P R E S E K
List za mlade matematike, fizike, astronome in računalnikarje
ISSN 0351-6652 Letnik 23 (1995/1996) Številka 1 Strani 5-11
Janez Strnad: PRVI PARNI STROJI
Ključne besede: fizika, črpalke, delo, toplota, toplotni stroji, Denis Papin, Thomas Newcomen, James Watt, Sadi Carnot.
Elektronska verzija: http://www.presek.si/23/1252-Strnad.pdf
© 1995 Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije © 2010 DMFA - založništvo
PRVI PARNI STROJI
Proti koncu 17. stoletja se je v Angliji pojavila potreba po strojih z večjo močjo od tistih, ki so jih poganjali ljudje, konji ali mlinska kolesa. Predvsem so jih potrebovali za črpanje vode iz vse globljih rudnikov. Ta praktična potreba je pripeljala do novih spoznanj. Pravijo, da dolguje fizika parnemu stroju več kot parni stroj fiziki.
Zgodbo začnimo s Christianom Huygensom, ki so ga v Parizu povprašali, ali bi bilo mogoče s strojem črpati vodo v vodovod za versajske vodomete. Leta 1673 je namreč razmišljal o stroju na smodnik, a je zamisel opustil kot prenevarno. Vprašanje je postavil mlajšemu sodelavcu Denisu Papirni, ki je bil spreten eksperinientator. Njegov dobri glas je segel do Roberta Boyla, ki gaje leta 167!} povabil kot pomočnika v London, preden je lahko odgovoril na Huvgeusovo vprašanje. V Londonu je Papin leta 1G79 izumil tlačni lonec, v katerem je bilo mogoče kuhati v vodi pri višjem tlaku pri temperaturi uad 100°C.
Tedaj so že vedeli, da kaplje vin a izpareva pri temperaturi, to je pri vrelišču, ki je zanjo značilna, in da je vrelišče odvisno od tlaka. Papin je zares ugotovil, da vre voda v loncu pri višjem tlaku pri višji temperaturi, in približno določil odvisnost vrelišča vode od tlaka. Lonec je imel tudi varnostno zaklopko, ki je preprečevala, da bi tlak v njem preveč naraste]. Pri višji temperaturi so se jedi skuhale hitreje in so se živila bolj zmehčala. Zaradi tega odkritja je bil Papin izvoljen v Kraljevo družbo, angleško akademijo znanosti. Ob tej priliki je članom družbe postregel s kosilom, ki ga je skuhal v svojem loncu.
Leta 1690, ko je delal v Marburgu, je Papin v članku Nov način, kako dobiti znatne gonilne sile po nizki ceni opisal "prvi stroj, ki lahko s silo ognja dviga vodo". Pri tem se je oprl na Ruygensovo zamisel in na poskuse magdeburškega župana Otta von Guerickeja. Temu je zračni tlak dvignil bal, z bremenom, ko je iz valja nad batom z zračno razredčevalko izčrpal večji del zraka. Izkušnje s tlačnim loncem so Papina napeljale na misel, daje mogoče silo pare uporabiti za opravljanje dela.
V stroju je Papin s paro dosegel znižani tlak. V valj z batom je uvedel paro pri tlaku, ki ni bil znatno višji od zračnega tlaka. Potem je zunanjost valja oblil s hladno vodo, da se je para v valju utekočinila, V valju je nastal znižani tlak in razlika zračnega tlaka na zunanjo stran bata in znižanega tlaka v notranjosti je dvignila bat (slika 1). Osem let pozneje je izdelal še parni stroj na zvišan tlak, ki pa ni vplival na nadaljnji razvoj. Mislil gaje vgraditi v ladjico, toda nezauplivi čolnarji sojo uničili.
Slika 1. Risba Papinovo. črpalke na znižani tlak iz članka v reviji Acta ervdttorum leta 16i>0. V valju A se je gibal !'.!I H. ki je bil povezan z drogom M. Valj je bil obešen v D in po cevi E je dotekala vanj para poti tlakom, ki je bil malo višji od zračnega. Para se je utekočinila, ko so valj oblili s hladilo vodo, in zmanjšani tlak nad batolu je posrkal bal. navzgor.
Na angleške potrebe po črpalkah se je odzval Thomas Savery. Kot izumitelj je bil član Kraljeve družbe in je njenim članom leta 1699 predvajal črpalko, ki jo je patentiral leto poprej. Za razliko od Papinove ni imela bata. Najprej je para pod visokim tlakom stisnila vodo iz posode skozi navpično cev navzgor (slika 2). Nato so posodo ohladili, da seje para v njej utekočinila, in je nastali znižani tlak posrkal vodo po navpični cevi iz spodnjega rezervoarja. Zaklopke, ki so urejale Lok pare in vode, so vključevali ročno. Saverv je zagotavljal, da bodo njegove črpalke poceni
črpale vodo iz rudnikov in da se bo angleško rudarstvo močno razmahnilo. Glede tega se je motil. Črpalk v rudnikih niso mogli uporabljati. Potrebovali bi namreč paro pri tlaku več barov, Česar pa v tistem času še niso obvladali. Uporabljali so jih le za črpanje vode v stavbe in v rezervoarje za vodomete pri višinski razliki manj kot deset metrov. Za ta primer je namreč zadostovala para pod tlakom, le malo večjim od zračnega tlaka. Vseeno je Savervjeva črpalka poganjala prve vrteče se stroje okoli leta 1750: vodo so črpali v rezervoar v višini kakih i} metrov in z njo poganjali mlinska kolesa. Savervjeve črpalke kljub izdatni Uporabi ni veliko prispevala k razvoju parnega stroja.
Pomembnejši korak je naredil Thomas Nevvcomen. O njegovi izobrazbi je mogoče le ugibati, a zdi se, da sta si on in njegov pomočnik John Cawley vsaj z izkušnjami pridobila veliko spretnost. Celo poročilom njunih sodobnikov ni mogoče zaupati, saj najdemo med njimi tudi neverjetne zgodbe. Tako naj bi na primer samodejne zaklopke iznašel fant, ki bi moral ročno uravnavati zaklopke pri črpalk i, pa je v tem času raje odhajal lovit ribe. Prva Nevvcomnova črpalka, ki so jo postavili leta 1712 v okolici Birminghamna, je dobila dokončno obliko 5 let pozneje. Naslednjih petdeset let sojo izpopolnjevali, ne da bi spremenili zasnovo.
Slika 2. Risba Saverjjeve črpalke iz knjižice Rudarjev prijatelj i z leta 1T0'2. Iz parnega kotla B nad k ui ¡m fin A je pritekla para pod dokaj visokim tlakom v valja D Ui je vodo h njiju skozi notranji zaklopki in zgornji navpični cevi G iztisnila na prosto (ob zaprtih zunanjih zaklopkah E). Nato so oblili valja s hladno vodo, da se je para utekočinila. Znižani tlak je skozi zunanji zaklopki E in spodnji navpični cevi posrkal vodo navzgor po cevi H v valja (ob zaprtih notranjih zaklopkah E).
Newcoirinova črpalka je tako kot Papiuova imela v valju bat. Zanjo je bil poleg samodejno delujočih zakjopk značilen delovni vzvod v obliki jarma. Na eni strani je bil nanj z verigo pritrjen bat, na drugi pa težki drog črpalke. V valj so skozi zaklopko uvedli paro pri tlaku, ki je bil malo višji od zračnega tlaka, iz parnega kotla pod valjem. Ob tem seje zaradi svoje teže drog spustil in to je dvignilo bat. Nato so v valj skozi drugo zaklopko vbrizgali hladilno vodo (slika 3). Tlak pod batom se je znižal na kako polovico zračnega tlaka in zračni tlak na zgornji del bata je bat pognal navzdol in dvignil drog skupaj z vodo. Tako je naprava posnemala delovanje črpalk z vzvodom, s kakršnimi pogosto dvigajo vodo iz vodnjakov, Take črpalke vidimo še danes v filmih z naftnih polj jugozahodnega dela ZDA, ie daje v njih elektromotor nadomestil parni stroj. Newco-mnov parni kotel je bil iz bakra kot kotli v pivovarnah. Tlak v njem ni bil znatno višji od zračnega tlaka, saj je imel prvi kotel varnostno zaklopko naravnano na tlačno razliko dobre desetine bara.
Na začetku so menda tudi Newcomnovo črpalko hladili s tem, da so valj z zunanje strani oblivali s hladilno vodo kot pri Papinovi. Nekoč je po nesreči voda vdrla v valj in tako hitro utekočinila paro, da je vrglo bat iz valja. To naj bi bil razlog, da so v prihodnje vbrizgavali hladno vodo v valj in s tem dosegli, daje črpalka delovala hitreje in zmogla več kot deset, gibov na minuto. Papinova črpalka, pri kateri so valj oblivali z vodo, je bila znatno počasnejša; zmogla je 3 do 4 gibe na minuto. Valj prve Newcomnove črpalke je imel premer pol metra in pri M gibih na minuto je črpalka delala z močjo več kot 4 kVV. Pozneje so črpalke te vrste dosegle skoraj dvajsetkrat večjo moč.
Newcomnova črpalka je zadovoljila potrebe tedanjega časa in je imela pomembno vlogo. Zato v njej ne kaže videti samo naključne prehodne razvojne stopnje. Na drugi strani pa je res, da Neweomen kljub svoji spretnosti ni našel nekaterih boljših rešitev, o katerih bi se lahko poučil v starejših knjigah,
Izučeni mehanik James Watt je bil drugačnega kova.. Prvič je prišel v stik z Newcomnovo črpalko leta 1763, ko so mu prinesli v popravilo model za poučevanje. Po dveh letih razmišljanja je uvidel, kako bi bilo mogoče izkoristek črpalke in njeno moč izdatno povečati.
Pare ni več utekocinj al v valju, saj je trajalo precej časa, preden je nato para ohlajeni valj zopet segrela. Paro je odvedel in utekočinil v ločenem kondenzatorju in s tem še pospešil gibanje. Poleg tega je izkoristil dvojno delovanje; najprej je uvedel paro nad bat, da ga je stisnila navzdol, nato pa pod njega, da gaje dvignila. Z ekscentrom, drogom in vztrajnikom je gibanje sem in tja spremenil v vrtenje. Nazadnje je valj še postavil v vodoravno lego.
Uporabil je tudi centrifugalni regulator, ki so ga dotlej poznali v mlinih, za povratno vez. Naprava, ki so jo sestavljali dve uteži v obliki kroglic, vijačna vzmet in vzvodi, se je vrtela z enakim številom vrtljajev na minuto kot stroj. Vzmet se je stiskala tem bolj, čim hitreje se je vrtela naprava, in z vzvodom tem bolj zapirala zaklopko za dovajanje pare. V valj je priteklo tedaj manj pare in stroju se je nekoliko zmanjšalo število vrtljajev na minuto. Tako so dosegli, da se število vrtljajev na minuto ni znatno oddaljilo od naravnane vrednosti.
Slika 3. Poenostavljena risba Newcotitnove črpalke: K kotel, 2 vstopna zaklopka, V valj, B bat, VE veriga, D delovni vzvod, DR drog, VV vbrizgavanje hladilne vode, C črpalka za hladilno vodo.
Slika 4. Poenostavljena risba Wattove črpalke: K kotel, V valj, B bat, KO kondenzator, C črpalka za zrak.
James Watt je svoje iznajdbe patentiral leta 17G9, a šele leta 1775 je zgradil prvi stroj. Tedaj je parni stroj začel svojo pot, na kateri je omogočil razvoj industrije v Angliji. Dandanes pa ga več ne uporabljajo, popolnoma ga je izpodrinila parna turbina.
Sadi Carnot je opazoval ta razvoj in obžaloval, da Francija v gradnji parnih strojev zaostaja za Anglijo. Namenil se je storiti kaj proti zaostajanju. Na splošno je raziskal značilnosti parnega stroja. Podrobnosti ga niso zanimalo, osredotočit se je na tok toplote. Ugotovil je, da stroj poleg "visoke temperature potrebuje tudi nizko". Stroj je primerjal z mlinskim kolesom. Če pade na lopatice voda z maso m za višinsko razliko z2 — Z\, stroj v najugodnejšem primeru odda dejo, ki je sorazmerno z maso vode in višinsko razliko:
, CARNDT i 1798 do 1632
WATT 1736 do 1S1S
NEWCOMEN 1663 do 1729 SAVERY 1650 do 171Z
PAPIN 1647 do 1711
1650	1700	1750	1800
Slika 5. Življenski čas mož, ki so zaslužni za razvoj parnega stroja. Denis Papin iz Coudraisa blizu Bloisa v Franciji je končal študij medicine. Najprej je kot fizik delal v Parizu in nato v Londonu, Kot protestant se ni vrn.il v Francijo, ampak je nekaj časa preživel v Italiji iti se nato preselil v Nemčijo. Umrl je v revščini v Londonu. Tilomas Savery iz Slúlstona je izumil več naprav. Umrl je v Londonu. Tilomas Newcomen iz Darthmoutha je bil trgovec z železni no in izdelovalec kovinskih predmetov. Tudi on je umrl je v Londonu. O obeh Angležih in še posebej o Newconum in njegovem pomočniku Johnu Cawleyu so podatki nenavadno skopi, James Watt iz Greenocka na Škotskem se je kot vajenec v Londonu izučil za mehanika. Predpisi niso dopuščali, da bi odprl lastno delavnico, zato je leta 1756 poslal mehanik na glasgowski umverzi, kjer je ostal do upokojitve leta 18UÜ. Dosegel je veliko časti, plemiški naslov pa je odklonil. Umrl je v Heallifieldu blizu Birmmgliama. Kot enoto za moč je vpeljal konjsko moč. Ugotovil je namreč, da lahko konj v sekundi dvigne breme 150 funtov za čevlja: 1 KM — >5(1 teža fimta-čevelj/s. Danes uporabljamo kot enoto za moč watt: 1 W = 1 kgmVs3; 1 KM = 746 W, 1 kW = 1,34 KM.
Po podobnosti toplotni stroj odda delo
A0iid cc Q{T-i - T]).
Masi vode ustreza toplota Q, ki jo prejme toplotni stroj pri višji temperaturi višinski razliki pa razlika temperatur Ta — Tj.. Carnotu je bila podobnost domača, saj so tedaj imeli toploto za nekakšno snov. Zato je Carnot mislil, da stroj odda pri nižji temperaturi T\ enako toploto, kot jo pri višji prejme. Danes vemo, da ni tako: stroj prejme pri višji temperaturi toploto Q2 in pri nižji temperaturi odda manjšo toploto QOddano delo je razlika obeh toplot: —A = — Q\. Po odkritju energijskega zakona sredi prejšnjega stoletja so v tem pogledu dopolnili Carnotovo izvajanje. Vseeno je Sadi Carnot s knjižico 0 gibalni moči ognja m o strojih, namenjenih izkoriščanju te moči leta 1824 začel razvoj, ki je pripeljal do entropijskega zakona ali drugega zakona tennodinamike (glej Presek 10 (1982/83) 24).
Janez Strnad