upright|náhled|Saveryho parní čerpadlo z roku 1698 – první komerčně úspěšné zařízení poháněné párou, které sestrojil Thomas Savery Historie parního stroje sahá do starověku – prvním zaznamenaným základním parním strojem byla eolipila, kterou popsal Hérón Alexandrijský v 1. století v Egyptě. Později bylo navrženo několik zařízení poháněných párou, například Taqi al-Dinův parní zvedák, parní turbína v osmanském Egyptě v 16. století a parní čerpadlo Thomase Saveryho v Anglii v 17. století. V roce 1712 se atmosférický motor Thomase Newcomena stal prvním komerčně úspěšným motorem využívajícím princip pístu a válce, který byl základním typem parního stroje používaným až do počátku 20. století. Parní stroj se používal k čerpání vody z uhelných dolů.

Během průmyslové revoluce začaly parní stroje nahrazovat vodní a větrné zdroje energie a nakonec se koncem 19. století staly dominantním zdrojem, kterým zůstaly až do prvních desetiletí 20. století, kdy účinnější parní turbína a spalovací motor vedly k rychlému nahrazení parních strojů. Parní turbína se stala nejběžnějším způsobem pohonu generátorů elektrické energie. V současné době probíhá výzkum praktických možností oživení pístového parního stroje jako základu nové vlny pokročilé parní technologie.

Předchůdci

První využití parní energie

Nejstarší známý rudimentární parní stroj byla reakční parní turbína bez lopatek, tzv. eolipila, popsaná matematikem a fyzikem Hérónem z Alexandrie v 1. století v římském Egyptě, jak je zaznamenáno v jeho rukopise Spiritalia seu Pneumatica. Pára vytlačovaná tangenciálně z trysek způsobovala otáčení koule, v níž byla ohřívána voda. Točivý moment je vytvářen proudy páry vystupujícími z turbíny. Tepelná účinnost takového zařízení byla nízká, ale přeměna tlaku páry na mechanický pohyb byla v římském Egyptě v 1. století známa. Hérón také vymyslel stroj, který využíval vzduch ohřátý v oltářním ohni k vytlačení určitého množství vody z uzavřené nádoby. Hmotnost vody táhla skryté lano k ovládání chrámových dveří. Někteří historikové oba vynálezy spojují a nesprávně tvrdí, že eolipila byla schopna užitečné práce.

Podle Viléma z Malmesbury se v roce 1125 v Remeši nacházel kostel, který měl varhany poháněné vzduchem unikajícím ze stlačení ohřátou vodou, snad navržené a zkonstruované Gerbertem z Aurillacu (pozdějším papežem Silvestrem II.).

Mezi spisy Leonarda da Vinciho z konce 15. století se nachází návrh děla poháněného parou, zvaného architonnerre, které funguje na základě náhlého přítoku horké vody do uzavřeného, rozžhaveného děla.

Zárodek parní turbíny popsal v roce 1551 Taqi al-Din, filozof, astronom a inženýr v osmanském Egyptě 16. století, který popsal způsob otáčení rožně pomocí proudu páry přiváděného na rotační lopatky po obvodu kola. Podobné zařízení pro otáčení rožně popsal později také John Wilkins v roce 1648. Tato zařízení se tehdy nazývala „mlýny“, ale nyní jsou známa jako parní zvedáky. Další podobnou primitivní parní turbínu předvedl italský inženýr Giovanni Branca v roce 1629 pro otáčení válcového skluzového zařízení, které střídavě zvedalo a spouštělo dvojici tlouků pracujících v hmoždířích. Proud páry těchto prvních parních turbín však nebyl soustředěný a většina jeho energie se rozptýlila do všech směrů. To vedlo k velkému plýtvání energií, a proto se o jejich průmyslovém využití nikdy vážně neuvažovalo.

V roce 1605 napsal francouzský matematik Florence Rivault ve svém pojednání o dělostřelectvu o svém objevu, že voda, je-li uzavřena v pumovnici a zahřáta, způsobí výbuch nábojnice.

V roce 1606 Španěl Jerónimo de Ayanz y Beaumont získal patent na vodní čerpadlo poháněné párou. Čerpadlo bylo úspěšně použito k odvodnění zaplavených dolů na španělském Guadalcanalu.

Vývoj komerčního parního stroje Objevy, které Thomas Newcomen v roce 1712 spojil dohromady a které vedly ke vzniku parního stroje, byly následující:

pojem tlaku, koncept vakua (tj. snížení tlaku pod úroveň okolního prostředí) a techniky pro vytvoření vakua, způsob výroby páry, píst a válec.

V roce 1643 prováděl Evangelista Torricelli pokusy s vodními vývěvami se sacím zdvihem, aby vyzkoušel jejich mezní hodnotu, která činila asi 32 stop (atmosférický tlak je 32,9 stopy neboli 10,03 metru; tlak par vody teoretickou výšku zdvihu snižuje). Vymyslel pokus s trubicí naplněnou rtutí a obrácenou v misce se rtutí (barometr) a pozoroval prázdný prostor nad sloupcem rtuti, který podle jeho teorie neobsahoval nic, tedy vakuum.

Pod vlivem Torricelliho vynalezl Otto von Guericke vakuovou pumpu úpravou vzduchové pumpy používané k natlakování vzduchové pistole. Guericke uspořádal v roce 1654 demonstraci v německém Magdeburku, kde byl starostou. Dvě měděné polokoule byly připevněny k sobě a byl z nich čerpán vzduch. Závaží připevněná k polokoulím je nemohla od sebe odtrhnout, dokud nebyl otevřen vzduchový ventil. Pokus byl zopakován v roce 1656 za použití dvou spřežení po 8 koních, která nedokázala magdeburské polokoule oddělit.

Jako první popsal pokus s polokoulemi Gaspar Schott ve svém díle Mechanica Hydraulico-Pneumatica (1657).

Po přečtení Schottovy knihy sestrojil Robert Boyle zdokonalenou vývěvu a prováděl související pokusy.

Denis Papin se začal zajímat o využití vakua k výrobě hnací síly, když v roce 1663 pracoval v Paříži s Christiaanem Huygensem a Gottfriedem Leibnizem. Papin pracoval pro Roberta Boyla v letech 1676 až 1679, zprávu o své práci publikoval v knize Continuation of New Experiments (1680) a v roce 1689 přednesl příspěvek v britské Královské společnosti. Od roku 1690 začal Papin experimentovat s pístem pro výrobu energie pomocí páry a stavěl modely parních strojů. Experimentoval s atmosférickými a tlakovými parními stroji a své výsledky publikoval v roce 1707.

V roce 1663 vydal Edward Somerset, 2. markýz z Worcesteru, knihu 100 vynálezů, v níž popsal způsob zvedání vody mezi patry využívající podobný princip jako kávový perkolátor. Jeho systém jako první odděloval kotel (vyhřívanou dělovou hlaveň) od čerpání. Voda se přiváděla do zesíleného sudu z cisterny a poté se otevřel ventil, kterým se přiváděla pára ze samostatného kotle. Tlak se zvyšoval nad horní část vody a hnal ji vzhůru potrubím. Své zařízení poháněné párou instaloval na stěnu Velké věže na hradě Raglan, aby přiváděl vodu přes věž. Drážky ve zdi, kde byl stroj instalován, byly k vidění ještě v 19. století. Nikdo však nebyl ochoten riskovat peníze za tak revoluční koncept a bez sponzorů zůstal stroj nevyvinutý.

Samuel Morland, matematik a vynálezce, který se zabýval čerpadly, zanechal ve Vauxhall Ordinance Office poznámky k návrhu parního čerpadla, které si Thomas Savery přečetl. V roce 1698 Savery sestrojil parní čerpadlo nazvané „The Miner's Friend“. Využívalo jak podtlak, tak tlak. Po řadu let se používalo pro provoz s malým výkonem.

Thomas Newcomen byl obchodník, který obchodoval s litinovým zbožím. Newcomenův motor vycházel z konstrukce pístu a válce navržené Papinem. V Newcomenově motoru byla pára kondenzována vodou rozstřikovanou uvnitř válce, což způsobilo, že pístem pohyboval atmosférický tlak. První Newcomenův motor byl instalován k čerpání v dole v roce 1712 na zámku Dudley ve Staffordshiru.

Válce

Denis Papin (22. srpna 1647 – asi 1712) byl francouzský fyzik, matematik a vynálezce, známý především svým průkopnickým vynálezem parního vařiče, předchůdce tlakového hrnce. V polovině 70. let 16. století Papin spolupracoval s nizozemským fyzikem Christiaanem Huygensem na motoru, který vyháněl vzduch z válce tím, že v něm vybuchoval střelný prach. Když si Papin uvědomil neúplnost vakua vytvořeného tímto způsobem a v roce 1680 se přestěhoval do Anglie, vymyslel verzi téhož válce, která dosáhla úplnějšího vakua vařením vody a následnou kondenzací páry; tímto způsobem mohl zvedat závaží připojením konce pístu k lanu procházejícímu přes kladku. Jako demonstrační model systém fungoval, ale aby bylo možné proces zopakovat, musel být celý přístroj rozebrán a znovu sestaven. Papin rychle pochopil, že pro automatický cyklus by se musela pára vyrábět samostatně v kotli; projekt však dále nerozvíjel. Papin také navrhl pádlový člun poháněný proudem hnaným na mlýnské kolo v kombinaci s Taqi al Dinovou a Saveryho koncepcí, a připisuje se mu také řada významných zařízení, jako je například pojistný ventil. Papinův dlouholetý výzkum problematiky využití páry měl sehrát klíčovou roli při vývoji prvních úspěšných průmyslových motorů, který následoval brzy po jeho smrti.

Saveryho parní čerpadlo

Prvním průmyslově využitým parním strojem byl „ohňový stroj“ nebo „přítel horníků“, který v roce 1698 navrhl Thomas Savery. Jednalo se o bezpístové parní čerpadlo, podobné tomu, které vyvinul Worcester. Savery přinesl dva klíčové příspěvky, které výrazně zlepšily praktičnost této konstrukce. Zaprvé, aby umožnil umístit přívod vody pod motor, použil kondenzovanou páru k vytvoření částečného podtlaku v čerpací nádrži (sudu ve Worcesterově příkladu) a pomocí ní vytáhl vodu nahoru. Zadruhé, aby rychle ochladil páru, která vytváří podtlak, pouštěl přes nádrž studenou vodu.

Provoz vyžadoval několik ventilů; když byl zásobník na začátku cyklu prázdný, otevřel se ventil pro vpuštění páry. Ventil se zavřel, aby se nádrž utěsnila, a zapnul se ventil chladicí vody, aby se pára zkondenzovala a vytvořil se částečný podtlak. Otevřel se přívodní ventil, který vtahoval vodu nahoru do nádrže, a vzniklý podtlak mohl vytáhnout vodu až do výšky 20 stop. Vodní ventil se uzavřel a znovu se otevřel parní ventil, čímž se vytvořil tlak nad vodou a voda se pak znovu čerpala nahoru, jako u Worcesterovy konstrukce. Tento cyklus v podstatě zdvojnásobil vzdálenost, do které bylo možné vodu čerpat při daném tlaku páry, a výrobní experimenty zvedly vodu o 40 stop.

Saveryho motor vyřešil problém, který se stal vážným teprve nedávno: zvedání vody z dolů v jižní Anglii, které dosahovaly větších hloubek. Saveryho motor byl o něco méně účinný než Newcomenův, ale to bylo kompenzováno tím, že samostatné čerpadlo používané Newcomenovým motorem bylo neúčinné, takže oba motory měly zhruba stejnou účinnost 6 milionů stopliber na bušl uhlí (méně než 1 %). Saveryho motor nebyl ani příliš bezpečný, protože část jeho cyklu vyžadovala páru pod tlakem dodávanou kotlem a vzhledem k tehdejší technologii nebylo možné vyrobit dostatečně silnou tlakovou nádobu, takže byla náchylná k výbuchu. Výbuch jednoho z jeho čerpadel v Broad Waters (poblíž Wednesbury) kolem roku 1705 pravděpodobně znamenal konec pokusů o využití jeho vynálezu.

Saveryho motor byl levnější než Newcomenův a vyráběl se v menších velikostech. Někteří stavitelé vyráběli vylepšené verze Saveryho motoru až do konce 18. století. Bento de Moura Portugal (1702–1766) představil důmyslné vylepšení Saveryho konstrukce, „aby byl schopen pracovat sám“, jak popsal John Smeaton v časopise „Philosophical Transactions“ vydaném v roce 1751.

Atmosférické kondenzační motory

Newcomenův „atmosférický“ motor

Dá se říci, že to byl Thomas Newcomen se svým „atmosférickým motorem“ z roku 1712, kdo spojil většinu základních prvků stanovených Papinem, aby vyvinul první praktický parní stroj, po kterém mohla být komerční poptávka. Ten měl podobu pístového paprskového motoru instalovaného na úrovni povrchu a pohánějícího řadu čerpadel na jednom konci paprsku. Motor, připojený řetězy z druhého konce nosníku, pracoval na atmosférickém nebo vakuovém principu.

Newcomenova konstrukce využívala některé prvky dřívějších koncepcí. Stejně jako Saveryho konstrukce využíval Newcomenův motor k vytvoření podtlaku páru chlazenou vodou. Na rozdíl od Saveryho vývěvy však Newcomen využíval podtlak k tahu pístu namísto přímého tahu vody. Horní konec válce byl otevřený atmosférickému tlaku, a když se vytvořil podtlak, atmosférický tlak nad pístem jej tlačil dolů do válce. Píst byl mazán a utěsňován proudem vody ze stejné cisterny, která dodávala chladicí vodu. Dále pro zlepšení chladicího účinku stříkal vodu přímo do válce.