Парната машина е вид двигател с външно горене, който използва топлинната енергия, налична във водната пара, преобразувайки я в механична работа.

История Идеята за парна машина идва от Херон. Неговата машина представлявала една сфера, поставена над котел и свързана към него чрез две тръби."Heron of Alexandria". Encyclopædia Britannica 2010 – Encyclopædia Britannica Online. Така парата минава през тези тръби, докато стигне сферата, и излиза през други две тръби, които се намират в противоположните краища на сферата. Така парата предизвиква достатъчна сила (тласък), за да завърти сферата.

Първата парна машина е построена през 1679 г. от Дени Папен и представлявала цилиндър с лост, който се издига под действието на парата, а после се спуска под атмосферното налягане след сгъстяването на отработената пара. След него Томас Сейвъри разработва водна помпа, задвижвана с пара. Тя имала недостатъка от висок риск от експлозия на парата, но все пак намерила приложение в мините и помпените станции.

Първата парна машина с търговски успех се появява около 1712 г. Изработена е от Томас Нюкомен въз основа на опита на Сейвъри и Папен. Машината на Нюкомен е доста неефективна и се ползва най-често за изпомпване на вода. Принципът ѝ на работа е създаване на частичен вакуум (понижено налягане) чрез кондензиране на парата в специален цилиндър. Тази машина също е използвана основно в мините за отвеждане на водата от голяма дълбочина – нещо дотогава принципно невъзможно.

Окончателни усъвършенствания в парната машина били направени през 1769 г. от Джеймс Уат, който добавя кондензатор и пропускане на парата в цилиндъра последователно от двете страни на буталото). Тези подобрения се оказват важни и се появяват точно навреме, за да може парната машина да стане двигател на индустриалната революция.

Уат няма специално образование и работи като майстор в работилницата към Глазгоуския университет. Пътят му към световната слава започва с изпълнението на съвсем обикновена задача – ремонт на машина на Нюкомен. Той установява, че принципът, върху който е създаден моделът на Нюкомен, е погрешен. Тъй като парата е еластично тяло, разсъждава Уат, ако между цилиндъра и изпускателното устройство има връзка, парата ще проникне там. Именно там тя ще може да се кондензира, без да се охлажда цилиндърът. Така се ражда идеята за най-важния елемент на парната машина – отделен от работния цилиндър топлообменник, или „кондензатор“. Уат започва да работи над своя модел, който днес, след повече от 200 години, може да се види в музея в Лондон. На 9 януари 1769 г. получава патент за „начини за намаляване разхода на пара, и вследствие на това – на гориво в огневите машини“.Биографична енциклопедия „Физици“, 1980 г. Благодарение на икономичността си парната машина на Джеймс Уат получава широко разпространение и изиграва огромна роля за прехода към машинно производство. На негово име е наречена единицата за мощност – ват.„Енциклопедия А-Я“, Издателство на БАН, София, 1999 г. Машината на Уат използва 75% по-малко въглища за загряване на водата от тази на Нюкомен и затова е по-евтина за експлоатация. Уат продължава да доусъвършенства машината, като добавя възможност за въртеливо движение, което е подходящо за задвижване на фабрични машини. Това отваря възможност фабриките да не са непременно разположени в близост до реки, и ускорява индустриалната революция.

Ранните машини на Нюкомен и Уат са наречени „атмосферни“, защото важна роля в генерирането на движение играе частичният вакуум, генериран от кондензиращата се пара – противоположно на налягането на разширяващата се пара. Използваният цилиндър е трябвало да е с големи размери, тъй като върху него упражнява действие единствено атмосферното налягане. Парата се използва само за компенсиране на това налягане при връщането на буталото в начална позиция.

Около 1800 г. Ричард Тревитик и независимо от него Оливър Еванс (1801) въвеждат използването на пара под високо налягане. Тези машини са много по-мощни и освен това могат да имат много по-малки размери, което ги прави подходящи за транспортни приложения. Оттам насетне, напредъкът в техниката и в производствените технологии (които на свой ред се дължат на въвеждането на парната машина като двигател) водят до създаване на все по-ефективни конструкции на парни машини, все по-малки и по-мощни.

Голямо значение за развитието на индустрията има и развитието на железопътния транспорт и създаването и усъвършенстването на парните локомотиви.

Последният значителен напредък в еволюцията на парната машина е преходът от бутала към турбини в началото на 20 век. Те са много по-ефективни от буталата, имат по-малко движещи се части и директно осигуряват въртящ момент, вместо чрез мотовилка или друг допълнителен елемент.

Парните машини остават основно задвижващо средство доста след началото на 20 век, когато са изместени от електрическите двигатели и двигателите с вътрешно горене. В съвременните им приложения се използват преди всичко турбини, а буталните парни машини остават само за музеите.

Парен цикъл

Парният цикъл (цикъл на Ранкин) е фундаменталният термодинамичен процес, обясняващ действието на парната машина. Този термодинамичен цикъл превръща топлината в работа. Топлината се доставя от външен източник в затворен обем, в който в случая на парната машина циркулира вода и пара. Този цикъл се използва при получаването на около 90% от цялата електрическа енергия, използвана по света, включително в почти всички електрически централи. Наречен е на името на Уилям Ранкин, шотландски физик, инженер и енциклопедист.

Понякога цикълът на Ранкин се нарича „практически цикъл на Карно“, защото, когато се използва ефективна турбина, започва да прилича на цикъла на Карно, който описва идеален топлинен двигател. Основната разлика е, че при цикъла на Ранкин добавянето на топлина (в бойлера) и нейното отделяне (в кондензатора) са изобарни процеси (протичащи при постоянно налягане), докато при цикъла на Карно те са изотермни процеси. Понякога в този цикъл се използва помпа за нагнетяване на работния флуид от кондензатора. Изпомпването на флуида по време на цикъла във вид на течност изисква много по-малко енергия за транспортирането му в сравнение с работата с газ в компресор, както е в цикъла на Карно.

Работният флуид в цикъла на Ранкин се намира в затворен кръг и се използва повторно постоянно. Макар че могат да се използват много флуиди, най-често се използва вода поради нейните свойства нетоксичност, нереагиране с химически вещества, изобилие и ниска цена, както и поради специфичните ѝ термодинамични свойства.

Бутални машини

Парните машини са с просто или двойно действие в зависимост от това дали парата действа на буталото само от едната или от двете му страни. В зависимост от броя на цилиндрите те са, двуцилиндрови и многоцилиндрови; в зависимост от разположението – вертикални, хоризонтални и наклонени и т.н.

Устройството и принципът на действие на една хоризонтална, едноцилиндрова, двойнодействаща парна машина с шибърно пароразпределение е следното: с помощта на пароразпределителния механизъм парата постъпва поред в лявата и дясната част на цилиндъра. Разширявайки се, тя задвижва буталото, което се премества съответно надясно или наляво.

Уат продължава да доусъвършенства машината, като добавя възможност за въртеливо движение, като добавя планетарен механизъм от зъбни колела, чрез който движението в права посока може да се преобразува в кръгово. В този механизъм има 2 зъбни колела, наречени „слънце“ и „планета“. „Слънцето“ е голямо колело със закрепено в центъра му малко зъбно колело. Другото зъбно колело („планетата“) е свързано с буталото на двигателя и се върти около централното зъбно колело. Едно пълно завъртане на „планетата“ довежда до две пълни завъртания на „слънцето“.

Други видове Парна турбина

Парната машина, получила най-голямо разпространение в индустрията, е парната турбина.

Парната турбина се състои от един или няколко ротора с перки (витла), монтирани на задвижващ вал. Парата въздейства върху тези витла, като ги завърта. Статорът се състои от подобни, но фиксирани серии от витла, които служат да пренасочват потока на парата към следващата степен на ротора. Парната турбина често е свързана с кондензер, който осигурява ниско налягане на изхода. При използване за производство на електрическа енергия, парните турбини са свързани директно към електрически генератори и се въртят със скорост 3000 оборота/минута за Европа и други страни с 50 Hz електрически захранващи системи. Турбините могат да се въртят само в една посока. Следователно при използване за директно задвижване е необходимо използването на предаватела кутия, която да обръща посоката.

Главното използване на парните турбини е за производство на електрическа енергия – през 1990 г. около 90% от световното производство на електрическа енергия се извършва с парни турбини.

Всички АЕЦ генерират електричество чрез нагряване на вода и получаване на пара и задвижване на парни турбини, свързани с електрическите генератори.

Реактивен двигател

Въпреки че една от първите машини, използващи силата на водната пара, изработена от Херон Александрийски, използва реактивната струя на излизащата с голяма скорост пара, това откритие не намира голямо практическо приложение в миналото и сега.

Компоненти на парната машина Има два основни компонента на една парна централа: парогенератор (бойлер) и самата парна машина. При стационарните парни машини тези два компонента могат да са в отделни сгради за по-голяма сигурност.

Източник на топлина Топлината, която е необходима за загряване на водата и получаването на пара, може да бъде от различни източници, най-често от изгарянето на изкопаеми горива при подаването на въздух в затворена горивна камера. В някои случаи източникът на топлина е ядрен реактор, геотермална енергия, слънчева енергия или отпадна енергия от двигател с вътрешно горене или от индустриален процес.

Парен котел

Има два основни начина за предаване на топлината към водата, която се използва за пара. Водата преминава през една или повече тръби, обиколени от горещите горивни газове, виж водотръбен котел. Водата се намира в съд, вътре в който се намират тръби, през които преминават горещите горивни газове, виж газотръбен котел.

След като превърнат водата в пара, голяма част от парогенераторите я загряват още повече до състояние на прегрята пара. Това предотвратява кондензирането на парата в самата парна машина и осигурява много по-голяма ефективност на работа.

Охладител Всички парни машини имат на изхода си голямо количество отпадна топлина под формата на пара с ниска температура. Тази пара трябва да се охлади, като най-простият начин е да се изпусне парата в атмосферата. Така се прави при парните локомотиви.

Понякога парата може да се използва за отоплителни нужди, например в жилищни сгради близо до ТЕЦ, и по този начин се подобрява общата ефективност на инсталациите. Там, където това не може да се направи, се използват различни охладители с използването на вода от океани, реки, езера и други. Много често за целта се използват водоохладителни кули, при които водата се изпарява, като по този начин се охлажда останалата част и се връща чрез помпа обратно в парогенератора. Това са така наречени мокър тип охладителни кули. Съществуват и сух тип от затворен вид, при който разходът на вода е минимален и се използва при места, който нямат достатъчно водни източници. Изпарителните водоохладителни кули също се нуждаят от много по-малко вода, отколкото охлаждането с външен източник на охлаждаща вода.

Помпа Повечето парни машини притежават водни помпи за рециклиране на водата или допълване на вода в котела на машината, така че те да могат да работят непрекъснато. Индустриалните парни машини използват многостепенни центробежни помпи, както и други видове. За подаване на вода в котли с ниско налягане се използва инжектор, който използва пара от котела. Те се използват основно в парните локомотиви.

Наблюдение и контрол