Muzeum starých strojů

James Watt a parní stroj

James Watt

James Watt

Narodil se dne 19. ledna 1736 ve skotském městě Greenocku. Jeho matka pocházela ze šlechtické rodiny a otec byl váženým obchodníkem. James vynikal v matematice, fyzice a geometrii, ale ostatní předměty mu nešly zrovna nejlépe. Pro své chatrné zdraví nemohl navštěvovat školu, a tak se učil doma za pomoci matky. Byl velmi zručný a často sestrojoval v dílně svého otce různé předměty v malém měřítku: rumpály, pumpy, jeřáby, a jiné. Pro své schopnosti a milé chování byl velmi oblíbený. V roce 1753 zemřela Jamesova matka. A tak s touhou po vzdělání začíná přemýšlet o svém budoucím povolání. Toužil po vyšším vzdělání, ale neměl peníze. Později se rozhodl pro jemnou mechaniku. Začal se učit v Glasgowě optikem a mechanikem, ale neměl příliš dobrého mistra, a tak se začal ohlížet po někom jiném. Zanedlouho se James seznámil s profesory na místní univerzitě a ti mu doporučili, aby jel do Londýna. Tam se dostal k výrobci matematických přístrojů Johnu Morganovi. Brzy vynikal přesností a důkladností veškerých jemu svěřených prací. Zde však onemocněl, a proto se ve svých dvaceti letech vrátil do svého domova. Po svém uzdravení získal místo univerzitního mechanika. Roku 1757 přivezli do univerzitní dílny rozbitý model Newcomenova ohňového stroje na opravu. Watt nic takového dříve neviděl, ale nakonec stroj opravil a uvedl do chodu. Ohňový stroj se mu nelíbil, protože to bylo těžké a nevzhledné monstrum, které spotřebovalo nepředstavitelné množství uhlí. Problémem parního stroje se Watt začal zabývat teprve v roce 1759 z nápadu svého přítele Robinsona. Povzbudil ho, aby sestrojil parní stroj, který by poháněl vozidla. Watt se pustil s chutí do nové práce a ještě téhož roku zhotovil malý model vozu, poháněného parou. Ale strojek se neosvědčil.

Newcomenovy ohňové stroje pracovaly již dlouhá léta v anglických dolech. Byly to primitivní parní stroje, které se dobře hodily k pohonu důlních čerpadel. Tyto stroje postavil anglický kovář Thomas Newcomen již roku 1712. V tomto stroji se vyráběla pára v primitivním kotlíku, z něhož se vpouštěla do válce pod píst a píst zdvíhala. Když se dostal píst do nejvyšší polohy, vstříkla se do válce dosud naplněného parou studená voda, která způsobila zkapalnění páry a vytvoření vzduchoprázdnoty. Píst se potom pohyboval tlakem atmosférického vzduchu dolů a táhl s sebou jeden konec dvouramenné páky, ke kterému byl připevněn. Na druhém konci páky byla řetězem připevněna pístní tyč pumpy. Tento parní stroj byl stojatý a nad ním v kamenném zdivu byla otočně upravena již zmíněná dvouramenná páka.

Později začal Watt o ohňovém stroji opět přemýšlet. Navštěvoval proto přednášky o teple. Přitom se dozvěděl mnoho užitečných teoretických poznatků. Postupně dospěl k závěru, že Newcomenův ohňový stroj je proto tak nehospodárný, že se v něm neustále zvyšuje a snižuje teplota. Válec se musel nejdříve parou zahřát tak, aby se v něm pára nesrážela a aby se píst jejím tlakem zvedl, a po chvíli ho bylo třeba naopak ochladit, aby se pára srazila ve vodu a píst se mohl vrátit do původní polohy. Řešení, jak využít páru hospodárněji (bylo ji zapotřebí několikrát víc, než byl obsah válce), avšak stále nenacházel. Začátkem roku 1765 při jedné odpolední procházce napadlo Watta náhle správné řešení celého problému: páru je nutno srážet v nějaké válcem spojené nádobě a ne přímo ve válci. V tomto okamžiku vynalezl Watt kondenzátor a v několika dalších dnech promyslel další podrobnosti. Poznal, že kondenzovanou vodu i vzduch vniklý do kondenzátoru se vstřikovanou chladící vodou je nutno z kondenzátoru odtahovat čerpadlem. Watt dále usiloval o to, aby parní válec byl stále udržován na přiměřené teplotě, a zkoušel proto různá pevná těsnidla. Konečně přišel na myšlenku, že bude nejlépe, když parní válec uzavře víky na obou stranách. Tím vynalezl vlastně dvojčinný parní stroj, u něhož pára pracuje na obou stranách pístu. Jenže od nápadu k jeho uskutečnění bylo ještě daleko.

Watt jistě netušil, jaké ohromné potíže bude nutno překonat, aby se nová myšlenka uskutečnila a přešla v prakticky upotřebitelný stroj. Kdyby předvídal těžkosti několika dalších let při stavbě parního stroje, sotva by měl odvahu pracovat dále na nové konstrukci parního stroje. Našel však lidi, kteří byli nadšeni velikostí úkolu a rozhodli se mu pomáhat. Po půl roce se mu podařilo zhotovit model parního stroje podle jeho výkresů. Když byl model uváděn do pohybu, unikala se sykotem pára z kdejakého otvoru. Watt byl však přesvědčen, že princip je dobrý, a věřil, že nedokonalosti tohoto modelu odstraní, bude-li stroj zhotoven ve větším měřítku. Ale byl opět zklamán. Byl sice zhotoven větší model stroje, ale výsledek byl stejný jako u modelu malého. Potíže činil kondenzátor, protože nebylo mechanika, který by dovedl Wattův vynález provést s náležitou přesností. Watt byl nucen naučit své dělníky přesné práci a sám pro ně zhotovit obráběcí nástroje anebo nové vynalézt, aby svůj vynález mohl provést. První větší parní stroj postavil za pomoci starého klempíře, který stavbě stroje velmi málo rozuměl. Stroj neběhal a Watt byl už zoufalý. Neměl už peníze a tak musel hledat pomoc. Našel ji u dr. Roebucka, lékaře a průmyslníka. Dr. Roebuck věděl, co může Wattův stroj znamenat pro jeho průmyslové podniky, ale jako podmínku pro svou finanční pomoc stanovil patentovou ochranu stroje. Roebuck naléhal na Watta, aby okamžitě postavil ne model, ale skutečný prakticky využitelný stroj. Watt ho tedy zkonstruoval, ale stroj nefungoval, protože přesně odlitý píst ve válci netěsnil, pára v kondenzátoru se nesrážela a výrobek měl ještě celou řadu závad. Watt byl zklamán. potřeboval další peníze na nové zkoušky, ale ty už neměl ani jeho společník. Chtěl příliš rychle zbohatnout, koupil nevýhodně doly, poslední peníze vsadil na Wattův stroj a náhle se ocitl na mizině, zbankrotoval. Jeden z věřitelů, vychytralý průmyslník Matthew Boulton, jemuž byl také dlužen, mu zabavil i Wattův patent, tedy dvě třetiny případného zisku, který vynález přinese. Boulton se stal Wattovým společníkem. Vlastnil továrnu na hodiny a ozdobné a umělecké předměty všeho druhu. V továrně byly obráběcí stroje, soustruhy, leštící a čístící stroje poháněny dvěma vodními koly. Záhy se však ukázalo, že pro pohon obráběcích strojů nepostačují dvě vodní kola Boulton uvažoval o tom, jak by si nejlevněji opatřil hnací sílu. Ředitelem jeho závodu byl vynikající technik Dr. Small, důvěrný Wattův přítel. Jím byl Boulton upozorněn na Wattovy vynálezy a pokusy. Boulton založil s Wattem podnik pro stavbu parních strojů. Když se Wattovy začínalo dařit byl zasažen velmi bolestnou ranou, dostal zprávu, že jeho oddaná manželka podlehla těžké nemoci. Tuto přetěžkou ztrátu nesl Watt s mužnou odvahou a zdvojnásobil své pracovní úsilí, aby v intenzivní práci našel zapomenutí. Zdálo se, že nastal konec všech obtíží, ale ty se záhy vynořily znovu. Praktické potíže se nedaly překonat. Bylo dost zámečníků, kovářů, slévačů, soustružníků, ale nebylo dost školených lidí pro stavbu strojů. Zdálo se, že Wattův stroj zase ztroskotá.

Watt nenáviděl obchodní záležitosti, které byly Boultonovi životním zájmem. Proto se tito dva společníci ideálně doplňoval. Boulton byl člověk velice kulturní. Vše co mu nedala škola, doplnil samostatným vzděláváním. S Wattem si velmi dobře rozuměl a umožnil mu klidnou a úspěšnou práci na zdokonalování jeho vynálezů. V tomto novém prostředí nic nechybělo, aby se Watt mohl dát do intenzivní práce na zlepšování parního stroje, který byl dopraven ze sídla dr. Roebucka z Kinneilu do Soho. Zde měl Watt k dispozici mnohem zdatnější pracovníky, kteří se lépe vyznali v jemných mechanických pracích a pracovali s přesností, které nemohli dosáhnout dělníci v Roebuckově továrně. Watt pracoval neúnavně na zdokonalení parního stroje, který v Kinneilu zklamal. Počátkem ledna roku 1775 byla zhotovena nejdůležitější součástka: parní válec. Když byl tento parní válec do stroje zamontován a stroj spuštěn, pracoval dobře! V r. 1776 dodala firma Boulton a Watt jediný parní stroj a v příštím roce dva stroje do dolů v Cornwallu. V dalších letech se výkon firmy značně zvětšil, stroje šly dobře na odbyt a byly dodávány i za hranice. Továrna však stále prodělávala a Boulton na ní doplácel ze svých druhých podniků. V poměrně krátké době se továrna připravila na hromadnou výrobu. Bylo rozhodnuto, že závod vyrobí ročně 65 parních strojů. V r. 1784 nebyl v Cornwallu jediný Newcomenův ohňový stroj, neboť všechny byly nahrazeny Wattovými stroji. Watt svůj stroj neustále postupně vylepšoval, tak aby ho šlo uplatnit v různých odvětvích průmyslu. Už to nebyl jen stroj k pohonu důlních čerpadel, ale Watt ho přizpůsobil zabudováním planetového soukolí i na otáčivý pohyb a za rok dostal patent na svůj dvojčinný parní stroj. Tím, že zcela uzavřel válec mohla pára působit na píst z obou stran, tedy ne jenom zdola, ale místo atmosférického tlaku i zhora. Roku 1788 vybavil stroj ještě odstředivým regulátorem a dalšími menšími úpravami vývoj svého parního stroje v podstatě dokončil.

I v době vysokého stáří, kdy Watt pracoval již jenom z vlastní záliby ve "svém království", jak nazýval svojí pracovnu, sledoval všechno, co se ve světě děje. Žádná technická novinka neušla jeho pozornosti. V r. 1802 navštívil Paříž a seznámil se blíže s nejvýznačnějšími francouzskými učenci a techniky. Na zdokonalení parního stroje pracovalo ještě za jeho života a potom i po jeho smrti mnoho anglických techniků z nichž každý přispěl svým určitým podílem na zlepšení konstrukce parního stroje. Nejznámějším byl bývalý Wattův zaměstnanec Trevithick, jenž si získal zásluhu o zdokonalení parního kotle tím, že v něm vyráběl patnácti- až dvacetiatmosférovou páru a tím značně zvýšil výkon parního stroje. Tento stoj pracoval s expanzí páry, bez kondenzace a Trevithick ho použil ke stavbě prvního parního vozu, který v r. 1872 vzbudil v Londýně údiv.
Do českých zemí se první parní stroj dostal teprve v r. 1810. Hrabě Bucquoy přivezl z Anglie součásti parního stroje a věnoval je pražské politechnice, kde tehdy působil jako mechnik Josef Božek, ten dostal za úkol sestavit z přivezených součástí parní stroj a tak byl první, kdo u nás poznal podrobnosti konstrukce parního stroje. Skutečnost, že Watt byl sám ještě svědkem toho, jak jeho parní stroj je stále zdokonalován, všude se žádá a převrací svět, byla jistě nejkrásnější odměnou, jaké se za své práce mohl dočkat. Toho těšilo jistě víc, než všechny ty pocty, kterých se mu dostalo. Na rodné Skotsko, kam se po celý život tak rád vracel, pamatoval Watt i ve své závěti. Značnou část svého jmění odkázal Glasgowské univerzitě a ve věnovací listině napsal, že její existence byla pro něho důležitější nežli existence Anglie, neboť národ je nad jiné závislý na vymoženostech vědy a umění. Chemická laboratoř této univerzity je pojmenována jeho jménem, svému rodišti Greenocku odkázal dar na zřízení vědecké knihovny, aby v ní studující mládež mohla čerpat pro své poučení. Dne 19.srpna 1819 umírá ve věku 83 let tento geniální technik ve svém domě v Heatfieldu. Umírá jak jinak než ve své dílně u pracovního stolu nad výkresem nového technického nápadu. Byl pochován v britském Slavíně ve Westminsteru.

Parní kotel a stroj

Parní stroje jsou poháněny parou, vyráběnou z vody v parním kotli. Byly sice také postaveny motory pro pohon rtuťovou parou, zatím se však nerozšířily, ač mají značné výhody. Voda vaří a mění se v páru na vzduchu při teplotě 100 °C. V uzavřeném kotli se pára nemůže volně rozpínat a brání varu, tlačí na vodu. Má určité napětí. Napětí páry a plynů měříme v atmosférách.

1 at. = tlak 1 kg na plochu 1 cm2; 1 at. = 1 kg/cm2. Tedy má-li pára napětí 10 at., tlačí na každý čtvereční centimetr tlakem 10 kg. Na př. na víko kotle, které má plochu 600 cm2, tlačí silou 600 x 10 = 6000 kg.

Vzduch tlačí svou vahou náhodou také asi tlakem 1 kg na každý čtvereční centimetr povrchu země. Tlak vzduchu je tedy přibližně 1 at. Je-li v kotli tlak páry 25 at., tlačí vzduch zvenčí na kotel tlakem 1 at.; říkáme, že v kotli je přetlak 24 at. Pro přetlak se někdy používá zkratky atp. Celý tlak páry v kotli je nazýván absolutní tlak a značen ata. V kotli je tedy 25 ata., manometr na kotli ukazuje 24 atp.

Při tlaku 10 ata. se voda vaří asi při 180 °C. Na Volném vzduchu se z 1 litru vody vyrobí asi 1700 l páry. V kotli, kde je tlak 10 ata. zaujímá pára z 1 litru vody prostor asi 200 l. Kdyby neměla tolik místa, musí se víc stlačit, její napětí ještě stoupne.

Pára unikající z vařící vody se jmenuje sytá, nasycená. Voda se skládá z nepatrných částeček, zvaných molekuly vody, jako by byla sypká. Molekuly jsou v neustálém pohybu, tím větším, čím je vyšší teplota. Na povrchu se občas stane, že nějaká bujná molekula se při svém kmitání odrazí od jiné tak silně, že vyletí z kapaliny do prostoru. Létá potom prostorem jako molekula páry. Tomu říkáme vypařovaní. Je-li prostor nad kapalinou uzavřený, je v něm stále více těchto zbloudilých molekul. Jejich množství však nemůže neustále vzrůstat. Po čase začnou narážet zpět na kapalinu, protože mají málo místa k pohybu, vracejí se do kapaliny. Říkáme tomu, že se prostor nad kapalinou nasytil parou. Je v něm nasycená, sytá pára, víc molekul páry se už do ní nevejde; nově odpařené se vracejí do povrchu tekutiny stejně rychle, jako vznikají. Vedením trubkami a ve stroji se sytá pára ochlazuje, tím se částečně sráží ve vodu čili kondensuje. To je nevýhodné. Proto byla zavedena pára, která je ohřátá. Říká se jí přehřátá pára. Přehřívá se ve žhavých trubkách, jimiž se vede před vstupem do stroje. Trubky tvoří ohřívač páry hned za kotlem. V ohřáté páře je více tepla, než bylo potřeba ke vzniku syté páry, čili může se trochu ochladit a ještě se nesráží ve vodu. To je výhodné. Také má přehřátá pára větší objem než sytá, protože s rostoucí teplotou roste i objem.Dokud je pára ve styku s kapalinou, nemůže se přehřát, protože předává hned své teplo kapalině a tvoří tím novou, sytou páru. Přehřátá pára se vyrobí tím, že sytou páru oddělíme od kapaliny a pak ji ohřejeme. Užitím přehřáté páry se proti syté ušetří až 20% na spotřebě uhlí, proto většina parních motorů pracuje s parou přehřátou. Voda do kotle pro výrobu páry se jmenuje napájecí voda. Je do kotle čerpána napáječkou. Studniční voda obsahuje přimísené a rozpuštěné látky, které se v parním kotli usazují a tvoří na stěnách vrstvu kotelního kamene. Tím se zhorší převod tepla mezi pláštěm kotle a vodou, kámen překáží prostupu tepla. Voda se proto napřed čistí; filtruje se pískovou vrstvou, přidávají se do ní chemikálie ( např. soda), aby změkla. Před zavedením do parního kotle je voda ohřáta v ohřívači (ekonomiseru). Je to buď řada trubek před komínem, nebo se voda ohřívá vpouštěním páry. Nesmí se však do ní dostávat olej, který by přišel do kotle a vadil při vzniku páry.

Parní kotle. Nejstarší kotle měly tvar veliké válcové nádoby. Topilo se buď pod nimi, nebo častěji uvnitř v plamencích. V kotli byla současně voda i pára. Poněvadž litr vody může pohltit více tepla, než litr páry stejně teplé , je voda držitelem tepla v kotli. Tam, kde budou z kotle odebírány nepravidelné dodávky páry (např. u parních bucharů), musí mít kotel velký vodní obsah. Kotel s malým vodním obsahem se hodí pro rovnoměrný odběr páry. U novějších kotlů je buď voda v trubkách a kolem nich běží žhavé zplodiny hoření, nebo táhnou žhavé plyny kotlem trubkami a kolem nich je voda. Tak je např. upraven lokomotivní kotel. Je to ležatý trubkový kotel, spojený se skříňovou pecí, zvanou plamenice. Trubky ohřívají vodu velkou výhřevnou plochou, musí však být dobře utěsněny. To je dost obtížné, protože žárem se trubky silně roztahují a potom kolem nich může unikat voda nebo pára. Trubky mohou stát šikmo nebo svisle, aby z nich pára snadněji odcházela. Vzniká tím kotel strmotrubný. K pohonu parních turbín v elektrárnách je používáno páry o vyšším tlaku, protože je to hospodárnější. Vznikly tak vysokotlaké kotle, trubnaté (voda v trubkách, žhavé plyny okolo). Bývají vytápěny uhelnou moučkou, rozemletým uhlím, které je proudem vzduchu hnáno do topeniště. Jediný kotel dodává 100 000 kg páry za hodinu i více. Tak např. osobní parník výtlaku 40 000 tun, poháněný parními turbinami a zařízený na topení uhlím, spotřebuje za den 1000 tun uhlí. K obsluze kotlů je na něm 250 mužů. Za hodinu vyrobí kotle 500 000 kg páry. Za den spotřebují kotle 12 milionů litru vody a 25 milionů krychlových metrů vzduchu (to je asi 25 000 tun vzduchu). Ukázkou takové moderní konstrukce je Bensonův kotel. Vyrábí páru tlaku 224 atmosfér, teplou 374 °C. Do rozžhavených trubek se čerpá voda tlakem asi 240 at. Voda se hned mění v přehřátou páru, v kotli žádná voda není. Vstřikujeme jen tolik vody, kolik chceme vyrobit páry. Za čtvrt hodiny je kotel roztopen. Na každém kotli musí být upravena bezpečnostní zařízení: pojišťovací ventil, který se otevře při překročení určitého napětí páry; někdy vodoznaky ukazující stav vody; tlakoměr (manometr), ukazující tlak páry v kotli. Dále různé ventily nebo kohouty na vypouštění vody, parní ventil na vypouštění páry, atd. Dnes se stavějí na měření páry, kouře, vody samočinné přístroje; jejich záznam je elektricky přenášen na kontrolní desku, kde jsou všechny údaje přehledně sestaveny. Vedoucí kotelny na prvý pohled pozná, je-li např. napájecí voda správně ohřátá, vede-li se do topeniště dost vzduchu, tlak páry se samočinně udržuje na stálé výši regulací topení, atd. Přesto však je ještě k obsluze parních kotlů nutná topičská zkouška. Topič musí prokázat střídmé chování a odborné znalosti. Pro hrubé zanedbání služby může být oprávnění k obsluze kotle odňato. Obyčejně se spojí najednou zkouška k obsluze parního kotle i stroje. Má to význam hlavně v zemědělství, kde často bývá parní stroj hned na kotli (lokomobila), u lokomotiv aj.

Parní stroje. Podstata práce parního stroje je založena na expanzi vodní páry v uzavřeném prostoru s pohyblivou stěnou. Otevřeným šoupátkem se pouští do válce pára. U prvých strojů seděl člověk, který šoupátka otevíral a zavíral a docela dobře to stačil, protože stroj měl asi 10 otáček za minutu. Má-li pára napětí 10 at. to je 10 kg na cm2, tlačí na píst ve válci silou 600 x 10 = 6000 kg. Píst se posouvá vpravo. Sotva uběhl kousek dráhy, šoupátko se zavře a pára ve válci se rozpíná, expanduje. Tlačí píst dále vpravo, ale už jen menší silou, její tlak stále klesá. Pístní tyčí je tlak pístu přenášen na posuvné vedení, zvané křižák. Tam je připojena ojnice, která otáčí klikou. Tak je klikovým mechanismem měněn pohyb pístu vpravo a zpět v otáčení. Na klikovém hřídeli je setrvačník, který otáčí klikou dál i když už tlak na píst přestal. Píst se vrací od pravé strany vlevo. Při tom se opět otevře šoupátko, aby mohla pára z válce před pístem vyběhnout. Tento stroj postavil mechanik Watt r. 1776. Už předtím byly konány pokusy s využitím páry k práci, nezdařily se však. Teprve Watt postavil pracující parní stroj a proto je právem považován za jeho vynálezce. Byla to mohutná obluda ze špalků litiny a trámů. Wattův stroj měl 14 otáček za minutu, na výkon 1 koně připadala více než 1 tuna váhy.

převzato z internetu, autor neznámý