Herón z Alexandrie bol grécky génius, pôsobiaci v rímskom Egypte. Tento súčasník Ježiša Nazaretského bol na jednej strane skvelým matematikom a na strane druhej mimoriadne invenčným vynálezcom. Jeho pôvabné zariadenia boli založené na veľmi rôznorodých fyzikálnych princípoch – od čisto mechanických (prvé mincové automaty, ktoré vydávali v chrámoch posvätenú vodu) cez pneumatické či hydraulické (automatické otváranie chrámových dverí pomocou vzduchu zohrievaného chrámovým ohňom) až po reaktívny parný motor (neužitočná, ale zábavná rotujúca guľa).
Znamená to, že Herón bol akýmsi predchodcom dnešných inžinierov? Nie, skôr bol predchodcom moderných kúzelníkov. Jeho stroje nemali za ľudí robiť ich robotu, mali v ľuďoch vyvolávať úžas. Muselo uplynúť viac ako jeden a pol tisícročia, kým vysvitlo, že najväčší úžas nakoniec budia tie stroje, ktoré robia robotu.
.dva elementy
História parného stroja je históriou súhry dvoch antických elementov – ohňa a vody. Na začiatku tejto súhry je teplá voda, ktorú objavilo veľa ľudí. Ale len jeden z nich – francúzsky fyzik Denis Papin – objavil v roku 1679 vodu ešte teplejšiu.
Vodu je za normálnych okolností možné zohriať len po určitú teplotu, konkrétne po sto stupňov. Papin však zistil, že ak hrniec s vodou nepriedyšne uzavrie, voda môže dosiahnuť aj vyššie teploty (dnes vieme, že dôvodom je závislosť teploty varu od tlaku). Tento jeho objav sa stal základom tlakového hrnca, respektíve kuchty, ktorú používame dodnes.
Zo začiatku však mali Papinove hrnce jednu drobnú chybičku krásy – občas pre vysoký tlak vybuchovali. A tak vymyslel Papin poistný ventil, ktorým sa pri príliš veľkom tlaku vypúšťala para. No a práve tento poistný ventil inšpiroval o pár rokov neskôr anglického vojenského inžiniera Thomasa Saveryho ku konštrukcii prvého parného stroja.
Savery si dal svoj vynález patentovať na prelome 17. a 18. storočia ako „stroj na dvíhanie vody pomocou ohňa“. O tomto stroji tvrdil, že dokáže poháňať rôzne mechanizmy, ale najmä, že dokáže čerpať vodu z baní. Spodná voda v baniach bol pradávny problém, ktorý sa štandardne riešil pumpami, poháňanými ťažnými zvieratami. V Anglicku 17. storočia sa však začínalo toto riešenie javiť ako značne neuspokojivé. Na vine vraj boli najmä sklári a ich čoraz väčšia potreba ohňa.
Sklári potrebovali uhlie a potrebovali ho toľko, že bane ho nestíhali dodávať. Ťažbu spomaľovala najmä nedostatočná rýchlosť čerpania vody – sklári teda nemali dosť ohňa kvôli vode. Savery sa pokúsil vyrešiť tento problém pomocou ohňa a vody. Ohňom zohrieval vodu v stroji, čím vyrábal paru a pomocou nej sa pokúšal čerpať vodu z hĺbky na povrch. Ale nefungovalo to.
.dve skupenstvá
Saveryho stroje boli v porovnaní s neskoršími parnými strojmi v podstate veľmi primitívne. Neobsahovali, napríklad, nijaké piesty a všetko sa riešilo priamymi tlakmi vody, vzduchu a pary, ktoré boli ovládané ventilmi. To na niektoré účely stačilo a na iné nie. Čerpanie vody z baní patrilo do tej druhej kategórie.
Stačilo však počkať len asi desať rokov a ďalší anglický Thomas – tentoraz Newcomen – dramaticky vylepšil Saveryho koncept práve dodaním valca a piestu. To základné, a pre mnohých z nás možno prekvapujúce, však zostalo nezmenené: para neslúžila na vytváranie tlaku, ale na vytváranie podtlaku.
Tlak pary, dosahovaný vo vtedajších boileroch (nádobách, v ktorých sa voda privádzala do varu), bol totiž len o zlomky atmosfér vyšší ako atmosférický tlak. Ak by tento tlak pôsobil proti atmosférickému tlaku na druhej strane piesta (respektíve na druhej strane vodného stĺpca v Saveryho stroji), bol by rozdiel tlakov relatívne malý. Oveľa väčší rozdiel tlakov vznikal vtedy, keď sa na jednej strane nechal pôsobiť atmosférický tlak a na druhej sa nechala para skondenzovať na vodu, čím tlak klesol na zlomky atmosfér.
Kľúčový pre parný stroj teda nebol tlak pary, ale pokles tlaku pri fázovom prechode vody z plynného skupenstva do kvapalného. Tento fakt sa pri výklade fungovania parného stroja nezvykne príliš zdôrazňovať, nuž, ale my túto tradíciu porušíme a mohutným hlasom zvoláme: v pôvodných parných strojoch para piesty netlačila! A ešte to podčiarkneme írečitým slovenským: nech to para tlačí!
Newcomenov parný stroj bol teda založený nielen na zohrievaní vody, ale aj na ochladzovaní pary. Pritom sa však zohrievali a ochladzovali aj steny valca, čo bolo nevyhnutné, hoci z hľadiska užitočnosti stroja úplne zbytočné. Toto zohrievanie a ochladzovanie železa viedlo k veľkým tepelným stratám, ktorým Newcomen čelil zväčšovaním svojho stroja.
Takýto postup vyzerá na prvý pohľad úplne absurdne, pretože čím väčší valec, tým väčšie tepelné straty. V skutočnosti to však nie je absurdné, ale rafinované. Tepelné straty rastú úmerne množstvu železa, a to rastie úmerne povrchu valca. Výkon stroja však rástol úmerne objemu valca, takže so zväčšovaním celého stroja sa pomer strát k užitočnej práci znižoval. A tak Newcomen budoval niekoľko metrov vysoké valce, ktoré síce spotrebúvali značné množstvo paliva, ale o palivo nebola v blízkosti uhoľných baní nikdy núdza.
.dva cylindre
Angličanov značné tepelné straty netrápili a desiatky rokov stavali v uhoľných baniach Newcomenove parné stroje. Nehospodárnosť týchto strojov začala trápiť až – akože inak – jedného Škóta. Volal sa James Watt a na základný problém vtedajších parných strojov prišiel vďaka šťastnej náhode. V roku 1763 ho univerzita v Glasgowe požiadala o opravu malého modelu Newcomenovho stroja.
Keď opravu dokončil, zarazila ho katastrofálne nízka účinosť fungujúceho modelu (keďže účinnosť týchto strojov rastie s ich veľkosťou, malý model na tom naozaj nie je s účinnosťou práve najlepšie). A tak sa Watt začal zaoberať možným vylepšeniami a veruže nejaké našiel. Prvým a zásadným bolo pridanie druhého valca či cylindra, v ktorom sa nepohyboval nijaký piest. Tento druhý valec slúžil na kondenzáciu pary a keďže obidva valce boli spojené rúrkou, pokles tlaku v jednom viedol hneď k poklesu tlaku aj v druhom. A valec s piestom sa pritom zbytočne neochladzoval a vzápätí nezohrieval.
To umožnilo konštrukciu oveľa menších a ekonomickejších parných strojov, ktoré mohli nielen čerpať vodu z baní, ale aj poháňať stroje v továrňach. Priemyselná revolúcia tak prestala byť odkázaná na energiu rýchlo tečúcej vody a mohla sa začať rozširovať do nových miest. Lenže aj malé parné stroje potrebovali palivo a potrebovali ho veľa. Takže bolo potrebné vyriešiť ešte jeden detail: spoľahlivú a lacnú dopravu obrovského množstva uhlia z baní do nových priemyselných oblastí.
.dve koľajnice
A tým sa konečne dostávame jednak k 19. storočiu a jednak k vlakom. Preprava uhlia pomocou koľajníc má dlhú tradíciu – jednoduché železnice boli budované už od začiatku 17. storočia. Akurát, že by sme im nemali hovoriť železnice, ale drevenice, pretože koľajnice aj kolesá boli z tvrdého dreva.
Vozne boli po týchto drevených koľajniciach ťahané väčšinou koňmi, ale to sa v čase všeobecného nástupu parných strojov začalo javiť ako dosť konské riešenie. Oveľa prirodzenejšie bolo použiť na dopravu uhlia parné stroje, poháňané spaľovaním uhlia. Lenže Wattov parný stroj sa na to nehodil, na takúto úlohu jednoducho nebol dosť kompaktný a výkonný. Kým teda parné lokomotívy uzreli na prelome 18. a 19. storočia svetlo sveta, musel prísť ešte jeden vynález, a to vynález parného stroja, v ktorom para piesty naozaj tlačila.
O vynájdenie a postupné vylepšovanie takéhoto stroja sa postaralo veľa ľudí, medzi ktorými boli asi najdôležitejší ďalší dvaja Angličania (už to začína byť nuda) – Richard Trevithick a George Stephenson. Najmä vďaka nim dvom vznikla parná železnica a až vďaka nej sa duet uhlia a pary mohol naplno rozoznieť po celých kontinentoch.
Tento duet znel nepochybne veľmi jasne celým 19. storočím. A kedy vlastne doznel? Väčšina z nás si zrejme pomyslí, že niekedy na prelome 19. a 20. storočia, v dôsledku monumentálneho príchodu elektriny. Ak ste si to naozaj pomysleli a ak ste pritom začuli niekde zdiaľky úprimný smiech, tak to sa smejú uhlie s parou.
Viete odkiaľ máme elektrinu? Z elektrární, samozrejme. A čo sú elektrárne? Obrovské parné stroje, v ktorých para roztáča turbíny a tie potom vyrábajú elektrinu pomocou elektromagnetickej indukcie. Jadrové elektrárne sú parné stroje, ktoré používajú na výrobu pary jadrovú energiu, tepelné elektrárne sú parné stroje, ktoré na to používajú fosílne palivá – najčastejšie uhlie. A čo myslíte, z akého typu elektrární pochádzajú dve tretiny svetovej produkcie elektrickej energie?
Znamená to, že Herón bol akýmsi predchodcom dnešných inžinierov? Nie, skôr bol predchodcom moderných kúzelníkov. Jeho stroje nemali za ľudí robiť ich robotu, mali v ľuďoch vyvolávať úžas. Muselo uplynúť viac ako jeden a pol tisícročia, kým vysvitlo, že najväčší úžas nakoniec budia tie stroje, ktoré robia robotu.
.dva elementy
História parného stroja je históriou súhry dvoch antických elementov – ohňa a vody. Na začiatku tejto súhry je teplá voda, ktorú objavilo veľa ľudí. Ale len jeden z nich – francúzsky fyzik Denis Papin – objavil v roku 1679 vodu ešte teplejšiu.
Vodu je za normálnych okolností možné zohriať len po určitú teplotu, konkrétne po sto stupňov. Papin však zistil, že ak hrniec s vodou nepriedyšne uzavrie, voda môže dosiahnuť aj vyššie teploty (dnes vieme, že dôvodom je závislosť teploty varu od tlaku). Tento jeho objav sa stal základom tlakového hrnca, respektíve kuchty, ktorú používame dodnes.
Zo začiatku však mali Papinove hrnce jednu drobnú chybičku krásy – občas pre vysoký tlak vybuchovali. A tak vymyslel Papin poistný ventil, ktorým sa pri príliš veľkom tlaku vypúšťala para. No a práve tento poistný ventil inšpiroval o pár rokov neskôr anglického vojenského inžiniera Thomasa Saveryho ku konštrukcii prvého parného stroja.
Savery si dal svoj vynález patentovať na prelome 17. a 18. storočia ako „stroj na dvíhanie vody pomocou ohňa“. O tomto stroji tvrdil, že dokáže poháňať rôzne mechanizmy, ale najmä, že dokáže čerpať vodu z baní. Spodná voda v baniach bol pradávny problém, ktorý sa štandardne riešil pumpami, poháňanými ťažnými zvieratami. V Anglicku 17. storočia sa však začínalo toto riešenie javiť ako značne neuspokojivé. Na vine vraj boli najmä sklári a ich čoraz väčšia potreba ohňa.
Sklári potrebovali uhlie a potrebovali ho toľko, že bane ho nestíhali dodávať. Ťažbu spomaľovala najmä nedostatočná rýchlosť čerpania vody – sklári teda nemali dosť ohňa kvôli vode. Savery sa pokúsil vyrešiť tento problém pomocou ohňa a vody. Ohňom zohrieval vodu v stroji, čím vyrábal paru a pomocou nej sa pokúšal čerpať vodu z hĺbky na povrch. Ale nefungovalo to.
.dve skupenstvá
Saveryho stroje boli v porovnaní s neskoršími parnými strojmi v podstate veľmi primitívne. Neobsahovali, napríklad, nijaké piesty a všetko sa riešilo priamymi tlakmi vody, vzduchu a pary, ktoré boli ovládané ventilmi. To na niektoré účely stačilo a na iné nie. Čerpanie vody z baní patrilo do tej druhej kategórie.
Stačilo však počkať len asi desať rokov a ďalší anglický Thomas – tentoraz Newcomen – dramaticky vylepšil Saveryho koncept práve dodaním valca a piestu. To základné, a pre mnohých z nás možno prekvapujúce, však zostalo nezmenené: para neslúžila na vytváranie tlaku, ale na vytváranie podtlaku.
Tlak pary, dosahovaný vo vtedajších boileroch (nádobách, v ktorých sa voda privádzala do varu), bol totiž len o zlomky atmosfér vyšší ako atmosférický tlak. Ak by tento tlak pôsobil proti atmosférickému tlaku na druhej strane piesta (respektíve na druhej strane vodného stĺpca v Saveryho stroji), bol by rozdiel tlakov relatívne malý. Oveľa väčší rozdiel tlakov vznikal vtedy, keď sa na jednej strane nechal pôsobiť atmosférický tlak a na druhej sa nechala para skondenzovať na vodu, čím tlak klesol na zlomky atmosfér.
Kľúčový pre parný stroj teda nebol tlak pary, ale pokles tlaku pri fázovom prechode vody z plynného skupenstva do kvapalného. Tento fakt sa pri výklade fungovania parného stroja nezvykne príliš zdôrazňovať, nuž, ale my túto tradíciu porušíme a mohutným hlasom zvoláme: v pôvodných parných strojoch para piesty netlačila! A ešte to podčiarkneme írečitým slovenským: nech to para tlačí!
Newcomenov parný stroj bol teda založený nielen na zohrievaní vody, ale aj na ochladzovaní pary. Pritom sa však zohrievali a ochladzovali aj steny valca, čo bolo nevyhnutné, hoci z hľadiska užitočnosti stroja úplne zbytočné. Toto zohrievanie a ochladzovanie železa viedlo k veľkým tepelným stratám, ktorým Newcomen čelil zväčšovaním svojho stroja.
Takýto postup vyzerá na prvý pohľad úplne absurdne, pretože čím väčší valec, tým väčšie tepelné straty. V skutočnosti to však nie je absurdné, ale rafinované. Tepelné straty rastú úmerne množstvu železa, a to rastie úmerne povrchu valca. Výkon stroja však rástol úmerne objemu valca, takže so zväčšovaním celého stroja sa pomer strát k užitočnej práci znižoval. A tak Newcomen budoval niekoľko metrov vysoké valce, ktoré síce spotrebúvali značné množstvo paliva, ale o palivo nebola v blízkosti uhoľných baní nikdy núdza.
.dva cylindre
Angličanov značné tepelné straty netrápili a desiatky rokov stavali v uhoľných baniach Newcomenove parné stroje. Nehospodárnosť týchto strojov začala trápiť až – akože inak – jedného Škóta. Volal sa James Watt a na základný problém vtedajších parných strojov prišiel vďaka šťastnej náhode. V roku 1763 ho univerzita v Glasgowe požiadala o opravu malého modelu Newcomenovho stroja.
Keď opravu dokončil, zarazila ho katastrofálne nízka účinosť fungujúceho modelu (keďže účinnosť týchto strojov rastie s ich veľkosťou, malý model na tom naozaj nie je s účinnosťou práve najlepšie). A tak sa Watt začal zaoberať možným vylepšeniami a veruže nejaké našiel. Prvým a zásadným bolo pridanie druhého valca či cylindra, v ktorom sa nepohyboval nijaký piest. Tento druhý valec slúžil na kondenzáciu pary a keďže obidva valce boli spojené rúrkou, pokles tlaku v jednom viedol hneď k poklesu tlaku aj v druhom. A valec s piestom sa pritom zbytočne neochladzoval a vzápätí nezohrieval.
To umožnilo konštrukciu oveľa menších a ekonomickejších parných strojov, ktoré mohli nielen čerpať vodu z baní, ale aj poháňať stroje v továrňach. Priemyselná revolúcia tak prestala byť odkázaná na energiu rýchlo tečúcej vody a mohla sa začať rozširovať do nových miest. Lenže aj malé parné stroje potrebovali palivo a potrebovali ho veľa. Takže bolo potrebné vyriešiť ešte jeden detail: spoľahlivú a lacnú dopravu obrovského množstva uhlia z baní do nových priemyselných oblastí.
.dve koľajnice
A tým sa konečne dostávame jednak k 19. storočiu a jednak k vlakom. Preprava uhlia pomocou koľajníc má dlhú tradíciu – jednoduché železnice boli budované už od začiatku 17. storočia. Akurát, že by sme im nemali hovoriť železnice, ale drevenice, pretože koľajnice aj kolesá boli z tvrdého dreva.
Vozne boli po týchto drevených koľajniciach ťahané väčšinou koňmi, ale to sa v čase všeobecného nástupu parných strojov začalo javiť ako dosť konské riešenie. Oveľa prirodzenejšie bolo použiť na dopravu uhlia parné stroje, poháňané spaľovaním uhlia. Lenže Wattov parný stroj sa na to nehodil, na takúto úlohu jednoducho nebol dosť kompaktný a výkonný. Kým teda parné lokomotívy uzreli na prelome 18. a 19. storočia svetlo sveta, musel prísť ešte jeden vynález, a to vynález parného stroja, v ktorom para piesty naozaj tlačila.
O vynájdenie a postupné vylepšovanie takéhoto stroja sa postaralo veľa ľudí, medzi ktorými boli asi najdôležitejší ďalší dvaja Angličania (už to začína byť nuda) – Richard Trevithick a George Stephenson. Najmä vďaka nim dvom vznikla parná železnica a až vďaka nej sa duet uhlia a pary mohol naplno rozoznieť po celých kontinentoch.
Tento duet znel nepochybne veľmi jasne celým 19. storočím. A kedy vlastne doznel? Väčšina z nás si zrejme pomyslí, že niekedy na prelome 19. a 20. storočia, v dôsledku monumentálneho príchodu elektriny. Ak ste si to naozaj pomysleli a ak ste pritom začuli niekde zdiaľky úprimný smiech, tak to sa smejú uhlie s parou.
Viete odkiaľ máme elektrinu? Z elektrární, samozrejme. A čo sú elektrárne? Obrovské parné stroje, v ktorých para roztáča turbíny a tie potom vyrábajú elektrinu pomocou elektromagnetickej indukcie. Jadrové elektrárne sú parné stroje, ktoré používajú na výrobu pary jadrovú energiu, tepelné elektrárne sú parné stroje, ktoré na to používajú fosílne palivá – najčastejšie uhlie. A čo myslíte, z akého typu elektrární pochádzajú dve tretiny svetovej produkcie elektrickej energie?
Ak ste našli chybu, napíšte na web@tyzden.sk.