Motore a vapore
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Un motore a vapore è un'apparecchiatura adatta a produrre energia meccanica utilizzando, in vari modi, vapore d'acqua. In particolare essa trasforma, tramite il vapore, energia termica in energia meccanica. Il calore è in genere prodotto con il carbone, ma può anche provenire da legna, idrocarburi o reazioni nucleari.
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Storia [modifica]
Già nel periodo ellenistico si narra di esperimenti atti a sfruttare l'espansione dei composti dovuta al cambiamento da fase liquida a fase gassosa: in particolare l'eolipila di Erone, una sfera cava di metallo riempita d'acqua, con bracci tangenziali dotati di foro di uscita: quando si scaldava l'acqua, questa si vaporizzava e il vapore acqueo usciva dai fori, facendo ruotare la sfera stessa.
Vanno inoltre ricordati i tentativi di usare il vapore di Leonardo da Vinci con la sua macchina detta l'Archituono, e nel 1606 gli esperimenti di Giovanni Battista della Porta che riuscirono ad utilizzarlo come forza motrice. Esperimenti analoghi a quelli del Della Porta vennero compiuti anche dall'ingegnere Salomon 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 di Denis Papin ed alla sua pentola a pressione del 1679 da cui partì per concepire idee su come sviluppare l'utilizzo del vapore. Le successive applicazioni si sono avute all'inizio del XVIII secolo, soprattutto per il pompaggio dell'acqua dalle miniere, con il sistema ideato nel 1698 da Thomas Savery utilizzando il vuoto creato dalla condensazione del 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 la macchina di Newcomen, del 1705, che era però grande, poco potente e costosa, quindi anch'essa veniva in genere usata solo per l'estrazione di acqua dalle miniere. Solo più tardi però, grazie all'invenzione del condensatore esterno, della distribuzione a cassetti e del meccanismo biella-manovella, tutte attribuite a James Watt a partire dal 1765, si è potuti passare da applicazioni sporadiche ad un utilizzo generalizzato nei trasporti e nelle industrie. La macchina di Watt riduceva costi, dimensioni e consumi, e aumentava la potenza disponibile. Dal primo modello con 4,4 kW si è passati in meno di 20 anni a locomotive da 0.4 MW.
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 nella rivoluzione industriale.
Lo sviluppo del motore a vapore ha facilitato l'estrazione ed il trasporto del carbone, che a sua volta ha aumentato le potenzialità del motore a vapore.
La seconda applicazione del motore a vapore fu muovere il mantice nelle fonderie nel 1776, mentre dal 1787 esso fu usato anche nelle cotonerie per filare.
L'incidenza del motore a vapore è evidente: la produzione mondiale di carbone passò da 6 Tg del 1769 a 65 Tg del 1819; il ferro (richiesto per l'acciaio) dai 40 Gg del 1780 ai 700 Gg del 1830.
Nel 1830 vi erano 15.000 motori a vapore in Inghilterra, tra cui 315 piroscafi.
Dal 1860 uno scienziato francese, Augustin Mouchot, iniziò a studiare vari modi, utilizzando l'energia solare, per alimentare i motori a vapore.
Descrizione di funzionamento [modifica]
I motori a combustione interna a vapore sono in genere motori a pistoni a moto alternato, in genere con 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, secondo il principio del motore compound, a doppia o tripla espansione. 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. In particolare, la soluzione a tripla espansione fu quella universalmente adottata da tutte le navi della seconda metà dell'800 e dei primi anni del '900. Per esempio il transatlantico Titanic era equipaggiato con due motori compositi a vapore a tripla espansione, uno per ciascuna delle due eliche laterali a quattro cilindri, uno ad alta pressione, uno a pressione intermedia e due a bassa pressione. Invece l'elica centrale era collegata ad una turbina a vapore mossa dal vapore a bassissima pressione scaricata dai due motori alternativi.
Proprio la soluzione a turbina (adottata a cominciare dalle navi militari a partire dal 1905) ha soppiantato completamente in campo marino i motori alternativi a vapore, venendo poi a sua volta superata, nelle navi militari, da turbine a gas. Nelle applicazioni tradizionali attuali in campo navale il motore a vapore è stato quasi completamente sostituito dal motore a combustione interna, che è più compatto e potente, e non richiede la fase di preriscaldamento per mettere la caldaia in pressione, che si traduce in un ritardo prima di poter utilizzare a pieno il motore. Il motore a combustione interna di tipo navale inoltra utilizza combustibile fluido (nafta), relativamente poco costoso.
Sono invece in sviluppo recente per soluzione isolate, e per piccole potenze, (5-300 kW), motori alternativi a vapore a ciclo chiuso molto interessanti, che, grazie alla adozione di materiali di alta tecnologia (ceramici, compositi, superleghe), e l'utilizzo di masse estremamente piccole di fluido agente (e della assistenza al ciclo di sistemi computerizzati), 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 si emulsiona nel vapore, e si incenerisce nel contatto con superfici roventi) si adotta con successo lo stesso fluido di ciclo (l'acqua) come lubrificante.
La stessa acqua, degasata, demineralizzata e deionizzata costituisce un vero "fluido tecnico", che ha poco da spartire con quello che noi consideriamo comunemente come "acqua"; d'altra parte tale fluido ha senso solo con materiali metallici o ceramici che mantengano una stabilità estrema alle alte temperature (ionizzazioni, ossidazioni). Data la compattezza del sistema, e la 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]
Denis Papin fece studi in medicina ad Angers. All’inizio lavora con Christian Huygens a Leida, dove tenta di mettere a punto una pompa ad aria. Nel 1679 inventa la pentola 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 con Robert Boyle, per ritornare poi con Huygens nel 1680. Dopo un soggiorno a Venezia come direttore delle pratiche all’Accademia Ambrosio Sarrotti, e quindi alla Royal Society di Londra, fu nominato professore di matematica a Marburg. 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]
- Salomon de Caus, La raison des forces mouvantes, Jean Norton ed., Francoforte, 1615, e Parigi, 1624
Note [modifica]
Voci correlate [modifica]
- Denis Papin
- Motore a combustione interna
- Ciclo Rankine
- Manovellismo di spinta rotativa
- Automobile ad acqua
Altri progetti [modifica]
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Collegamenti esterni [modifica]
- Motore a vapore nel Tesauro della BNCF
