| Pístový parní motor |   |
Pístový parní motor, nebo též parní stroj, je stroj, který bývá součástí zařízení pro realizaci parního oběhu a lze ho i použít v redukční stanicích pro redukci tlaku páry. Práce je z motoru odváděna nejčastěji 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 odfukem páry do okolí motoru), do které patří například i Stirlingův motor, parní turbína. Tato vlastnost umožňuje využívat pro výrobu páry v podstatě jakéhokoliv zdroje tepla.
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 – více v článku Historie strojů na páru.
Hlavními orgány pístového parního motoru je píst s pístní tyčí usazený ve válci a rozvod páry, který zajišťuje přívod a odvod páry z válce (objem uzavřený mezi rozvody a pístem se označuje jako pracovní objem). 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.
Rozvody páry otvírají střídavě kanály mezi vstupem páry do válce a výstupem páry z válce, takovým způsobem, aby ve válci mohlo nejprve probíhat plnění vyskotlakou párou, pak expanze páry – tyto dva děje probíhají při pohybu pístu od horní k jeho dolní úvrati. Naopak při pohybu pístu od dolní úvrati k horní musí rozvody páry zajistit v počáteční fázi tohoto pohybu výfuk páry z válce a v závěrečné válec uzavřít pro kompresi zbytku páry ve válci. Podrobněji viz Obrázek 477.
Zvýše uvedeného lze tedy hovořit o čtyřech základních cyklech parního motoru (plnění, expanze, výfuk a komprese). 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. Podrobněji o těchto okamžicích pojednává článek Termodynamický návrh pístového parního motoru a Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka.
Pro zvýšení výkonu jednoho válce se téměř vždy používá dvojčinný pístový parní motor. Dvojčinný motor využívá skutečnosti, že změna objemu způsobená pohybem pístu je pod pístem stejná, pouze v opačném pořadí ve smyslu, když se nad pístem objem zmenšuje, tak pod pístem zvětšuje a naopak. V případě dvojčinných motorů je objem válce pod pístem vybaven svým rozvodem páry, takže když nad pístem probíhá plynění a expanze, tak pod pístem právě probíhá výfuk a komprese, viz Obrázek 78. Výkon jednoho válce je tak dvojnásobný oproti jednočinnému motoru.
78 U dvojčinného motoru je využito k epxanzi páry obou stran pístuMéně rozšířený je stejnosměrný dvojčinný 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, viz Obrázek 252.
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, viz Obrázek 252.
252 Stejnosměrný parní motorJe-li tlak páry na vstupu do motoru vysoký a je-li to účelné rozděluje se expanze páry mezi dva i více za sebou řazených válců. Mluvíme o motoru 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 nízkého tlaku páry na konci epxanze (tzv výfukový tlak) pouze v jednom válci (píst by musel mít velký zdvih, nebo velmi krátké plnění, což by vedlo na malé výkony válců), viz Obrázek 488.
488 Pístový parní motor s dělenou expanzí páryU pístových parních motorů se používají ventilové i šoupátkové rozvody. Ventily fungují podobn jako u spalovacích motorů – na vstupu do válce jsou ventily, které fungují v režimu otevřeno/zavřeno. Protože proudění přes ventil je pouze v jednom směru, musí být každý pracovní prostor vybaven plnícím i výfukovým kanálem a ventilem, tzn, že dvojčinné motory obsahují minimálně čtyřy ventily, viz Obrázek 489a.
V případě šoupátkového rozvodu zajišťuje zavírání a otvírání kanálů orgán zvaný šoupátko. Šoupátko je v nejjednoduší variantě plochá deska, která se střídavě pohybuje přes otvory do válce a tím je zavírá a otvírá. Mimo plochou desku se častěji používá válcové šoupátko, které se pohybuje ve vlastním válci v bezprostřední vzdálenosti od hlavního válce, se kterým je propojen kanálky, viz Obrázek 489b. Jedno šoupátko může řídit rozvod páry pro horní i dolní prostor dvojčinného motoru. Jeden válec dvojčinného motoru, ale může obsahovat až čtyři šoupátka – čím více šoupátek, tím lepší regulace rozvržení rozvodových okamžiků, protože čím více vstupů páry ovládá pouze jedno šoupátko, tím více jsou jednotlivé rozvodové okamžiky na sobě závislé, viz článek Vyšetření pohybu a rozměrů šoupátka.
489 Pístový parní motor s dělenou expanzí páryPíst i rozvodové orgány (šoupátka, ventily) bývají s hřídelem propojeny mechanickou vazbou a to klikou či zalomeným hřídelem a ojnicí, viz Obrázek 490 a Obrázek 822, s. 4 . Tuto mechanickou vazbu lze použít i pro regulaci výkonu motoru (regulace ovládá pohon rozvodových orgánů a tím i jednotlivé rozvodové okamžiku). Regulace výkonu pístových parních motorů se může provádět i nepřímo změnou parametrů vstupní a výstupní páry (například škrcením pomocí regulačního ventilu před motorem).
490 Prototyp parního motoru Tenza PPM-054-10
822 Parní motor SpillingEfektivitu transformace energie v pístovém parní motoru vyjadřuje vnitřní 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. Základní energetické toky a jejich velikost znázorňuje graf na Obrázku 889.
889 Přibližné energetické toky v malém pístovém parním motoru s jedním šoupátkemHlavní prostor pro využití pístového parního motoru je tam, kde jsou příliš nízké průtoky a parametry páry na to, aby se efektivně dalo použít parní turbíny (při malých výkonech mají pístové motory vyšší vnitřní termodynamickou účinnost než lopatkové stroje, jak napovídá kapitola Rozdíl mezi objemovým a lopatkovým strojem.), viz Obrázek 1213. V České republice se vývojem malých parních motorů pro tyto účely zabývaly například společnosti PolyComp, a.s. [2] a Tenza, a.s. [3]. Motory obou společností byly primárně určeny pro využití tepla z výfuků velkých spalovacích motorů.
Experimentuje se také s využitím velmi malých pístových parních motorů pro kogeneraci v domácnostech, viz Obrázek 825.
825 Kogenerační jednotka do domácnosti s pístovým parním motorem