Tento web obsahuje aplikace Google Adsense a Google analytics, které využívají data ze souborů cookie, více informací. Používání této stránky vyjadřujete souhlas s využitím těchto dat. Využívání dat ze souborů cokie lze zakázat v nastavení Vašeho prohlížeče.

28. Pístový parní motor (Parní stroj)

Autor: Jiří Škorpík, skorpik@fme.vutbr.cz : aktualizováno 2012-04

Pístový parní motor nebo též parní stroj je stroj, který bývá součástí zařízení pro realizaci parního oběhu a používá v redukční stanicích pro redukci tlaku páry. Práce je z motoru nejčastěji odváděna ve formě kroutícího momentu na hřídeli. Pístový parní motor patří do skupiny tepelných strojů s vnější převodem tepla (teplo je do oběhu přiváděno v parním kotli či parogenerátoru a odváděno v kondenzátoru nebo expanzí páry do okolí motoru) do této skupiny patří i Stirlingův motor, parní turbína, plynové turbíny s uzavřeným oběhem a pod. Tato vlastnost umožňuje využití v podstatě jakéhokoliv zdroje tepla.

Řez pístovým parním motorem Spilling. Pístový parní motor Spilling-dvouválcové provedení. Pístový parní motor Spilling-dvouválcové provedení.
1.id822 Pístový parní motor Spilling.
vlevo řez pístovým parním motorem Spilling [5, s. 1010]; vpravo pístový parní motor Spilling-dvouválcové provedení* [foto: archiv autora]. Pístový parní motor Spilling je založen na stavebnicovém provedením. Základní modul je jednoválcový dvojčinný motor s jedním válcovým šoupátkem. Válce je možné spojovat za sebou jak mechanicky (na společnou klikovou hřídel), tak na straně páry (expanze páry může být rozdělena až do tříválců o různých průměrech). Skládáním válců (maximálně 6 válců) za sebe lze získat motory o výkonech od 100 kW1500 kW při vstupním tlaku páry od 0,6 do 6 MPa [1].
*Poznámka
Uvedený pístový parní motor pohání elektrický generátor o jmenovitých otáčkách 1000 min-1 na pile ve Slavonicích, kde byl instalován v 90. letech 20. století. Expanze páry je rozdělena do dvou válců. Z obrázku je dobře patrné propojení mezi výstupem z prvního válce a vstupem do druhého válce (blíže ke generátoru). Plnící pára pro první válec je rozváděna na vnějším obvodu šoupátka, u druhého válce je rozváděna středem šoupátka. Na fotografii vpravo jsou dobře patrny odvodňovací ventily horních a dolních částí válců.

Princip pístového parního motoru je jednoduchý a snadno pochopitelný podobně jako jeho základní konstrukce. Tyto vlastnosti umožnily jeho masové využití už v dobách, kdy strojírenství bylo na velmi nizké úrovni.

Využívání pístového parního motoru

Historie pístového parního motoru je dlouhá a svým způsobem je zároveň historií počátku strojírenského průmyslu. V současnosti pístové parní motory výkonů do 100 kW vyvíjí několik společností, protože při malých výkonech mají vyšší vnitřní termodynamickou účinnost než parní turbíny jak napovídá kapitola Rozdíl mezi objemovým a lopatkovým strojem [11.]. V České republice se vývojem této výkonové řady zabývají společnosti PolyComp, a.s. [2] a Tenza, a.s. [3]*.

*Poznámka
Motor je primárně určen pro realizaci paroplynového oběhu s pístovými motory. To znamená, že parní oběh využívá teplo z výfuku spalovacího motoru. Princip je tedy stejný jako v případě paroplynového oběhu se spalovací turbínou a parní turbínou.
Pístový parní motor PM-VS.
2.id823 Pístový parní motor PM-VS.
Motor je postaven na bloku dieselového motoru, kde písty slouží jako křižáky pístních tyčí parní části. Parní válce jsou připevněny místo hlavy původního motoru. Rozvod páry je řízen pomocí rotačních šoupátek. Výrobce nabízí tři řady těchto motorů o výkonech od 10 do 75 kW. Výrobce: PolyComp, a.s. Foto [2].

Pístové parní motory o výkonu do 10 kW se používají k rozmanitým účelům a i pro kogeneraci v domácnosti:

Kogenerační jednotka do domácnosti s pístovým parním motorem. 3.id825 Kogenerační jednotka do domácnosti s pístovým parním motorem.
Vnější rozměry bloku: 83x62x126 cm; hmotnost 195 kg; elektrický výkon 0,32 kW; tepelný výkon 319 kW; celková účinnost výroby elektřiny a tepla z paliva je 89 % (vztaženo k výhřevnosti paliva). Jednotka obsahuje stejnosměrný parní motor s lineárním generátorem. Výrobce: OTAG Vertriebs GmbH & Co.KG. Foto: [4].
reklama

Popis a princip činnosti

Hlavními orgány pístového parního motoru je píst s pístní tyčí usazený ve válci a rozvod páry, který zajišťuje přívod a odvod páry z válce. Tlak páry vyvolává sílu působící na píst. Tato síla při pohybu pístu koná práci, která je odváděna například pomocí klikového mechanismu ve formě kroutícího momentu:

Pracovní cyklus pístového parního motoru.
4.id477 Pracovní cyklus pístového parního motoru.
R rozvod páry; V válec; P píst s pístní tyčí. 1 vstup páry do rozvodu; 2 vstup páry z rozvodu do válce; 3 výstup páry z rozvodu. (a) plnění; (b) expanze; (c) výfuk; (d) komprese.

Jeden pracovní cyklus pístového parního motoru lze rozdělit na čtyři části:

Plnění
Přes rozvod proudí pára o vysokém tlaku do válce, Obrázek 4a (vstup páry do válce 2 je otevřen, výstup páry 3 z rozvodu je uzavřen).
Expanze
Pára expanduje ve válci (snižuje se tlak páry a zvyšuje její objem), Obrázek 4b (vstup páry 2 do válce je uzavřen).
Výfuk
Pára o nízkém tlaku vystupuje z válce do výfuku, Obrázek 4c (vstup páry do rozvodu 1 je uzavřen).
Komprese
Pára ve válci je komprimována, Obrázek 4d (výstup páry z válce 2 je uzavřen).

Začátek respektive konec části cyklu se nazývá rozvodový okamžik. Rozložení jednotlivých rozvodových okamžiků v pracovním cyklu má zásadní vliv na práci motoru a spotřebu páry, protože určují trvání jednotlivých částí cyklu. Podorbněji o těchto okamžicích pojednává článek 29. Termodynamický návrh pístového parního motoru a článek 30. Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka.

Rozdělení pístových parních motorů

Pro zvýšení výkonu jednoho válce se téměř vždy používá dvojčinný pístový parní motor. Z druhé strany pístu se realizuje stejný pracovní cyklus posunutý o polovinu doby trvání cyklu:

Zjednodušený řez dvojčinným pístovým parním motorem. 5.id78 Zjednodušený řez dvojčinným pístovým parním motorem.
Zobrazení v okamžiku, kdy nad pístem probíhá výfuk a pod pístem plnění.

Méně rozšířený je stejnosměrný pístový parní motor. V tomto případě rozvod páry řídí pouze vstup páry do válce. Výstup páry z válce je řízen přímo pístem, který svým pohybem v blízkosti dolní úvrati otvírá výfukové otvory ve válci. U tohoto typu pára proudí pouze jedním směrem a proto výfuková pára neochlazuje vstup:

Stejnosměrný parní motor. 6.id252 Stejnosměrný parní motor.
1 výfukové otvory ve válci; 2 odvod páry z válce. Zobrazení v okamžiku, kdy nad pístem probíhá výfuk a pod pístem plnění.

Je-li to účelné rozděluje se expanze páry mezi dva i více za sebou řazených válců tzv. motor s dělenou expanzí páry. Především se takové řešení používá u vyšších tlaků vstupní páry, protože v takových případech je obtížné dosáhnout na konci expanze páry požadovaného tlaku páry pouze v jednom válci (píst by musel mít velký zdvih):

Pístový parní motor s dělenou expanzí páry. 7.id488 Pístový parní motor s dělenou expanzí páry.
V tomto případě je axpanze páry rozdělena do dvou válců. Vstup páry do druhého válce je zároveň výstupem páry z prvního válce.

Základy konstrukce

U pístových parních motorů se používají šoupátkové a ventilové rozvody. Šoupátkový rozvod zajišťuje zavírání a otvírání kanálů svým pohybem po ploše, ve které je vyústění vstupních/výstupních kanálů. Jedno šoupátko může řídit rozvod páry pro horní i dolní prostor dvojčinného motoru. Jeden válec může obsahovat až čtyři šoupátka-čím více šoupátek tím lepší regulace délek jednotlivých dob. V případě ventilových rozvodů je jejich pohyb přetržitý a ventily jsou umístěny přímo ve vyústění parních kanálů. Protože proudění přes ventil je pouze v jednom směru, musí být každý pracovní prostor vybaven plnícím i výfukovým kanálem a ventilem. U dvojčinných motorů je potřeba minimálně čtyř ventilů (pokud se nejedná o stejnosměrný motor, potom stačí ventily dva):

Rozvody páry pístového parního motoru. 8.id489 Pístový parní motor s dělenou expanzí páry.
(a) příklad šoupátkového rozvodu-pístové šoupátko; (b) příklad ventilového rozvodu. 1 vstup páry; 2 výstup páry.

Rozvodové orgány (šoupátka, ventily) bývají s hřídelem propojeny mechanickou vazbou. Tuto mechanickou vazbu lze použít i pro regulaci výkonu motoru (regulace ovládá pohon rozvodových orgánů a tím i jednotlivé pracovní doby). Regulace výkonu pístových parních motorů se může provádět i nepřímo změnou parametru vstupní a výstupní páry (například škrcením).

Prototyp pístového parního motoru Tenza PPM-054-10. 9.id490 Prototyp pístového parního motoru Tenza PPM-054-10.
Jednoválcový dvojčinný motor s jedním pístovým šoupátkem. Motor pohání el. generátor o výkonu na svorkách až 25 kWe při zdvihovém objemu 1,113 l a vstupním tlaku 0,9 MPa (max. dovolený tlak páry 1,6 MPa), jmenovitých otáčkách 1500 min-1. 1 vstupní parní komora; 2 šoupátkový rozvod (šoupátko je duté a středem šoupátka se odvádí výfuková pára z prostoru pod pístem); 3 výfuk. Regulace výkonu je prováděna změnou parametrů páry. Prototyp byl postaven pro experimentální účely zaměřené na výzkum možností využití pístového parního motoru pro výrobu el. energie z nízko-potenciálního tepla.

Energetické toky

Efektivitu transformace energie v pístovém parní motoru vyjadřuje vnitřní termodynamická účinnost jako indikované práce ve válci ku vnitřní ideální práci motoru (práce vykonaná bez jakýkoliv ztrát). Tato účinnost se pohybuje, u špičkových pístových parních motorů, od 80 do 85% (výjimečně), přičemž velmi záleží na typu rozvodu, otáčkách-rychlost termodynamických změn, stavu páry, typu mechanismu a dalších ztrát:

Přibližné energetické toky v malém pístovém parním motoru s jedním šoupátkem. 10.id889 Přibližné energetické toky v malém pístovém parním motoru s jedním šoupátkem.
Δiiz [%] rozdíl entalpie páry při izoentropické expanzi, ke kterému může v motoru dojít za ideálních podmínek beze ztrát; zvlh [%] ztráta kondenzací páry na vnitřních částech stroje a únik páry netěsnostmi; ak [%] kompresní práce; ztd [%] vnitřní termodynamické ztráty (odchylky mezi ideálním p-V diagramem a indikátorovým p-V diagramem); zm [%] mechanické ztráty; ai [%] vnitřní práce motoru (indikovaná práce v p-V diagramu); am [%] indikovaná práce na hřídeli.

Odkazy

  1. Spilling Energie Systeme GmbH, 2012. Výrobce a dodavatel pístových parních motorů. Adresa: Werftstraße 5, 20457 Hamburg, Deutschland, http://www.spilling.de.
  2. PolyComp, a.s., 2012. Výrobce a dodavatel pístových parních motorů. Adresa: Na Hrázce 22, 290 01 Poděbrady VIII, Česká republika, http://www.polycomp.cz.
  3. Tenza, a.s., 2012. Vývoj a výroba prototypů pístových parních motorů. Adresa: Svatopetrská 7, 617 00, Brno, Česká republika, http://www.tenza.cz.
  4. OTAG Vertriebs GmbH&Co.KG, 2012. Výrobce kogenerační jednotky do domácnosti lion – powerblock. Adresa: Zur Hammerbrücke 9, D-59939 Olsberg, Deutschland, http://www.otag.de.
  5. MILLER, Rudolf, HOCHRAINER, A., LÖHNER, K., PETERMANN, H. Energietechnik und Kraftmaschinen, 1972. Hamburg: Rowohlt taschenbuch verlag GmbH, ISBN 3-499-19042-7.

Bibliografická citace článku

ŠKORPÍK, Jiří. Pístový parní motor (Parní stroj), Transformační technologie, 2010-06, [last updated 2012-04]. Brno: Jiří Škorpík, [on-line] pokračující zdroj, ISSN 1804-8293. Dostupné z http://www.transformacni-technologie.cz/pistovy-parni-motor-parni-stroj.html. English version: Steam piston engine. Web: http://www.transformacni-technologie.cz/en_pistovy-parni-motor-parni-stroj.html.

©Jiří Škorpík, LICENCE
reklama
www.transformacni-technologie.cz