Motore a vapore
Unmotore a vaporeè unamacchinamotrice che trasforma, tramite ilvapore d'acqua,energia termicainenergia meccanica.Il calore è in genere prodotto dalla combustione di un combustibile fossile,carbone fossile,legnao idrocarburogasolio,olio combustibile,ma anche scarto termico di processi industriali.
Storia
[modifica|modifica wikitesto]
Sin dall'Ellenismoè documentata la presenza di esperimenti per sfruttare l'energia derivante dall'espansione dei composti dovuta alla transizione di fase liquido-aeriformedel vapore acqueo. Tra questi si ricorda l'eolipiladiErone di Alessandria,una macchina composta da una sfera cava di Rame riempita d'acqua, con bracci tangenziali opposti dotati di foro di uscita; applicando una fonte di calore in prossimità del recipiente contenente l'acqua, questa sivaporizzavae il vapore acqueo usciva dai fori, facendo ruotare la sfera stessa.
Vanno ricordati i tentativi di usare il vapore diLeonardo da Vincicon la sua macchina detta l'Archituono,e nel 1606 gli esperimenti diGiovanni Battista Della Portache riuscirono ad utilizzarlo comeforza motrice. Esperimenti analoghi a quelli di Della Porta vennero compiuti anche dall'ingegnereSalomon de Caus,che nel 1615 pubblicò un trattato sul suo sistema contenente una pompa a vapore.
In tempi più recenti, le prime applicazioni del vapore si possono far risalire agli esperimenti diDenis Papined alla suapentola a pressionedel1679,da cui partì per concepire idee su come sviluppare l'utilizzo del vapore. Le successive applicazioni si sono avute all'inizio delXVIII secolo,soprattutto per il pompaggio dell'acqua dalle miniere, con il sistema ideato nel1698daThomas Saveryutilizzando il vuoto creato dallacondensazionedel vapore immesso in un recipiente (che permetteva di sollevare acqua fino a circa 10 m di altezza), e in seguito, grazie all'invenzione del sistema cilindro-pistone (probabilmente dovuta a Denis Papin), convertendo in movimento meccanico, in grado di generare lavoro, l'energia del vapore. Il primo esempio di applicazione industriale di questo concetto è lamacchina di Newcomen,del1705,che era però grande, poco potente, costosa, e soprattutto attuava un movimento solo alternativo, per questo motivo quindi anch'essa veniva in genere usata solo per l'estrazione di acqua dalle miniere.
Agli inizi il motore a vapore funzionava a bassa pressione: il vapore veniva prodotto dalla caldaia ed arrivava subito al cilindro. Tali motori erano di conseguenza enormi rispetto alla potenza erogata; l'installazione su veicoli semoventi richiedeva quindi la progettazione di motori più piccoli e leggeri a parità di potenza, per questo motivo vennero creati motori ad alta pressione, ovvero che accumulavano la pressione all'interno della caldaia anziché espellerla nel cilindro man mano che si produceva.
Solo più tardi però, grazie all'invenzione del condensatore esterno, della distribuzione a cassetti e delmeccanismo biella-manovella(che consentiva di creare un movimento rotatorio anziché solo alternativo come fino allora), tutte attribuite aJames Watta partire dal1765,si è potuti passare da applicazioni sporadiche ad un utilizzo generalizzato nei trasporti e nelle industrie. Lamacchina di Wattriduceva costi, dimensioni e consumi, e aumentava lapotenzadisponibile. Dal primo modello con4,4kWsi è passati in meno di 20 anni a locomotive da0,4MW.
Il motore a vapore, consentendo potenze assai maggiori di quelle fino ad allora disponibili (un cavallo in corsa può produrre 8 kW per brevi tratti, ma per lavorare una giornata non può produrre più di 0,7 kW) ha svolto un ruolo fondamentale nellarivoluzione industriale:ha facilitato l'estrazione ed il trasporto del carbone, e quindi la diminuzione del costo, che a sua volta ha aumentato le potenzialità del motore a vapore. La seconda applicazione del motore a vapore fu muovere ilmanticeinfonderiaper la prima volta nel1776,mentre dal1787esso fu usato anche nelle cotonerie per filare.
L'incidenza del motore a vapore è evidente: la produzione mondiale di carbone passò da6Tg(6 milioni di tonnellate) del1769a65 Tgdel1819;ilferro(richiesto per l'acciaio) dai 40Gg(40 000 tonnellate) del1780ai700 Ggdel1830.Nel1830vi erano 15.000 motori a vapore nel Regno Unito, tra cui 315 utilizzati in ambitonavale;le imbarcazioni dotate di motori a vapore sono chiamate comunementepiroscafi.Dal1860uno scienziato francese,Augustin Mouchot,iniziò a studiare vari modi, utilizzando l'energia solare,per alimentare i motori a vapore.
Descrizione
[modifica|modifica wikitesto]
Una parte essenziale del sistema di produzione di energia a vapore è ilgeneratore di vapore,comunemente chiamatocaldaia,il quale fornisce la grande energia termica necessaria per la vaporizzazione dell'acqua, producendo il vapore che viene poi inviato al motore. Il motore può essere a moto alternativo o rotativo. Si usa di solito la locuzionemotore a vaporeper il solomotore alternativo,mentre il motore rotativo viene definitoturbina a vapore.
In quello alternativo in genere la ruota azionata muove le valvole che consentono di sfruttare i due lati di ogni pistone, così in ogni singola rotazione del motore si hanno due fasi attive, mentre il motore a combustione interna ha in genere un'espansione ogni 4 tempi. A partire dalla seconda metà del 1800 la quasi totalità dei motori a vapore ha utilizzato due, tre e anche quattro cilindri in serie, avendo quindi sistemi a doppia, tripla e quadrupla espansione (vedianimazione); i diversi stadi lavorano con pressioni di vapore decrescenti in modo da sfruttare meglio la pressione degli scarichi degli stadi precedenti, che contengono ancora una certa potenza.
Nei treni a vapore venivano usati solitamente i motori a semplice espansione e a doppia espansione (cioè con due cilindri).
La soluzione a tripla espansione fu quella adottata dalla maggior parte delle navi della seconda metà dell'800 e dei primi anni del '900; ad esempio iltransatlanticoTitanic,famoso per lo schianto contro unicebergche ne provocò ilnaufragiodurante il suo primo viaggio il 15 aprile1912,era equipaggiato con 29 caldaie e due grossi motori a vapore a tripla espansione invertibili, che muovevano le due eliche laterali, ognuno dei quali aveva quattro cilindri, uno ad alta pressione, uno a pressione intermedia e due a bassa pressione; l'elica centrale invece era mossa da una turbina non invertibile che espandeva ulteriormente il vapore a bassissima pressione scaricato dai due motori alternativi. Un sistema analogo era impiegato anche sulle navi gemelle delTitanic,l'Olympice ilBritannic;le macchine alternative a vapore di queste tre navi rimangono le più grandi mai costruite in tale ambito.
La soluzione a turbina, ideata daCharles Algernon Parsonsnel1884ed adottata inizialmente sulle navi militari a partire dal 1905, sostituì in seguito su tutte le navi i motori alternativi, prima di essere a sua volta soppiantata dai motori a combustione interna e dalle turbine a gas nei decenni successivi. Le turbine a vapore rimangono in uso soprattutto nelle centrali elettriche come forza motrice per azionare gli alternatori trifase.
Nelle applicazioni tradizionali, oggi il motore a vapore è stato quasi completamente sostituito dalmotore a combustione interna,che è più compatto e potente e non richiede il preriscaldamento per mettere la caldaia in pressione, che comporta un ritardo prima di poter utilizzare il motore stesso.
Sono invece in sviluppo recente, per soluzione isolate e per piccole potenze, (5-300kW), motori alternativi a vapore a ciclo chiuso; con l'adozione di materiali di alta tecnologia (ceramici, compositi, superleghe), e l'utilizzo di masse estremamente piccole di fluido agente (e dell'assistenza al ciclo di sistemi informatici), si ottengono vaporizzazioni e condensazioni estremamente veloci e rendimenti apprezzabili, con un meccanismo meccanico e fluidistico estremamente semplificato. A copertura del problema della lubrificazione che inquina il vapore, che ha sempre afflitto tutti i tipi di motori a vapore (l'olio va inemulsionenel vapore) si adotta con successo lo stesso fluido di ciclo (acqua) come lubrificante. Data la compattezza del sistema e l'ottima duttilità e versatilità di utilizzo (il motore non è legato ad un combustibile specifico), è possibile un utilizzo per autotrazione.
Le macchine a vapore di Papin
[modifica|modifica wikitesto]Denis Papinfece studi in medicina ad Angers. All'inizio lavora conChristian HuygensaLeida,dove tenta di mettere a punto una pompa ad aria. Nel 1679 inventa lapentola a pressione,depositando all'epoca, il brevetto con la scritta "il qui presente 'digestore' rende digeribile molte quantità di cibi, tra cui le carni più dure". In seguito lavora per qualche tempo conRobert Boyle,per ritornare poi con Huygens nel 1680. Dopo un soggiorno a Venezia come direttore delle pratiche all'Accademia Ambrosio Sarrotti,e quindi allaRoyal Societydi Londra, fu nominato professore di matematica aMarburgo. A questo punto, partendo dall'esperienza della pentola a pressione, Papin costruisce la sua prima macchina a vapore: un battello a vapore nel 1707. Ma questa superba invenzione comporta molte controversie da parte dei battellieri che minacciano di distruggere il battello. Papin ritorna in seguito finalmente in Inghilterra, dove, malgrado le nuove ricerche, le sue risorse vanno a diminuire.
Bibliografia
[modifica|modifica wikitesto]- Carlo Abate,La locomotiva a vapore,Milano,Hoepli,1924.
- Carlo Bramanti,Il motore a vapore,Albino, Sandit, 2009,ISBN 978-88-95990-25-5.
- Antonio Capetti,Motori a vapore,Torino, V. Giorgio, 1963.
- (FR) Salomon de Caus,La raison des forces mouvantes,Jean Norton ed., Francoforte, 1615, e Parigi, 1624
Voci correlate
[modifica|modifica wikitesto]- Motore compound
- Ciclo Rankine
- Manovellismo di spinta rotativa
- Generatore di vapore
- Motrice alternativa
- Turbina a vapore
Altri progetti
[modifica|modifica wikitesto]
Wikimedia Commonscontiene immagini o altri file sulmotore a vapore
Collegamenti esterni
[modifica|modifica wikitesto]- (IT,DE,FR)Motore a vapore,suhls-dhs-dss.ch,Dizionario storico della Svizzera.
- (EN)steam engine/high-pressure steam engine,suEnciclopedia Britannica,Encyclopædia Britannica, Inc.
- Interactive animation including download files for PC, Mac, PPT and Fla[collegamento interrotto],su1-stromvergleich.de.
| Controllo di autorità | Thesaurus BNCF55301·LCCN(EN)sh85127673·GND(DE)4010992-6·BNF(FR)cb11966647v(data)·J9U(EN,HE)987007533892405171·NDL(EN,JA)00575025 |
|---|
