Tvaika dzinējs

Tvaika dzinējs jeb tvaikmašīna ir ārdedzes siltuma dzinējs, kas par darba vielu izmanto ūdens tvaiku, kuras potenciālā enerģija tiek pārvērsta kinētiskajā enerģijā. Tos iedala tvaika virzuļdzinējos un tvaika turbīnās. Parasti ar jēdzienu tvaika dzinējs saprot tvaika virzuļdzinēju, tādēļ šajā rakstā ir par virzuļdzinēju, nevis turbīnu. Mūsdienās tvaika dzinējiem ir vēsturiska nozīme, tos izmanto ļoti maz.

Vēsture

Pirmo vienkāršo tvaika dzinēju izgudroja grieķu zinātnieks Hērons 1. gadsimtā, bet pēc būtības tā bija rotaļlieta.
17. gadsimta vidū tika sperti pirmie soļi pārejai uz mašīnrūpniecību, kas radīja nepieciešamību pēc dzinējiem, kuri nebija atkarīgi no vietējiem enerģijas avotiem (ūdens, vēja un citi). Pirmais dzinējs, kurā tika izmantota ķīmiskās degvielas siltumenerģija, bija tvaika atmosfēriskais dzinējs, ko izgatavoja pēc franču fiziķa Denī Papēna un angļu mehāniķa Tomasa Severija projektiem. Šim dzinējam nebija mehāniskās piedziņas, tam komplektā nāca ūdensdzirnavu rats (mūsdienās zināms kā hidroturbīna), kuru grieza ūdens, ko no tvaika katla uz ūdenstorni spieda tvaiks. Katls uzsila ar tvaiku un dzesējās ar ūdeni: dzinējs darbojās periodiski.
1763. gadā krievu mehāniķis Ivans Polzunovs pēc paša projekta uztaisīja stacionāru nepārtrauktas darbības tvaika dzinēju. Tam bija divi cilindri, kas pēc kārtas piepildījās ar tvaiku un ūdeni, kas nepārtraukti tika padots uz ūdenstorni.
1784. gadā angļu mehāniķis Džeimss Vats izveidoja daudz pilnīgāku tvaika dzinēju, ko nosauca par universālo tvaika dzinēju. Vats kopš bērnības strādāja par palīgu uz Sevrija konstrukcijas dzinēja. Viņa pienākumos ietilpa nepārtraukti pārslēgt katla tvaika un ūdens padeves krānus. Šis vienmuļais darbs zinātniekam pamatīgi apnika un rosināja izgudrot gan dubultā gājiena virzuli, gan automātisko vārstu kārbu (vēlāk arī centrbēdzes drošinātāju). Dzinēja cilindrā bija uzstādīts virzulis, kuram no abām pusēm tika padots tvaiks. Viss notika automātiskā režīmā un nepārtraukti. Virzulis caur kloķa klaņa mehānismu grieza spararatu, kas nodrošināja gaitas vienmērību. Tvaika dzinējs tagad varēja piedzīt dažādus mehānismus un pārstāja būt saistīts tikai ar ūdenstorņiem. Vata izgudrotie elementi bija sastopami praktiski visos tvaika dzinējos. Tvaika dzinējus pilnveidoja uz izmantoja dažādos tehniskos risinājumos: darbagaldu piedziņai, kuģos, cilvēku pārvadāšanas ekipāžās pa ceļiem, dzelzceļa lokomotīvēs.
Tvaika dzinēja izgudrošana ievērojami atviegloja cilvēku dzīvi, paātrinot rūpniecības un transporta attīstību.

Uzbūve

Tvaika mašīna sastāv no tvaika katla (kuru kurina), cilindra ar virzuli un kloķvārpstu, un caurulēm, svirām un vārstiem, kas tvaiku no tvaika katla ievada cilindrā. Tā kā kurināmā sadegšana notiek katla kurtuvē (ārpus tvaika mašīnas cilindra), to sauc par ārdedzes dzinēju. Tvaika katla kurināšanai ir iespējams lietot jebkādu degvielu, bet siltuma zudumi pārvadot tvaiku no katla uz cilindru un it īpaši, izlietoto tvaiku izlaižot atmosfērā, samazina lietderības koeficientu. Zemā lietderības koeficienta dēļ, tvaika mašīnas mūsdienās vairs tikpat kā nelieto.
Tvaika turbīnām (īpaši, ja izlietoto tvaiku lieto kaut kur citur) ir iespējams lielāks lietderības koeficients. Mūsdienās tvaika turbīnas saražo apmēram 85% pasaules elektrības (tās lieto visās termoelektrostacijās un atomelektrostacijās).