Parní stroj Newcomen je parně-atmosférický stroj , který se používal k čerpání vody v dolech a rozšířil se v 18. století .
Parní stroj (eolipil) turbínového typu vynalezl Heron Alexandrijský v 1. století našeho letopočtu. e., ale zůstal zapomenutou hračkou a teprve na konci 17. století parní stroje opět přitahovaly pozornost nadšenců. Denis Papin vynalezl vysokotlaký parní kotel s pojistným ventilem a jako první přišel s myšlenkou použití pohyblivého pístu ve válci. Papin se ale k praktické realizaci nedostal.
V roce 1705 sestrojil povoláním kovář Thomas Newcomen spolu s dráteníkem J. Cowleym parní stroj pro vodní pumpu (vodní výtah), který se zdokonaloval asi deset let, dokud nezačal správně fungovat ( 1712 ). S výkonem 8 koňských sil stroj zvedl vodu z hloubky 80 metrů [1] :184 . Newcomen zřejmě použil dříve získaná experimentální data Papina , který studoval tlak vodní páry na píst ve válci a nejprve páru ohříval a ochlazoval, aby ručně vrátil píst do původního stavu.
Newcomen však nemohl získat patent na svůj vynález , protože parní zvedák byl patentován již v roce 1698 T. Severim , s nímž Newcomen později spolupracoval, protože Severiho patent získal právo platnosti zákonem parlamentu až do roku 1733. Newcomenovým zařízením byl pístový parní stroj s vodním čerpadlem a zjevně nepříliš účinný, protože teplo páry se ztratilo při každém ochlazení nádoby a při provozu bylo docela nebezpečné: kvůli vysokému tlaku páry se motory někdy explodoval. Vzhledem k tomu, že toto zařízení bylo možné použít jak k otáčení kol vodního mlýna, tak k čerpání vody z dolů, nazval jej vynálezce „přítel horníků“ [2] [3] .
Vodozdvihací čerpadla Newcomen s pístovým parním strojem našla využití v Anglii a dalších evropských zemích pro čerpání vody z hluboko zatopených dolů, ve kterých by se bez nich nedalo pracovat. Do roku 1733 jich bylo koupeno 110, z toho 14 na export. S určitými vylepšeními jich bylo před rokem 1800 vyrobeno 1454 a v provozu zůstaly až do začátku 20. století [4] . V Rusku se první stroj Newcomen objevil v roce 1777 v Kronštadtu k odvodnění doku . Wattův vylepšený stroj nemohl nahradit Newcomenův stroj tam, kde bylo hojnost nekvalitního uhlí. Zejména stroje Newcomen byly používány v uhelných dolech v Anglii až do roku 1934 [1] :186 .
Pracovní zdvih ve vakuovém motoru Newcomen není způsoben vysokým tlakem par, ale nízkým tlakem vakua vzniklého po vstříknutí vody do válce naplněného horkou párou. Nízký podtlak zvýšil bezpečnost motoru, ale značně snížil jeho výkon.
Píst čerpadla (v animaci připevněný k levému rameni vahadla, samotný píst není v animaci znázorněn) vlivem vlastní hmotnosti klesá dolů a píst parní části stroje (připevněný k pravé rameno vahadla v animaci) stoupá a do svislého pracovního válce, otevřeného nahoře, je přiváděna nízkotlaká pára. Vstupní ventil páry se uzavře a pára se ochladí a kondenzuje. Zpočátku docházelo ke kondenzaci páry v důsledku vnějšího vodního chlazení válce párou [1] :184 . Poté bylo zavedeno vylepšení: pro urychlení kondenzace byla do válce po uzavření ventilu vstřikována nízkoteplotní voda s párou (v animaci z nádrže přímo pod pravým ramenem vahadla) a kondenzát stékal do sběrač kondenzátu. Když pára kondenzuje, tlak ve válci klesá a atmosférický tlak tlačí píst parní části stroje dolů, čímž dochází k pracovnímu zdvihu. Zároveň se zvedá píst čerpací části stroje a táhne s sebou vodu na vyšší úroveň. Poté se cyklus opakuje [5] . Mazání a utěsnění pístu parní části se provádí malým množstvím vody nalité na něj.
Zpočátku byl rozvod páry a chladicí vody ruční, poté byl vynalezen automatický rozvod, tkz. Potterův mechanismus.
Práce vykonaná atmosférickým tlakem je tím větší, čím větší je zdvih pístu a síla tlaku na něj. Pokles tlaku v tomto případě závisí pouze na teplotě, při které pára kondenzuje, a síla rovnající se součinu poklesu tlaku a plochy pístu se zvětšuje se zvětšováním plochy pístu, tj. je průměr válce a následně objem válce. Obecně se ukazuje, že výkon stroje roste se zvětšováním objemu válce.
Píst je spojen řetězem s koncem velkého vahadla, což je dvouramenná páka. Čerpadlo pod zatížením je připojeno řetězem k opačnému konci vahadla. Během pracovního zdvihu pístu směrem dolů čerpadlo tlačí nahoru část vody a pak svou vlastní vahou klesá dolů a píst se zvedá a plní válec párou.
Neustálé chlazení a dohřívání pracovního válce stroje bylo velmi nehospodárné a neefektivní. Přesto tyto parní stroje umožňovaly čerpat vodu z dvojnásobné hloubky [1] :185 , než to bylo možné s pomocí koní . Vytápění vozů uhlím vytěženým ve stejném dole, kterému auto sloužilo, se i přes monstrózní obžerství instalace ukázalo jako ziskové: asi 25 kg uhlí za hodinu na koňskou sílu [1] :185 . Newcomenův stroj nebyl univerzální motor a mohl fungovat pouze jako čerpadlo. Newcomenovy pokusy použít vratný pohyb pístu k otáčení lopatkového kola na lodích byly neúspěšné. Newcomenovou zásluhou však je, že jako jeden z prvních realizoval myšlenku využití páry k získání mechanické práce. Jeho vůz se stal předchůdcem univerzálního motoru J. Watta .
Obdobnou technologii v současnosti využívají betonová čerpadla na stavbách .
Pracovní zdvih pístu je pouze v jednom směru (dolů) a konstantní tepelná ztráta na ohřev chlazeného válce určovala nízkou účinnost stroje (méně než 1% účinnost).
Prvním Wattovým vylepšením byl samostatný kondenzátor, který udržoval válec neustále horký.
Ve svém zásadně novém motoru Watt opustil paro-atmosférické schéma a vytvořil dvojčinný vahadlový stroj, ve kterém byly oba zdvihy pístů dělníky. Řetěz již nemohl sloužit jako převodový článek na vahadle při zdvihu pístu vzhůru a vznikla potřeba mechanismu, který by přenášel sílu z pístu na vahadlo v obou směrech. Tento mechanismus byl také vyvinut Wattem. Výkon se zvýšil asi pětkrát, což přineslo 75% úsporu nákladů na uhlí. Skutečnost, že na základě Wattova stroje bylo možné převést translační pohyb pístu na rotační, se stala impulsem pro průmyslovou revoluci. Tepelný stroj nyní mohl otáčet kolem mlýna nebo továrního stroje a osvobozovat výrobu od vodních kol na řekách. Již v roce 1800 vyrobila firma Watt a jeho společník Bolton 496 takových mechanismů, z nichž pouze 164 bylo použito jako čerpadla. Dalších 308 našlo uplatnění v mlýnech a továrnách a 24 obsluhovalo vysoké pece .