Macchina a vapore

 Motore termico alternativo a combustione esterna, che si basa sull'espansione e sul successivo raffreddamento del vapore generato in una caldaia. La macchina a vapore trasforma energia termica in energia meccanica con un rendimento generalmente basso, per cui nella maggior parte delle applicazioni destinate alla produzione di forza motrice è stata sostituita dalla turbina a vapore.

Cenni storici

La prima rudimentale macchina a vapore fu inventata nel 1690 dal francese Denis Papin e fu usata per pompare l'acqua. La "pentola di Papin" era poco più di una curiosità, e il lavoro effettivo era eseguito dall'aria più che dalla pressione del vapore. Era costituita da un unico cilindro che svolgeva anche la funzione della caldaia: nella parte inferiore si immetteva una piccola quantità di acqua che veniva riscaldata fino a produrre una parziale evaporazione; la pressione del vapore prodotto sollevava uno stantuffo che scorreva nel cilindro; infine, quando la fonte di calore veniva rimossa, il vapore condensava e lo stantuffo, non più sostenuto dalla pressione sottostante, veniva spinto verso il basso dal proprio peso e dalla pressione atmosferica.

Più efficiente era il cosiddetto motore atmosferico, inventato nel 1705 dal britannico Thomas Newcomen e costituito da un cilindro verticale con uno stantuffo dotato di un contrappeso. Il vapore immesso a bassa pressione dal fondo del cilindro spingeva verso l'alto lo stantuffo, alleggerito dal contrappeso. Quando lo stantuffo raggiungeva la sommità del cilindro si apriva automaticamente una valvola e all'interno del cilindro veniva spruzzato un getto d'acqua fredda: l'abbassamento di temperatura faceva condensare il vapore e la pressione atmosferica spingeva in basso lo stantuffo. Il braccio, basculante su un perno fisso, collegava lo stelo dello stantuffo con il contrappeso e si prolungava con una barra che, alzandosi e abbassandosi secondo il movimento dello stantuffo, azionava una pompa. Pur essendo poco efficiente, il motore di Newcomen si rivelò abbastanza pratico e venne largamente usato per pompare l'acqua fuori dalle miniere di carbone.

Partendo dall'idea di migliorare il motore di Newcomen, lo scozzese James Watt realizzò una serie di importanti invenzioni che portarono allo sviluppo della moderna macchina a vapore. La prima di tali invenzioni fu un motore comprendente una camera di condensazione del vapore separata, che permetteva di ridurre la perdita di vapore che si verificava nell'alternarsi di riscaldamenti e raffreddamenti del cilindro. Nel motore di Watt, infatti, il cilindro era isolato e rimaneva alla temperatura del vapore. La camera di condensazione separata veniva raffreddata ad acqua ed era dotata di una pompa che creava una depressione sufficiente ad aspirare il vapore dal cilindro e serviva anche per rimuovere l'acqua dalla camera di condensazione.

Un'altra radicale innovazione dei primi motori di Watt consisteva nel fatto che in essi era la pressione del vapore, e non la pressione atmosferica, a compiere lavoro utile. Watt inventò anche il modo di trasformare il moto rettilineo alternativo dello stantuffo nel moto rotatorio continuo di un volano, utilizzando dapprima un sistema di ingranaggi, quindi un sistema biella-manovella simile a quello delle macchine a vapore moderne. Introdusse inoltre il principio del doppio effetto, secondo il quale il vapore viene immesso alternativamente all'una o all'altra estremità del cilindro in modo da azionare il pistone sia nella corsa di andata sia in quella di ritorno, e dotò il motore di una valvola di regolazione comandata da un meccanismo a retroazione (noto ancor oggi come regolatore di Watt) per mantenere costante la velocità di rotazione del volano.

Il successivo importante sviluppo della macchina a vapore fu l'introduzione dei motori senza condensatore, il cui principio era stato intuito ma non realizzato da Watt. All'inizio del XIX secolo il britannico Richard Trevithick e lo statunitense Oiliver Evans concepirono ottimi motori senza condensatore che impiegavano vapore ad alta pressione. Trevithick utilizzò questo tipo di macchina per azionare la prima locomotiva della storia.

All'incirca nello stesso periodo il britannico Arthur Woolf costruiva le prime macchine a doppia espansione, o "compound": il vapore ad alta pressione veniva immesso in un cilindro e, una volta espanso con conseguente riduzione della pressione, passava in un secondo cilindro dove subiva un'ulteriore espansione. I motori di Woolf erano a due cilindri, ma in seguito furono costruite anche macchine a tripla e a quadrupla espansione. Il vantaggio di combinare due o più cilindri consiste in un risparmio di energia nel riscaldamento delle pareti del cilindro, aumentando di conseguenza il rendimento della macchina.

Macchine a vapore moderne

L'intero ciclo delle operazioni che si svolgono in una macchina a vapore moderna è descritto nelle figure 1a-d. Nella figura 1a, lo stantuffo si trova all'estremità sinistra del cilindro e il vapore entrato nella camera di distribuzione viene immesso nel cilindro alla sinistra dello stantuffo. La posizione del cassetto di distribuzione consente al vapore che si trova all'estremità destra del cilindro di fuoriuscire attraverso la luce di scarico. Il moto dello stantuffo mette in moto un volano che a sua volta aziona la biella che comanda il cassetto di distribuzione.

Nella figura 1b, il vapore al lato sinistro del cilindro si espande e sposta lo stantuffo verso il punto centrale; contemporaneamente il cassetto di distribuzione si sposta nella posizione di chiusura, impedendo l'uscita del vapore dal cilindro e dalla camera di distribuzione.

Spinto dalla pressione del vapore in espansione, lo stantuffo si sposta verso destra, come illustrato nella figura 1c e il cassetto di distribuzione permette l'evacuazione del vapore dal cilindro, attraverso la luce di scarico sinistra; contemporaneamente la camera di distribuzione, che contiene vapore, viene collegata con l'estremità destra del cilindro. In questa posizione il motore è pronto per la seconda corsa del ciclo a doppio effetto. Infine, nella quarta posizione (figura 1d), il cassetto chiude di nuovo le aperture di entrambe le estremità del cilindro e lo stantuffo si muove verso sinistra, azionato dall'espansione del vapore nella parte destra del cilindro.

Il sistema di valvole a cassetto di distribuzione illustrato nella figura 1a-d presenta il vantaggio di essere reversibile: la posizione del cassetto rispetto allo stantuffo può essere variata modificando la posizione del perno eccentrico che lo aziona, come mostrato in figura 2.

 

Spostando il perno di 180° si inverte il senso di rotazione del volano.

Il cassetto di distribuzione presenta tuttavia alcuni inconvenienti, come l'attrito causato sul fondo dalla pressione del vapore. Per evitare l'usura provocata da questo effetto, il cassetto viene costruito di forma cilindrica, in modo che la pressione del vapore si distribuisca uniformemente su tutte le parti. Altri tipi di cassetto sono sagomati in modo che la pressione del vapore non agisca direttamente sul fondo.

La sincronizzazione dello stantuffo con il meccanismo della distribuzione è determinante per la potenza e l'efficienza della macchina a vapore. Variando il momento del ciclo in cui il vapore entra nel cilindro è possibile modificare i valori della compressione e dell'espansione del vapore, e quindi variare la potenza erogata dalla macchina. Sono stati realizzati numerosi tipi di meccanismi di distribuzione che consentono non solo la reversibilità del moto ma anche il controllo dei tempi di ammissione e di interruzione del vapore. I meccanismi di distribuzione rivestono particolare importanza nelle locomotive a vapore, dove lo sforzo richiesto al motore varia notevolmente, dal massimo all'avvio della locomotiva, al minimo durante la corsa a piena velocità.

Un elemento importante per tutti i tipi di macchina a vapore è il volano, che viene azionato mediante il bottone di manovella dalla biella che si articola con lo stelo dello stantuffo. Grazie all'elevata inerzia, il volano (di metallo pesante, in genere un getto di ghisa) regolarizza le singole spinte che lo stantuffo riceve dal vapore in espansione, consentendo al motore di erogare un flusso uniforme di potenza.

Le macchine a vapore monocilindriche possono fermarsi quando lo stantuffo si trova a una delle estremità del cilindro: si dice allora che il motore è in un punto morto e non può ripartire. Spesso per eliminare i punti morti si costruiscono macchine a vapore con due o più cilindri accoppiati, disposti in modo che la macchina sia in grado di ripartire indipendentemente dalla posizione degli stantuffi. Il modo più semplice di accoppiare due cilindri è disporre le due manovelle sul volano come illustrato nella figura 3.

 

Per un migliore bilanciamento è anche possibile usare una macchina a tre cilindri con le manovelle disposte a 120°. L'accoppiamento di più cilindri non solo elimina le difficoltà di avviamento ma realizza anche un gruppo motore più affidabile poiché ogni cilindro può essere mantenuto a temperatura pressoché costante, contrariamente a ciò che si verifica nelle macchine monocilindriche.

Un ulteriore miglioramento nella progettazione delle macchine a vapore è rappresentato dalla macchina a flusso di vapore continuo, che usa lo stantuffo stesso come cassetto di distribuzione e nella quale tutte le parti del cilindro rimangono pressoché alla stessa temperatura per l'intero ciclo di lavoro. Nella macchina a flusso continuo il vapore si muove sempre nella stessa direzione entrando nel cilindro, espandendo e uscendo dal cilindro. Questo flusso unidirezionale si ottiene impiegando due serie di fori d'ingresso alle due estremità del cilindro e una sola serie di fori d'uscita al centro della parete. Il flusso di vapore nelle due serie di fori d'ingresso è controllato da valvole separate. Le macchine a flusso di vapore continuo presentano vantaggi rilevanti, ad esempio impiegano efficacemente vapore ad alta pressione pur essendo monocilindriche; sono infatti adottate nei grandi impianti, benché il loro costo iniziale sia notevolmente superiore a quello delle macchine a vapore tradizionali.