Cos'è Steam Engine?- Panoramica, parti e funzionamento

Cos'è Steam Engine?

Una macchina a vapore è una macchina termica che esegue lavori meccanici utilizzando il vapore come fluido di lavoro. Il motore a vapore utilizza la forza prodotta dalla pressione del vapore per spingere un pistone avanti e indietro all'interno di un cilindro.

Questa forza di spinta può essere trasformata, tramite biella e volano, in forza di rotazione per il lavoro. Il termine "motore a vapore" è generalmente applicato solo ai motori alternativi come appena descritto, non alla turbina a vapore.

I motori a vapore sono motori a combustione esterna, in cui il fluido di lavoro è separato dai prodotti della combustione. Il ciclo termodinamico ideale utilizzato per analizzare questo processo è chiamato ciclo di Rankine.

Nell'uso generale, il termine motore a vapore può riferirsi a impianti a vapore completi (comprese caldaie, ecc.), come locomotive a vapore ferroviarie e motori portatili, oppure può riferirsi al solo macchinario a pistoni o turbine, come nel motore a trave e stazionario motore a vapore.

Sebbene i dispositivi a vapore fossero conosciuti già nell'eolipile nel I secolo d.C., con pochi altri usi registrati nel XVI e XVII secolo, Thomas Savery è considerato l'inventore del primo dispositivo a vapore utilizzato in commercio, una pompa a vapore che utilizzava vapore a pressione operando direttamente sull'acqua.

Chi ha inventato il motore a vapore?

Il primo motore di successo commerciale in grado di trasmettere potenza continua a una macchina fu sviluppato nel 1712 da Thomas Newcomen. James Watt ha apportato un miglioramento fondamentale rimuovendo il vapore esaurito in un recipiente separato per la condensazione, migliorando notevolmente la quantità di lavoro ottenuta per unità di carburante consumata.

Nel 19° secolo, i motori a vapore stazionari alimentavano le fabbriche della rivoluzione industriale. I motori a vapore hanno sostituito le vele delle navi sui piroscafi a ruote e le locomotive a vapore operavano sulle ferrovie.

I motori a vapore a pistoni alternativi sono stati la fonte di energia dominante fino all'inizio del XX secolo, quando i progressi nella progettazione di motori elettrici e motori a combustione interna hanno portato alla graduale sostituzione dei motori a vapore nell'uso commerciale. Le turbine a vapore hanno sostituito i motori alternativi nella generazione di energia, a causa di costi inferiori, maggiore velocità operativa e maggiore efficienza.

Come funziona un motore a vapore?

In una macchina a vapore, il vapore caldo, solitamente fornito da una caldaia, si espande sotto pressione e parte dell'energia termica viene convertita in lavoro. Il resto del calore può essere lasciato fuoriuscire o, per la massima efficienza del motore, il vapore può essere condensato in un apparato separato, un condensatore, a temperatura e pressione relativamente basse.

Per un'elevata efficienza, il vapore deve attraversare un ampio intervallo di temperatura in conseguenza della sua espansione all'interno del motore. La prestazione più efficiente, ovvero la massima resa di lavoro in relazione al calore fornito, è assicurata utilizzando una bassa temperatura del condensatore e un'elevata pressione della caldaia.

Il vapore può essere ulteriormente riscaldato facendolo passare attraverso un surriscaldatore nel suo percorso dalla caldaia al motore. Un comune surriscaldatore è un gruppo di tubi paralleli con le superfici esposte ai gas caldi nel forno della caldaia.

Per mezzo di surriscaldatori, il vapore può essere riscaldato oltre la temperatura alla quale viene prodotto dall'ebollizione dell'acqua.

In un motore alternativo, il tipo a pistone e cilindro del motore a vapore, il vapore sotto pressione viene immesso nel cilindro da un meccanismo a valvola. Quando il vapore si espande, spinge il pistone, che di solito è collegato a una manovella su un volano per produrre un movimento rotatorio. Nel motore a doppio effetto, il vapore della caldaia viene immesso alternativamente su ciascun lato del pistone.

In un motore a vapore semplice l'espansione del vapore avviene in un solo cilindro, mentre nel motore compound sono presenti due o più cilindri di dimensioni crescenti per una maggiore espansione del vapore e una maggiore efficienza; il primo e più piccolo pistone è azionato dal vapore ad alta pressione iniziale e il secondo dal vapore a bassa pressione scaricato dal primo.

Nella turbina a vapore, il vapore viene scaricato ad alta velocità attraverso ugelli e quindi scorre attraverso una serie di lame fisse e mobili, facendo muovere un rotore ad alta velocità. Le turbine a vapore sono più compatte e di solito consentono temperature più elevate e rapporti di espansione maggiori rispetto ai motori a vapore alternativi. La turbina è il mezzo universale utilizzato per generare grandi quantità di energia elettrica con il vapore.

Parti del motore a vapore

• Focolare: Qui è dove il combustibile viene bruciato per creare calore.
• Caldaia: Lindy usa una caldaia a tubi di fuoco. I gas caldi prodotti nel focolare vengono trascinati attraverso una griglia di tubi nella caldaia. I tubi riscaldano l'acqua che li circonda per produrre vapore. Il vapore si raccoglie nella cupola del vapore sulla parte superiore della caldaia.
• Cupola di vapore: All'interno della cupola del vapore si trovano la valvola di regolazione, la valvola di sicurezza e il fischietto. La valvola di regolazione è collegata all'acceleratore in cabina. L'ingegnere utilizza l'acceleratore per controllare la quantità di vapore erogata ai cilindri. Il fischietto è un fischietto Baldwin del 1925 a quattro rintocchi che soffia dalla pressione del vapore. La valvola di sicurezza si apre per rilasciare vapore quando la pressione diventa troppo alta.
• Valvole, cilindri e pistoni: Il vapore viene convertito in energia meccanica nei cilindri. Il vapore sotto pressione viene fatto passare attraverso le valvole del cilindro in una camera e aziona il pistone. Lindy, come la maggior parte delle locomotive, utilizza cilindri a doppia azione. Ciò consente di ottenere il doppio della potenza introducendo alternativamente vapore su entrambi i lati del pistone in modo che l'asta del pistone venga spinta e tirata, generando potenza su entrambe le corse.
• Canne: Il pistone è allineato nel cilindro da una traversa che scorre su una guida. La traversa porta l'estremità piccola della biella. L'altra estremità, quella grande, trasmette la potenza alle ruote con il perno di biella. Lindy, come la maggior parte delle locomotive, ha più di un set di ruote motrici per condividere la potenza generata dai cilindri a doppia azione. Le manovelle su entrambi i lati della locomotiva sono sfalsate di 90° per distribuire la potenza su un giro completo delle ruote.
• Smokebox: Il vapore esaurito viene rilasciato dai cilindri attraverso il tubo di soffiaggio sotto il camino. Questa disposizione produce una riduzione della pressione nella camera da fumo che aspira i gas della camera di combustione attraverso i tubi della caldaia. Più la locomotiva lavora, più gas viene aspirato attraverso i tubi, generando più vapore.
• La pila: Il vapore esausto dal tubo di soffiaggio si mescola con i gas dai tubi della caldaia ed esce attraverso il camino. Più la locomotiva lavora, più gas e vapore escono dal camino.
• Tavola: Il personale del treno aziona il motore dalla cabina. Il compito del pompiere è quello di produrre vapore controllando il fuoco nel focolare e l'approvvigionamento idrico della caldaia. L'ingegnere utilizza il vapore azionando l'acceleratore e controlla la pressione del vapore, il carburante e l'acqua.
• Cupola di sabbia: La cupola contiene sabbia che deve essere utilizzata dall'ingegnere spruzzando davanti o dietro le ruote motrici per la trazione tra le ruote e il binario.

Applicazione del motore a vapore

I motori a vapore sono stati utilizzati in tutti i tipi di applicazioni, tra cui

• Fabbriche,
• Miniere,
• Locomotive,
• Barche a vapore.