Parný Stroj: Rozvod Funkcie a Aplikácie

Úvod

Tepelné motory predstavujú fascinujúcu oblasť inžinierstva, ktorá sa zaoberá premenou tepelnej energie na mechanickú prácu. Parné stroje, ako jedny z prvých tepelných motorov, zohrali kľúčovú úlohu v priemyselnej revolúcii a dodnes nachádzajú uplatnenie v rôznych odvetviach. Tento článok sa zameriava na princíp fungovania parných strojov, ich rozvod funkcie, súčasné využitie a porovnanie s inými typmi tepelných motorov.

Tepelné Motory a Ich Rozdelenie

Tepelné motory sú stroje, ktoré premieňajú časť vnútornej energie paliva uvoľneného horením na mechanickú energiu. Medzi najznámejšie patria:

• Parné motory: využívajú vodnú paru ako pracovnú látku.
• Spaľovacie motory: využívajú plyn vznikajúci horením paliva priamo v motore.

Pre ich účinnosť platí Carnotov vzťah. Princíp fungovania tepelných motorov vychádza z druhého termodynamického zákona, ktorý hovorí, že nie je možné zostrojiť periodicky pracujúci tepelný stroj, ktorý by teplo od istého telesa iba prijímal a vykonával rovnako veľkú prácu.

Rozdelenie tepelných motorov:

• Parný motor
  • Piestový parný motor
  • Parná turbína
• Spaľovací motor
  • Piestový spaľovací motor
    • Zážihový (štvordobý, dvojdobý)
    • Vznetový motor
  • Plynová turbína
  • Reaktívny motor
    • Prúdový motor
    • Raketový motor

Parné Motory: Princíp a Funkcia

V parných motoroch je pracovnou látkou vodná para s teplotou vysokou až 500°C a tlakom 1,5 MPa, ktorá sa získava v parnom kotli mimo motora. Medzi parné motory patrí parný stroj a parná turbína.

Piestový Parný Stroj

Piestový parný stroj, skonštruovaný v roku 1784 škótskym mechanikom Jamesom Wattom, funguje na princípe premeny tepelnej energie vodnej pary na mechanickú prácu.

Prečítajte si tiež: Prenájom stavebných strojov: všetko, čo potrebujete vedieť

Princíp Fungovania:

1. Vznik pary: Horením paliva v parnom kotli vzniká teplo, ktoré premieňa vodu na vodnú paru.
2. Plnenie valca: Pomocou vstupných ventilov je táto para vháňaná do parného valca.
3. Expanzia pary: Para hýbe piestom, čím klesá jej tlak a teplota. Tým nastane premena tepelnej energie vodnej pary na mechanickú prácu.
4. Výfuk pary: Otvorením výstupných ventilov na druhej strane valca sa para vypúšťa.
5. Kompresia: Po vstupe pary zo vstupných ventilov a spätnom pohybe piestu sa para vytlačuje, časť sa však vo valci ponecháva a opäť sa stláča (kompresia), aby sa steny valca pred plnením čerstvou parou opäť ohriali.
6. Rozvod: Vstup a výstup pary z valca parného stroja sa riadi rozvodom.
7. Prenos energie: Pomocou ojnice a kľukového hriadeľa je vzniknutá energia prevádzaná ku kolesám. Časť energie sa spotrebuje na pohon týchto súčastí.

Rozvod Funkcie Parného Stroja

Rozvod pary je kľúčový mechanizmus parného stroja, ktorý riadi načasovanie a množstvo pary vstupujúcej a vystupujúcej z valca. Správny rozvod zabezpečuje efektívny chod stroja a maximalizuje jeho výkon. Existujú rôzne typy rozvodov, napríklad:

• Šupátkový rozvod: Používa posúvače ("šúpatká") na riadenie prívodu a odvodu pary.
• Ventilový rozvod: Používa ventily ovládané vačkovým hriadeľom.

Parný Stroj v Súčasnosti

Parné stroje sa v súčasnosti využívajú tam, kde sa tlakovo redukuje plynné médium, sýta alebo prehriata para, spaliny, vzduch alebo iné neagresívne plyny so vstupnými parametrami: tlak 2,0 MPa a teplota 240 °C. Na trhu je k dispozícii niekoľko parných motorov. Sú dodávané na základovom ráme priamo spojené s elektrickým generátorom vrátane riadiaceho systému, ktorý je jednoduchšou aplikáciou systému používaného pri parných turbínach.

Príklad prototypového riešenia:

Bol vyvinutý a skonštruovaný prototyp parného stroja s využitím základných komponentov vznetových motorov (kľuková skriňa, kľukový hriadeľ, ojnica, piesty a valce). Pre riešenie rozvodov bol zvolený originálny patentovaný systém rotačných plniacich a výfukových posúvačov („šúpatiek“) bez možnosti prestavovania rozvodu počas činnosti parného stroja. Vlastná konštrukcia celého rozvodu však umožňuje relatívne jednoduchou výmenou posúvačových („šúpatkových“) sád prispôsobiť parný stroj novým prevádzkovým podmienkam a to tak z hľadiska admisného a emisného tlaku ako aj z hľadiska prietoku pary.

• nemusí ísť o prehriatu paru
• dosahuje termodynamickú účinnosť až 80%.
• obstarávacie náklady sú nižšie

Z hľadiska obsluhy sú nároky parného stroja obmedzené na účasť jedného pracovníka pri nábehu stroja za studeného stavu pri prehrievaní prívodného potrubia, čo je asi 30 min. Počas prevádzky stačí vykonať denne jednu kontrolu.

Parná Turbína

V parných turbínach sa tepelná a tlaková energia pary mení v rozpínajúcej sa pare na pohybovú energiu. Rozpínajúca sa a prúdiaca para je usmernená na lopatky obežného kolesa, tie menia smer jej prúdenia a para na ne pôsobí silou. V parnej turbíne dosiahne para prúdením dýzami veľké rýchlosti. Poháňacie koleso sa tlakovou silou pary na lopatky dostane do rotačného pohybu. Parnú turbínu vynašiel Sir Charles Parsons v roku 1884. Účinnosť okolo 35%.

Prečítajte si tiež: Dôležité aspekty kúpnej zmluvy poľnohospodárskeho stroja

Spaľovacie Motory: Alternatíva k Parným Motorom

Spaľovacie motory využívajú plyn vznikajúci horením paliva vnútri motora. Chemická energia sa pri spálení pohonnej látky (benzínu alebo plynu) zmení na tepelnú, ktorá sa využíva na konanie práce.

Zážihový Motor

Zážihové motory sú dvojtaktné a štvortaktné. Vyrobená zmes pohonnej látky a vzduchu sa vstrekne do valca a zapáli sa. Potom sa spaliny adiabaticky rozpínajú až po izochorické odvádzanie tepla, po ktorom nasleduje kompresia. Účinnosť procesu sa zväčšuje so zvyšovaním kompresného pomeru - pomeru tlaku na začiatku a konci kompresie.

Dvojdobé Motory

Najjednoduchší typ valcového benzínového motora je dvojdobý motor, používaný v niektorých malých autách, vo väčšine motocyklov a v kosačkách na trávu. Každý piest pracuje v dvoch dobách. Najskôr sa pohybuje nahor, pričom stláča zmes paliva a vzduchu v priestore nad piestom. Súčastne je do priestoru pod piestom nasávaná ďalšia dávka zápalnej zmesi. Stlačená zmes sa zapáli iskrou vytorenou za pomoci vysokého napätia a plyny vzniknuté výbuchom tlačia piest späť do spodnej časti valca.

Pri svojom pohybe dole piest vytlačí čerstvú dávku zmesi paliva a vzduchu prepúšťacím kanálom do priestoru nad piestom. Táto čerstvá zmes vytlačí výfukové plyny von výfukovým kanálom a sama je stlačená spätným pohybom piestu nahor. V hornej úvrati (polohe) piest zablokuje výfukový kanál, aby rozpínajúce sa plyny nemohly uniknúť. Akonáhle piest dosiahne dolnú úvrať (polohu), kanál sa otvorí. Piest svojím pohybom hore a dole otáča takzvanou kľukovou hriadeľou. K nej je pripevnený ťažký zotrvačník, ktorý sa otáča aj po tom, čo piest dosiahne svoju najnižšiu polohu. Zotrvačník tak prevádza energiu z dole pohybujúceho sa piestu vo veĺmi plynulý nepretržitý pohyb a núti piest pohybovať sa valcom nahor v druhej časti každého cyklu.

Výroba dvojdobých motorov je pomerne lacná. Samé motory sú však málo účinné pri premene energie paliva v energiu pohybu, a preto väčšina veľkých motorov pracuje v účinnejšom štvordobom cykle.

Prečítajte si tiež: Pracovný stroj: Kúpna zmluva

• má nižšiu účinnosť, asi 20%,
• najčastejšie je chladený vzduchom,
• do benzínu sa pridáva olej,
• spaľovanie zmesi má menej dokonalé, do ovzdušia vypúšťa viac škodlivín
• oblasťou jeho použitia sú ľahké mechanizmy - motorové píly, motocykle, čerpadlá,…

Štvordobé Motory

Pri štvordobom motore pracuje každý piest na štyri doby. V prvej dobe nazývanej nasávanie sa piest pohybuje smerom dole a nasáva zmes paliva a vzduchu do priestoru nad piestom. Potom sa piest pohybuje nahor a zmes stláča. Táto druhá doba sa volá stláčanie. Stlačená zmes sa zapáli pomocou iskry a výbuch stlačí piest dole. Podľa toho sa tretia doba nazýva výbuch. Piest potom ešte raz ide nahor a vytlačí výfukové plyny von z priestoru valca. Štvrtá doba sa nazýva výfuk. Potom sa jednotlivé doby opakujú. Štvordobý motor je síce účinnejší než dvojdobý, ale aj tak dokáže premeniť len približne 33,3 % energie paliva.

Palivá pre zážihové motory:

Ako palivá sa používajú látky, ktoré sa dobre miešajú so vzduchom a sú schopné v krátkom čase vytvoriť homogénnu zmes. Sú to napríklad: benzín, stlačený zemný plyn (CNG), skvapalnený propán-bután (LPG), alkoholy (metanol, etanol). Atraktívnym kandidátom na palivo budúcnosti pre zážihový motor je vodík.

Zápalná zmes:

Klasický zážihový motor, ktorých je v prevádzke väčšina, spaľuje homogénnu zmes. Výnimku tvoria moderné konštrukcie zážihových motorov s priamym vstrekom označované aj GDI (Gasoline Direct Injection).

Homogénna zmes je zápalná iba v úzkom rozmedzí okolo stechiometrického pomeru. Pretože bežné uhľovodíkové palivá majú hmotnostý podiel približne 15 % vodíka a 85 % uhlíka, pre spaľovanie vo vzduchu je stechiometrický pomer približne 14,7 kg vzduchu na 1 kg paliva. Dôležitým parametrom pre prípravu zmesi je vzájomný podiel paliva a vzduchu vyjadrený súčiniteľom prebytku vzduchu - λ.

Príprava zmesi:

Zmes sa u zážihových motorov pripravuje mimo pracovného priestoru valca. Na prípravu sa používa niektoré zo zariadení:

• karburátor
• vstrekovacie zariadenie
  • jednobodové
  • viacbodové
• splyňovač (pre plynné palivá)

Regulácia výkonu:

Výkon zážihového motora sa reguluje množstvom zmesi pripadajúcej na jeden pracovný cyklus. Preto takýto typ regulácie nazývame kvantitatívnou. Najčastejšie je táto regulácia realizovaná škrtiacou klapkou v nasávacom potrubí. Pred škrtiacou klapkou je nemenný atmosférický tlak (približne 101 kPa), preto sa potrebný rozdiel dosiahne podtlakom vyvolaným pohybom piesta počas nasávacieho zdvihu. Čím viac je klapka privretá, tým vyšší podtlak je vo valci. Pri voľnobežnom režime môže tlak za škrtiacou klapkou klesnúť až na 30 kPa. Následkom takéhoto poklesu tlaku je celý tepelný obeh motora posunutý k nižším tlakom a teplotám, čo má za následok pokles jeho termodynamickej účinnosti.

Takýto spôsob regulácie je veľmi neefektívny. Z tohto dôvodu sú zážihové motory menej účinné ako vznetové a pracujú s vyššou mernou spotrebou paliva. Vzhľadom na čoraz prísnejšie kritériá, ktoré sú kladené na spaľovacie motory, najmä z pohľadu ekológie, je len regulácia škrtením množstva zmesi vstupujúcej do pracovného obehu nedostatočná.

Najlepším a aj momentálne jediným riešením, ktoré vyhovuje aj z pohľadu ekológie a aj z pohľadu ekonomického, je presné dávkovanie paliva a vzduchu na každý pracovný obeh. Vstrekovaním paliva, teda presnou dávkou v presne určenom čase sa dnes ovplyvňujú všetky požadované faktory vyplývajúce z činnosti motora, a teda hlavne výkon v celom zložení a hospodárnosť. Účelným sa v tomto prípade javí aj miestne nastavenie jednotlivých hodnôt podľa toho, v akej nadmorskej výške sa uvažuje motor používať.

Vznetový (dieselový) Motor

Vznetové motory nasávajú čistý vzduch a behom izobarickej expanzie sa vstrekuje do valca palivo, ktoré sa zapáli od stlačeného teplého vzduchu. Účinnosť tepelného procesu sa zvyšuje zvyšovaním kompresného pomeru a zmenšovaním diaľky vstrekovania paliva. Vznetový (spaľovací) motor, niekedy označovaný aj ako Dieselový motor je piestový spaľovací motor, v ktorom sa zmes paliva a vzduchu zapaľuje pôsobením vysokej teploty vzduchu stlačeného v pracovnom priestore motora. Najčastejšie ide o naftový motor (palivom je nafta). Označenie Dieselový motor je historické podľa vynálezcu.

Ku kontaktu paliva so vzduchom dochádza po jeho vstreknutí do spaľovacieho priestoru. Podľa konštrukcie spaľovacieho priestoru a miesta vstreku rozoznávame vznetové motory:

• s priamym vstrekovaním, kde vstreknutie a celé horenie prebehne v jednom, hlavnom spaľovacom priestore
• s nepriamym vstrekovaním, kde vstreknutie a počiatočná fáza horenia prebieha v osobitnom priestore - komôrke a až následne sa proces prenesie do hlavného spaľovacieho priestoru

Palivá pre vznetové motory:

Ako palivá sa používajú drahšie ťažšie odpariteľné látky, napríklad motorová nafta.

Zápalná zmes:

Vznetový motor spaľuje nehomogénnu zmes s vysokým prebytkom vzduchu. Súčiniteľ prebytku vzduchu je λ > 1 a takáto zmes sa nazýva aj chudobná.

Príprava zmesi:

Zmes sa u vznetových motorov tvorí až tesne pred a počas spaľovania. Rozprášené palivo, vstreknuté do horúceho vzduchu cez trysku vstrekovača sa začína odparovať a premiešavať s náplňou valca. Lokálne zloženie zmesi sa spojito mení od steny valca, kde je čistý vzduch, k povrchu kvapky paliva. V okolí kvapôčok vznikne oblasť s vhodným zložením kde vplyvom vysokej teploty dôjde k vznieteniu a začatiu spaľovania.

Regulácia výkonu:

Výkon vznetového motora sa reguluje množstvom paliva pri približne rovnakom objemue vzduchu na jeden pracovný cyklus. Mení sa teda bohatosť - kvalita zmesi. Preto sa takýto typ regulácie nazýva kvalitatívna. Regulácia je realizovaná premenlivým množstvom paliva, ktoré dodá vstrekovacie zariadenie.

Ďalšie Aplikácie Parných Strojov a Súvisiacich Technológií

Okrem tradičných aplikácií v doprave a priemysle sa parné technológie využívajú aj v iných oblastiach:

• Parné čističe: Používajú horúcu paru na čistenie a dezinfekciu povrchov bez použitia chemikálií.
• Generátory vodíkovej vody: Využívajú elektrolýzu vody na výrobu vodíka, ktorý sa rozpúšťa vo vode a vytvára antioxidačný nápoj.
• Filtre na vodu: Používajú membrány reverznej osmózy na čistenie vody z vodovodného potrubia.
• Zmäkčovače vody: Odstraňujú tvrdosť vody, čím predlžujú životnosť spotrebičov a znižujú spotrebu pracích prostriedkov.

Starostlivosť o Parné Rozvody a Systémy

Správna prevádzka parných systémov vyžaduje pravidelnú údržbu a starostlivosť o rozvody pary. Je dôležité používať armatúry, ktoré sú navrhnuté pre náročné prevádzkové podmienky parných sietí. Využitie zbytkového tepla kondenzátu a opakované použitie kondenzátu na výrobu pary môže výraznou mierou kladne ovplyvniť hospodárnosť prevádzky celého parného systému.

tags: #parný #stroj #rozvod #funkcie