstruisao je Tomas Njukomen u Tiptonu u Stafordširu 1712. u Engleskoj. Ta je mašina crpila vodu iz rudnika više od 30 godina. Njukomen je bio trgovac željeznom robom u Dartmutu. Dobro je poznavao rudnike kalaja u Devonu i Kornvolu i njihov najteži problem je bilo uklanjanje vode iz rudničkih rovova, koja ih je neprekidno plavila. Trebalo mu je 10 godina vršenja eksperimenata pre nego što je našao zadovoljavajuće rešenje. Međutim, čak ni tu mašinu nisu hteli da prihvate kornvalski rudari, jer je trošila vrlo mnogo uglja, koji se morao uvoziti preko mora pa je bio veoma skup. Prvi korisnici Njukomenove parne mašine bili su vlasnici rudnika na području Midlanda, koji su takođe bili suočeni s problemom uklanjanja vode iz rudničkih rovova. Njukomen je prvi čovek koji je s uspehom koristio pokrete klipa u cilindru, a njegova mašina izgrađena 1712. godine, bila je je neosporno predak svih mašina toga tipa. Igrao je veliku ulogu u britanskoj industrijskoj revoluciji. Džejms Vat nije izumeo parnu mašinu. On je zaslužan za znatno usavršavanje radnog učinka mašine time što je kondenzovao paru u posebnoj zatvorenoj posudi.

Robert Fulton je 1807. upotrebio parnu mašinu za pogon prvoga komercijalnog parobroda, a nešto kasnije, Džordž Stivenson za pogon prve parne lokomotive. Isprva su za pogon parne mašine bili korišteni pritisci pare neznatno viši od atmosferskoga (oko 10³ kPa ili 1,02 atm). Na prelazu iz 18. u 19. veka, kada su parni kotlovi bili dovoljno usavršeni da su mogli proizvoditi paru znatno višeg pritiska, britanski izumitelj Ričard Trevitik (1771 – 1833) izgradio je prve parne mašine visokog pritiska od 207 kPa (2 atm), a 1815. američki izumitelj Oliver Evans (1755 – 1819) počeo je da gradi parne mašine s pritiskom od približno 1.400 kPa (14 atm); današnje parne mašine najčešće koriste pritiske od više od 7.000 kPa (69 atm). Primena parne mašine pokrenula je snažan napredak tehnike te donela korenite promene u načinu proizvodnje i prevoza pa se generalno smatra pokretačem industrijske revolucije.^[6][7] Danas su parne turbine i motori s unutrašnjim sagorevanjem zamenili parne mašine zbog većih izlaznih snaga, većeg stepena iskorišćenja i srazmerno manje mase, ali se parne mašine još uvek koriste u nekim zemljama, posebno za pogon lokomotiva. Danas se razvija upotreba parne mašine za iskorištavanje alternativnih energetskih izvora (na primer biomase) u području malih mašina većih izlaznih snaga, kao i za pokretna postrojenja.

Prva mašina, koja je nažalost služila samo kao demonstrator, je sagrađena u Aleksandriji u prvom veku nove ere.^[8]

Konstruktor je bio Heron. Rad je bio jednostavan, voda u postolju je zagrevana do pretvaranja u paru. Para je zatim dolazila u šuplju kuglu preko cevi-nosača i izlazila kroz savijene cevčice, vrteći kuglu.

Slične sprave su ponekad korištene za otvaranja vrata hramova bez ljudske intervencije, da se impresioniraju vjernici.

Heronova mašina je jedan od ranih primera rotacionih parnih mašina, od kojih su mnogi prototipovi izrađeni kroz vekove.^[9]

Denis Papen (Denis Papin) i Tomas Saveri (Thomas Savery) su bili nastavljači razvoja, poslie duge pauze. Saveri je 1698. napravio parnu mašinu-pumpu koja je radila na principu kondenzacije pare, stvarajući vakuum koji je „usisavao“ vodu.

Nekoliko njegovih mašina je praktično korišteno, uprkos veoma slabom stepenu iskorišćenja.

Tek je Tomas Njukomen (Thomas Newcomen) 1712. uspeo da stvori mašinu koja je počela nešto više da se koristi, pogotovo za pumpanje vode iz rudnika. Iskoristivost je i dalje bila slaba. Mašina je nazivana „atmosferska“ zato što je pritisak atmosfere vršio koristan rad kad klip ide dole.

Rad Njukomenove parne mašine:

• Sa klipom u donjem položaju, otvara se ventil koji pušta paru u cilindar.
• Klip se podiže, uglavnom pod dejstvom težine tega (na lijevoj strani crteža).
• Kad je klip pri vrhu, zatvara se dovod pare.
• Da bi se stvorio potpritisak ispod klipa, hladna voda se uštrcava u cilindar. To odmah dovodi do kondenzacije vodene pare i stvara se vakuum u cilindru.
• Atmosferski pritisak sad potiskuje klip nadole.
• Ventil za hladnu vodu se isključuje u podesnom trenutku.
• Ciklus se ponavlja.

Kako vidimo, koristan rad vrši atmosferski pritisak, potiskujući klip u vakuum nastao kondenzacijom pare. Zato se ovakva mašina ponekad naziva atmosferskom.

U prvim verzijama Njukomenove mašine, ventili su otvarani i zatvarani ručno (!) u toku ciklusa. Postoji priča da je dečak koji je bio zaposlen da upravlja ventilima, sam došao na zamisao da poveže ventile sa „klackalicom“ na vrhu mašine i tako automatizuje proces. Bilo kako bilo, kasnije Njukomenove mašine su imale sistem poluga koje su automatski otvarale i zatvarale ventile u pogodnom trenutku.

Idući veliki skok u razvoju je bilo uvođenje mašina koje je konstruisao Džejms Vat (James Watt).^[10]

Pažljivim posmatranjem i analiziranjem Njukomenove mašine, Vat je uspio da poveća stepen iskoristivosti 4 puta, dodajući kondenzator pare, efikasniji bojler sa toplotnom izolacijom i drugo. Kondenzator je omogućavao da se vruća para pomiešana s vodom ponovo doda u cilindar, pa su gubici energije drastično smanjeni. Ipak i Vatova mašina je koristila nizak pritisak i kondenzaciju pare da stvori vakuum za rad.

Vat je bio izričito protiv mašina s visokim pritiskom, smatrajući ih opasnima (zbog čestih eksplozija kotlova koji nisu imali sigurnosne ventile).

Posle 1800, Ričard Trevitik i drugi su počeli da razvijaju parne mašine visokog pritiska i male mase za pogon vozova.

Tendencija ka sve većim pritiscima pare a zatim i stepenovanje ("kompaunding") su bile odlike daljeg razvoja.

U „kompaund“ motorima para je prolazila kroz nekoliko cilindara sve većeg prečnika, da bi se podigao stepen iskorišćenja.

Krajem 19. vijeka stapni (klipni) parni motori su dostigli vrhunac. Dalji razvoj parnih mašina je krenuo u pravcu parnih turbina, dok su klipne mašine praktično nestale.

Kreće se od 1% za Njukomenovu atmosfersku mašinu do 50% (moderne parne turbine).

Kao pogonska mašina za industriju, vozove i brodove. Parna turbina se koristi i za proizvodnju električne energije u elektranama.

Postoje razne vrste mašina koje se razlikuju po načinu rada. Vidi pod Parna mašina, vrste.

Glavni članak: Rankinov ciklus

Vidi takođe: Termodinamika i Prenos toplote

Rankinov ciklus je fundamentalna termodinamička osnova parne mašine.^[11][12] Ciklus je aranžman komponenti poput onog koji se tipično koristi za jednostavnu proizvodnju energije, i koristi fazne promene vode (ključala voda proizvodi paru, kondezujuća izduvna para prelazi u tečno stanje) za formiranje praktičnog sistema za konverziju toplote u rad. Toplota se unosi iz spoljašnjosti u zatvorenu petlju u kojoj se deo toplote konvertuje u rad, a višak se uklanja u kondenzatoru. Rankinov ciklus se koristi u virtualno svim proizvodnim aplikacijama na parni pogon. Tokom 1990-tih, Rankinovim parnim ciklusima je generisano oko 90% električne energije koja se koristi širom sveta, uključujući virtualno sve solarne, biomasne, ugljane i nuklearne elektrane. Ciklus je imenovan po Vilijamu Džonu Rankinu, škotskom polihistoru.

Rankinov ciklus se ponekad naziva praktičnim Karnoovim ciklusom, zato što kad se koristi efikasna turbina, TS dijagram počinje da podseća na Karnoov ciklus. Glavna razlika je da su dodavanje toplote (u bojleru) i odvođenje (u kondenzatoru) izobarski procesi (na konstantnom pritisku) u Rankinovom ciklusu, a izotermski procesi (konstantna temperatura) u teoretskom Karnoovom ciklusu. U ovom ciklusu se pumpa korisiti za stavljanje radne tečnosti pod pritisak nakon izlaska iz kondenzatora. Pumpanje radnog fluida u tečnoj formi tokom ciklusa zahteva malu frakciju energije u poređenju sa energijom potrebnom za komprimovanje radnog fluida u gasovitom stanju u kompresoru (kao u Karnoovom ciklusu). Ciklus klipne parne mašine se razlikuje od onoga u turbini po tome što se kondenzacija i ponovna evaporacija dešavaju u cilindru ili u ulazima za dovod pare.^[13]

Radni fluid u Rankinovom ciklusu može da operiše kao sistem zatvorene petlje, gde se radna tečnost kontinuirano reciklira, ili može biti sistem „otvorene petlje” gde se izduvna para direktno ispušta u atmosferu, i zasebni izvor vode napaja bojler. Obično je voda koristi kao radni fluid zbog njenih povoljnih svojstava, kao što su netoksičnosti i hemijska nereaktivnost, izobilna dostupnost, niska cena, i njena termodinamička svojstva. Živa je radni fluid u parnoj turbini s živom. Ugljenovodonici s niskom tačkom ključanja se mogu koristiti u binarnim ciklusima.

Parna mašina je znatno doprinela razvoju termodinamičke teorije; međutim, jedine primene naučne teorije koje su uticale na parnu mašiku su bili originalni koncepti iskorištavanja snage pare i atmosferskog pritiska i poznavanje svojstava toplote i pare. Vatova eksperimentalna merenja na modelu parne mašine dovela su do razvoja zasebnog kondenzatora. Vat je nezavisno otkrio latentnu toplotu, koja je potvrđena originalnim otkrićem Džozefa Bleka, koji je isto tako savetovao Vata o eksperimentalnim postupcima. Vat je takođe bio svestan promena tačke ključanja vode sa pritiskom. Inače, poboljšanja samog motora bila su mehaničke prirode.^[14] Termodinamički koncepti Rankinovog ciklusa su pružili inženjerima neophodno razumevanje potrebno za proračun efikasnosti, što je pomoglo u razvoju modernih bojlera visokog pritiska i temperature, i parne turbine.

Glavni članak: Termalna efikasnost

Vidi takođe: Efikasnost motora

Efikasnost ciklusa mašine se može izračunati deljenjem energetskog izlaza mehaničkog rada koji motor proizvodi sa energetskim unosom u motor putem sagorevanja goriva.

Istorijska mera energetske efikasnosti parne mašine je bila njena „obaveza”. Koncept obaveze je privi uveo Vat da bi ilustrovao koliko je njegova mašina efikasnija u odnosu na ranije Njukomenove dizajne. Obaveza je broj stopa-funti rada koje isporuči sagorevanje jednog bušela (94 funti) uglja. Najbolji primer Njukomenovog motora je imao obavezu od oko 7 miliona, ali je većina bilo oko 5 miliona. Vatove originalne mašine pod niskim pritiskom su mogle da isporuče obavezu i do 25 miliona, a u proseku su davale oko 17. To je bilo trostruko poboljšanje u odnosu na prosečni Njukomenov dizajn. Rane Vatove mašine opremljene za rad sa parom pod visokim pritiskom su imale učinak od 65 miliona.^[15]

Ni jedna toplotna mašina ne može da bude efikasnija od Karnoovog ciklusa, u kome se toplota pokreće sa rezervoara na visokoj temperaturi na rezervoar sa niskoj temperaturi, i efikasnost zavisi od temperaturne razlike. Za najveću efikasnost, parne mašine trebaju da rade na najvećoj mogućoj temperaturi pare (pregrejanoj pari), i da oslobađaju suvišnu toplotu na što je moguće nižoj temperaturi.

Efikasnost Rankinovog ciklusa je obično ograničena radnim fluidom. Izuzev ako pritisak dostigne nadkritične nivoe za radni fluid, temperaturni opseg u kome ciklus može da operiše je sasvim mali; u parnim turbinama, turbinske ulazne temperature su tipično 565 °C (limit puzanja nerđajučeg čelika), a temperature kondenzatora su oko 30 °C. To daje teoretsku Karnoovu efikasnost od oko 63%, dok je stvarna efikasnost oko 42% kod modernih elektrana na ugalj. Ova niska turbinska ulazna temperatura (u poređenju sa gasnim turbinama) je razlog što se Rankinov ciklus često koristi kao završni ciklus u elektranama sa gasnim turbinama kombinovanog ciklusa.^[16][17]

Jedna od glavnih prednosti Rankinovog ciklusa je da je tokom kompresionog stupnja potrebno relativno malo rada za prenos fluida pumpom, jer je radni fluid u tečnoj fazi u tom stupnju. Rad neophodan za pumpanje kondenzovanog fluida je samo 1% do 3% turbinske (ili klipno motorske) snage i to doprinosi povećanoj efikasnosti realnog ciklusa. Korist od toga se donekle gubi zbog niže temperature dodavanja. Gasne turbine, na primer, imaju turbinsku ulaznu temperaturu od oko 1500 °C.^[18] Uprkos toga, efikasnost stvarnih velikih parnih ciklusa i velikih modernig gasnih turbina je približno jednaka.^[19][20]

U praksi, ciklusi klipnih parnih mašina sa koje ispuštaju paru u atmosferu tipično imaju efikasnost (uključujući bojler) u opsegu 1-10%, dok se dodatkom kondenzatora i višestruke ekspanzije, kao i primenom pare pod visokim pritiskom/temperaturom, to može znatno popraviti, istorijski u opseg od 10-20%, a u nekim slučajevima i nešto više.

Moderne velike elektrane (koje proizvode nekoliko stotina megavata električnog izlaza) sa podgrejavanjem pare, economizerom itd. dostižu efikasnost od preko 40%, dok se najefikasnije jedinice približavaju stopi od 50% termičke efikasnosti.^[21]

Takođe je moguće koristiti otpadnu toplotu koristeći kogeneraciju pri čemu se otpadna toplota koristi za zagrevanje radnog fluida sa nižom tačkom ključanja ili kao izvor toplote za daljinsko grejanje preko zasićene pare niskog pritiska.

• 
  Parna lokomotiva – GNR N2 klasa
• 
  Bicikl na parni pogon
• 
  Britanska vatrogasna kola na parni pogon – primer mobilne parne mašine
• 
  Samopokretna lokomobila, 1918-1936.
• 
  Samopokretna lokomobila, 1918-1936.

• Motor
• Parna turbina

• Thompson, Ross (2009). Structures of Change in the Mechanical Age: Technological Invention in the United States 1790-1865. Baltimore, MD: The Johns Hopkins University Press. ISBN 978-0-8018-9141-0. 

Parna mašina na Wikimedijinoj ostavi

• Knjiga o razvoju klipnih parnih mašina iz 19. vijeka. (engleski)
• Animated engines – Illustrates a variety of engines
• Howstuffworks - "How Steam Engines Work"
• Video of the 1900 steam engine aboard paddle steamer Unterwalden^{[mrtav link]}