Po kilku bardzo ciemnych wiekach w Europie (świat rozwijał się wtedy na Wschodzie tym bliższym i dalszym), zwanych dzisiaj Średniowieczem, gdzie całą swoją uwagę poświęcaliśmy wysławianiu Boga. Budowaniu ku jego chwale świątyń (dla architektury i budownictwa wcale to nie był ciemny okres) oraz wymyślaniu machin wojennych, aby mordować tych, którzy nie chcieli wierzyć w naszego Boga, nasza historia automatyzacji dociera w końcu na „Stary Kontynent” (na jego północno-zachodnią część).

czytaj też pierwszą część tego artykułu: Historia automatyzacji – starożytność

Denis Papin

To właśnie tam pan Denis Papin w 1679 roku zaprezentował szybkowar (który mu ponoć wybuchł podczas prezentacji w Londyńskim Towarzystwie Królewskim). Wbrew temu, co może się wydawać na pierwszy rzut oka, szybkowar okazał się jednym z najistotniejszych wynalazków w naszej historii, ponieważ zasugerował kilku wynalazcom, że energię pary (którą dotychczas była „tylko” w stanie podnieść pokrywkę garnka) można wykorzystać do bardziej sensownych celów. Pan Papin wykorzystał moc pary, aby gotować potrawy w wyższym ciśnieniu pod działaniem wyższych temperatur, co mogło doprowadzić nawet do rozerwania pojemnika. To był już tylko krok od tego, aby kilka osób dostrzegło potencjał w tej ogromnej energii. [5]

Pierwszą postacią, której udało się okiełznać parę i wykorzystać jej moc w jak najbardziej potrzebnym w tamtym czasie i pożądanym urządzeniu, był Thomas Savery. Opatentował on w 1698 roku pompę parową, która mogła wynosić wodę na wysokość prawie 8 metrów. Więc, jak się łatwo można domyśleć, nie był to wynalazek, który znalazł szerokie zastosowanie w przemyśle wydobywczym.

Thomas Newcomen – pierwszy silnik parowy

W tym samym czasie pan Newcomen, ponoć prosty górnik ze smykałką do majsterkowania (choć PWN podaje, że był on o wiele mniej romantyczną postacią, bo zubożałym arystokratą handlujący na dużą skalę wyrobami z żelaza), wymyślił coś o wiele lepszego – atmosferyczny silnik parowy. Znając zawód naszego bohatera, łatwo się domyśleć, gdzie jego wynalazek znalazł szerokie zastosowanie. Były to kopalnie, to tam w owym czasie były dostępne największe pieniądze i chęci zarobienia jeszcze większych. Silnik parowy został wprowadzony do pracy w kopalniach, a konkretniej do wypompowywania wody zalewającej szyby (udoskonalił wynalazek Savery’ego, z którym finalnie wszedł w spółkę, bo mieszkali niedaleko siebie), co miało na celu pozbawienie pracy tysiące koni wykorzystywanych wtedy do tego celu. [5]

Jest rok 1705, gdy silnik parowy, znany dziś jako silnik Newcomena, zostaje opatentowany, a 6 lat później zamontowany w kopalni Wolverhampton. Zasada działania mechanizmu jest zaskakująco prosta, a co jeszcze bardziej zaskakujące, ekstremalnie niewydajna, pomimo że powszechnie wykorzystywana na całym uprzemysłowionym (tamtej epoki) świecie – to jest na terenie Wielkiej Brytanii i trochę Europy Środkowej. Do czasu śmierci wynalazcy, która miała miejsce już w 1729 roku, zainstalowano ich ponad 100. [1]

Zasada działania silnika Newcomena

Zbiornik z woda podgrzewany jest przez palenisko (A), co jak łatwo się domyśleć powodowało powstanie pary, jednak co tutaj bardzo istotne tylko pod niskim ciśnieniem i nie szła za tym jeszcze żadna energia (stąd też ten silnik należy do maszyn parowych niskiego ciśnienia – wysokiego są lokomotywy). Tłok (P) podnosi się pod działaniem przeciwwagi (F). Gdy osiągnie swoją najwyższą pozycję zaczyna się dziać magia, ponieważ zostaje zamknięty tłok doprowadzający parę, a otwarty z zimną wodą. Gdy zimna woda spotka się z parą, to studzi jej zapał do wypełniania tłoka i błyskawicznie prowadzi do obniżenia jej temperatury, (a jak wiadomo czym wyższa tym większa objętość i na odwrót). Szybki spadek temperatury powoduje powstanie próżni i sporej mocy, która zasysa tłok z powrotem do dolnej pozycji. Gdy tłok idzie w dół podnosi to co zamontowano z drugiej strony, a więc wypompowuje wodę.

Wbrew temu co może się wydawać, w tej prymitywnej maszynie to nie para, a próżnia napędza pracę tłoka. Spośród wielu problemów tej konstrukcji, dwa stanowiły największe ograniczenia.

Po pierwsze, potrzebny był ktoś, kto te zawory otwierał i zamykał naprzemiennie. Po drugie, wlanie zimnej wody do gorącego cylindra powoduje jego ochłodzenie, co jest zjawiskiem bardzo niepożądanym, w sytuacji, gdzie chcemy wypełniać go za chwilę ponownie gorącą parą. Takie naprzemienne nagrzewanie i wychładzanie cylindra bardzo skracało jego żywotność, a także solidnie wydłużało ten pierwszy etap. [1]

Automatyczna maszyna parowa?

Tutaj docieramy do sylwetki pana, czy raczej młodego nastolatka, Humphrey’a Pottera, który został zatrudniony jako operator maszyny Newcomena. Do jego zadań należało otwieranie i zamykanie naprzemiennie dwóch wcześniej omówionych zaworów (z parą i zimną wodą) przez 12 godzin dziennie, 6, a może nawet 7 dni w tygodniu.

Jak głosi historia (opisana w „Niezwykłych perypetiach odkryć i wynalazków”), pewnego słonecznego dnia, gdy zobaczył w swojej okolicy bawiących się rówieśników, postanowił zrobić wszystko, aby, nie rezygnując z pracy, dołączyć do nich. Wysilił swoją kreatywność i dostrzegł coś, co na pewno wszyscy inżynierowie i właściciele kopalń widzieli, ale jako że nie musieli stać przy tej maszynie całymi dniami, nie mieli wystarczającej motywacji, aby ten proces zautomatyzować. Mowa o zależności otwierania zaworu z parą w dolnej pozycji tłoka i zamykania go w górnej, a otwierania tego z wodą na górze i zamykania na dole.

W takim razie pan Potter „wyczarował” solidny sznurek, którym połączył wszystkie te ruchome części w jeden logiczny, samokontrolujący pracę układ. Ponoć maszyna działała bez zarzutów. Zabawa skończyła się jednak z chwilą, gdy jego kierownik spostrzegł go na boisku, a nie przy – o dziwo autonomicznie – pracującej maszynie. Po otrzymaniu solidnej kary cielesnej wrócił do swojej monotonnej pracy, a wszyscy inni nawet nie zwrócili uwagi na to, czego przez kilka godzin byli świadkami. [7]

Układ mechanicznego sterowania zaworami wprowadzono w 1712 roku jednak niestety nie znalazłem źródeł dokumentujących czyj to oficjalnie był pomysł.  

Iwan Połzunow – pierwsze solidne udoskonalenia

Kolejną postacią, o której warto wspomnieć jednym zdaniem, jest rosyjski majster Iwan Połzunow, który wpadł na pomysł, jak udoskonalić maszynę Newcomena, podwajając jej zasadę działania. Skoro ta maszyna wykonywała pracę tylko podczas ruchu w dół tłoka (dość szybkiego) i powoli wracała na „jałowym biegu” do góry, należało połączyć dwa tłoki razem, aby wykonywały pracę naprzemiennie. I w ten sposób docieramy do silników wielotłokowych tłokowych, z których powszechnie korzystamy do dziś, choćby w naszych samochodach czy statkach.

Napęd Połzunowa został uruchomiony w 1766 roku i służył do poruszania miechów w hucie w Barnaule. Tragedią w tej całej historii jest to, że pracę swojej maszyny, której poświęcił wiele lat swojego życia, mógł podziwiać tylko przez kilka dni, i to jeszcze podczas testów, przed wdrożeniem jej do zwyczajnej pracy, ponieważ w tym samym roku zmarł na gruźlicę w wieku zaledwie 38 lat. Choroba męczyła wynalazcę przez dłuższy czas, ale niestety nie było go stać na lekarstwa, ponieważ całe swoje oszczędności inwestował w tę maszynę, za uruchomienie której caryca Katarzyna II obiecała mu ogromną nagrodę w wysokości 400 rubli (ponoć była to wtedy cała fortuna). Jak władza obiecała, tak i obdarowała majstra, ale wtedy było już za późno na podjęcie leczenia. [7]

James Watt twórca „nowoczesnej” maszyny parowej

Pora na głównego bohatera historii maszyny parowej, nie obawiam się napisać superbohatera, ponieważ to dopiero jego pomysły pozwoliły w pełni ukazać potencjał mocy pary i wprawić w ruch pierwszą rewolucję przemysłową. Mowa o Jamesie Wattsie, z którego nazwiskiem spotkali się wszyscy ludzie kupujący jakiekolwiek urządzenie elektryczne, choćby żarówkę, ponieważ to właśnie na jego cześć jednostką mocy w układzie SI jest dzisiaj wat (W). Podczas swojej pracy jako złota rączka na uniwersytecie w Glasgow – zatrudnił się tam, gdy jego mały warsztat splajtował – załapał zlecenie od jednego z profesorów na usprawnienie jego projektu maszyny parowej bazującej na planach Newcomena.

Jako że pan James należał bez wątpienia do bystrych majsterkowiczów, bardzo szybko dostrzegł w czym tkwi problem, czy raczej niezliczone wady dotychczasowej konstrukcji. Zaczął od osłony termicznej na kotle, bo uznał, że to ogromna strata energii cieplnej, a co za tym idzie także pieniędzy na paliwo, czyli w tym przypadku węgiel. Kolejne usprawnienie stanowiło tak naprawdę ciąg logiczny tego pierwszego. Gdzie jeszcze traci się najwięcej ciepła? Oczywiście w cylindrze podczas wlewania do niego zimnej wody. I tutaj docieramy do jego największego, najbardziej genialnego pomysłu, jakim był osobny kondensator – taka chłodnica.
(grafika pochodzi z :commons.wikimedia.org)

Skoro chcemy utrzymać cylinder cały czas gorący, to może by tak chłodzić parę poza jego obrębem. Jakie to proste i genialne, aż dziwne, że potrzebowaliśmy – jako cywilizacja – aż do 1865 roku, czyli 60 lat od wprowadzenia na rynek maszyny Newcomena.

Niezależnie od pomysłu Połzunowa – który w tym samym czasie konstruował swoje dzieło, gdzieś w głębi Rosji – Watts wpadł na bardziej optymalne rozwiązanie dotyczące problemu ruchu jałowego, gdyż udało mu się zamknąć dwa siłowniki w jednym. Skoro ochłodzenie pary wytwarza podciśnienie z jednej strony tłoka, dzięki czemu wykonywał pracę, to może by tak udało się powtarzać to samo przemiennie także z drugiej strony tłoka? I się udało, stworzył w ten sposób siłownik parowy dwustronnego działania.

To musisz zobaczyć na własne oczy!!!
Działającą maszynę parową (prawdopodobnie najstarszą działającą w Europie, a kto wiem może i na świecie, bo wybudowaną w 1915 przez Hutę Eisenhütte Prinz Rudolph w Dülmen) możesz podziwiać w Sztolni Królowej Luizy w Zabrzu w strefie Carnall. Jest ona za darmo udostępniona do zwiedzania i uruchamiana o każdej pełnej godzinie (w godzinach funkcjonowania strefy – dobrze jednak wczesnej przedzwonić i się upewnić).

Kolejną wadą, którą dostrzegł, była nieregularna praca takiego tłoka, który musiał trząść się niczym Fiat 126p, czyli Maluch – tam silnik posiadał dwa cylindry – tylko z powodu swoich rozmiarów znacznie wolniej. Jednym z sposobów na łagodzenie takiej nieregularnej pracy do dnia dzisiejszego jest koło zamachowe. Jest to ogromne – nomen omen – koło właśnie, o dużej masie, które, jak się już uda wprowadzić w ruch, posiada spory ładunek energii kinetycznej umożliwiający usystematyzowanie ruchu – czasem szarpnie, a innym razem dociśnie tłoczysko.

Jako ciekawostkę dodam, że koła zamachowe są w dalszym ciągu powszechnie wykorzystywane w przemyśle ciężkim i można by rzec, że przeżywają właśnie renesans. W 2022 roku działa kilka firm, które wyspecjalizowały się w magazynowaniu energii pochodzącej choćby z układów fotowoltaicznych za pomocą kół zamachowych.

W jaki sposób działa silnik Watta?

Silnik parowy Watta działa w następujący sposób: para (oznaczona czerwoną strzałką) dociera do suwaka zaworu (8), który raz prowadzi ją z jednej strony tłoka (1), a później z drugiej – o czym decyduje pozycja koła zamachowego (7). Tłok, jak już wiemy, jest wprawiany w ruch poprzez ochłodzenie pary (w tym układzie w zewnętrznym kondensatorze – chłodnicy) – gdy do tego dojdzie, pozyskana w ten sposób energia jest przekazywana na koło zamachowe i przechowywana na nim w postaci ruchu obrotowego (energia kinetyczna ruchu obrotowego), co łagodzi ruch całego układu.

Maszyna Watta działała naprawdę dobrze, jednak bardzo ciężko było zapanować nad jej prędkością. Do pracy przy wypompowywaniu wody z kopalń działała aż za dobrze (o czym za chwilę), jednak do zastosowania na torach, statkach czy w tkalniach zbyt chaotycznie. W zależności od temperatury pary, otoczenia, wody itp., wykazywała inną prędkość pracy. I tutaj docieramy do praprapradziadka sterownika PLC, jakim był pokazany światu w 1788 roku regulator – tutaj bez zaskoczenia – znany jako regulator Watta (inaczej znany pod mało marketingową nazwą regulatorem odśrodkowym obrotów) na ilustracji pod numerem 9.

Regulator Watta to mechanizm składający się z dwóch wahadeł, których ramiona są zamocowane na wspólnym, obrotowym trzpieniu. Wraz ze wzrostem prędkości obrotów silnika, siła odśrodkowa sprawia, że wahadełka unoszą się na zewnątrz. W odpowiedzi na te ruchy, mechanizm regulatora wpływa na suwak zaworu (8), zmieniając ilość doprowadzanej pary i tym samym kontrolując prędkość obrotów silnika. Dzięki temu wynalazkowi, maszyna parowa Watta stała się bardziej przewidywalna i możliwa do zastosowania w różnych dziedzinach przemysłu.

Zasada działania regulatora Watta

Regulator Watta, dzięki swojej prostocie i oparciu o zjawisko siły odśrodkowej, umożliwił pełne poskromienie pracy maszyny parowej i zastosowanie jej wszędzie tam, gdzie potrzebowano przekształcić energię mechaniczną na wartościową pracę.

Regulator Watta, dzięki swojej prostocie i oparciu o zjawisko siły odśrodkowej, umożliwił pełne poskromienie pracy maszyny parowej i zastosowanie jej wszędzie tam, gdzie potrzebowano przekształcić energię mechaniczną na wartościową pracę.

Zasada działania regulatora Watta opiera się na następujących krokach:

1. Wzrost prędkości obrotowej koła zamachowego zwiększa prędkość obrotową dwóch wirujących ciężarków zamontowanych na regulatorze względem wspólnej osi.
2. Zwiększona prędkość powoduje działanie większej siły odśrodkowej na ciężarki, które odsuwają się od osi obrotu (niczym dzieci na karuzeli z podwieszanymi na łańcuchach siedliskami).
3. Ruch ciężarków w dalszą odległość od osi obrotu powoduje domykanie zaworu z parą doprowadzaną do tłoka, co skutkuje zmniejszeniem mocy silnika i obrotów koła zamachowego.
4. Przy spadku prędkości obrotowej ciężarki zbliżają się ponownie do siebie, powodując większe otwarcie zaworu z parą.

Cały układ samodzielnie się reguluje dzięki sprzężeniu zwrotnemu. Wprowadzenie zmiany prędkości pracy maszyny może odbywać się poprzez zmianę ciężarków na cięższe (przyśpieszenie) lub lżejsze (spowolnienie). Później wprowadzenie regulowanej sprężyny do układu znacznie ułatwiło bezstopniowe wpływanie na prędkość maszyny bez konieczności zmiany ciężarków.

Dzięki wynalazkowi regulatora Watta, maszyna parowa zyskała szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu, wpływając na rozwój technologii i przyczyniając się do pierwszej rewolucji przemysłowej.

Dla ciekawskich, którzy zdecydują się odwiedzić Zabrze i na własne oczy zobaczyć działającą maszynę parową, dodam, że jej praca nie jest kontrolowana regulatorem Watta, a zamontowanymi na walach krzywkami (które otwierają i zamykają dopływ pary naprzemiennie raz do jednego, a raz do drugiego jej cylindra). Regulator Watta można za to podziwiać w Muzeum Hutnictwa Cynku: WALCOWNIA, zlokalizowanym w Katowicach Szopienicach.

Kończąc temat maszyny parowej

W tym miejscu można by zakończyć ten tekst, ponieważ miał on dotyczyć głównie historii maszyny parowej. A jak możesz przeczytać powyżej wszystko wskazuje, że przy opatentowaniu tak wydajnej nowoczesnej – jak na ówczesne czasy – technologii wszyscy żyli długo i szczęśliwie niczym w bajce – i z bajecznym bogactwem. Ale nic z tego.

Już trzy wieki temu obowiązywały prawa głoszące, że bez dobrego marketingu, nawet najlepsza technologia sama się nie obroni i tutaj docieramy do sedna geniuszu Watta, który nie tylko był genialnym inżynierem, ale także wcale nie gorszym marketingowcem.

Jednak to temat na kolejną historię. Historię problemów i wyzwań związanych z prowadzeniem technologi odmieniającej życie wszystkich ludzi na naszej planecie (bo dobra technologia to tylko połowa sukcesu komercyjnego) i sprycie genialnego pana Watta, który pokonał wszystkie przeciwności losu (a także przyczynił się do powstania Spotify, Netflixa, samochodów sportowych i nowoczesnego marketingu). Zapraszam do dalszej lektury pod poniższym linkiem.

czytaj dalej: James Watt rozpowszechnia maszynę parową. (wkrótce)

czytaj też: Historia robotów i manipulatorów

Źródła:

[1] Wikipedia

[2] Brytanica

[3] Encyklopedia.pwn.pl

[4] Encyklopedia odkryć i wynalazków. Warszawa: Wiedza Powszechna – Bolesław Orłowski – gdy książka do mnie dojdzie to zmienię to źródło.

[5] 1001 wynalazków, które zmieniły świat – Challoner Jack | Książka

[6] Postęp – historia ludzkości, odc. 1– Serial National Geographic

[7] Niezwykłe perypetie odkryć i wynalazków – Juliusz Jerzy Herlinger

Dodatek dla głodnych wiedzy:

Bardzo wartościowy i dopracowany film prezentujący rozwój maszyn parowych (niestety w języku angielskim).