I 5 PRINCIPALI TIPI DI MOTORI A VAPORE - TECNOLOGIA - 2026

I diversi tipi di motori a vapore hanno subito molti cambiamenti nel corso della storia e la tecnologia ha permesso loro di evolversi continuamente in modo straordinario.

Essenzialmente, i motori a vapore sono motori a combustione esterna che convertono l'energia termica del vapore acqueo in energia meccanica. Sono stati utilizzati per alimentare pompe, locomotive, navi e trattori, essendo all'epoca essenziali per la rivoluzione industriale. Attualmente vengono utilizzati per la generazione di energia elettrica mediante turbine a vapore.

Un motore a vapore è costituito da una caldaia che viene utilizzata per far bollire l'acqua e produrre vapore. Il vapore si espande e spinge un pistone o una turbina, il cui movimento fa il lavoro di girare le ruote o di guidare altri macchinari.

La prima macchina a vapore fu ideata da Airone d'Alessandria nel I secolo e fu chiamata Eolipila. Consisteva in una sfera cava collegata a una caldaia alla quale erano fissati due tubi curvi. La sfera è stata riempita con acqua che è stata bollita, provocando l'espulsione del vapore attraverso i tubi ad alta velocità, facendo girare la palla.

Sebbene l'eolipila non avesse uno scopo pratico, rappresenta senza dubbio la prima implementazione del vapore come fonte di propulsione.

Eolipie di Airone

Tuttavia, la maggior parte dei sistemi che utilizzano il vapore può essere suddivisa in due tipi: macchine a pistoni e turbine a vapore.

Principali tipi di motori a vapore

1- Macchine a pistone

Le macchine a stantuffo utilizzano vapore pressurizzato. Tramite pistoni a doppio effetto, il vapore in pressione entra alternativamente da ogni lato mentre dall'altro viene rilasciato o inviato ad un condensatore.

L'energia viene assorbita da una barra di scorrimento sigillata contro la fuoriuscita di vapore. Questa biella, a sua volta, aziona una biella collegata a una manovella per convertire il movimento alternativo in movimento rotatorio.

Inoltre, un'altra manovella viene utilizzata per azionare l'ingranaggio della valvola, solitamente attraverso un meccanismo che consente l'inversione del movimento rotatorio.

Quando si utilizza una coppia di pistoni a doppio effetto, l'avanzamento della manovella viene compensato di un angolo di 90 gradi. Ciò garantisce che il motore funzioni sempre, indipendentemente dalla posizione della manovella.

2- Motori ad espansione multipla

Un altro tipo di motore a vapore utilizza diversi cilindri a semplice effetto che aumentano progressivamente di diametro e movimento. Il vapore ad alta pressione della caldaia viene utilizzato per abbassare il primo pistone di diametro inferiore.

Nel movimento verso l'alto, il vapore parzialmente espanso viene convogliato in un secondo cilindro che inizia il suo movimento verso il basso. Ciò genera un'ulteriore espansione della pressione relativamente alta rilasciata nella prima camera.

Inoltre, la camera intermedia scarica nella camera finale, che a sua volta viene rilasciata in un condensatore. Una modifica di questo tipo di motore incorpora due pistoni più piccoli nell'ultima camera.

Lo sviluppo di questo tipo di motore è stato importante per il suo utilizzo nelle navi a vapore, poiché il condensatore, recuperando un po 'della potenza, riconverteva il vapore in acqua per il suo riutilizzo nella caldaia.

I motori a vapore terrestri potevano esaurire gran parte del loro vapore ed essere ricaricati da una torre d'acqua dolce, ma in mare questo non era possibile.

Prima e durante la seconda guerra mondiale, il motore di espansione era utilizzato nei veicoli marini che non dovevano andare ad alta velocità. Tuttavia, quando era necessaria una maggiore velocità, è stata sostituita dalla turbina a vapore.

3- Uniflow o motore a flusso uniforme

Un altro tipo di macchina a pistoni è il motore a flusso uniforme o uniflow. Questo tipo di motore utilizza il vapore che scorre solo in una direzione in ciascuna metà del cilindro.

L'efficienza termica si ottiene avendo un gradiente di temperatura attraverso il cilindro. Il vapore entra sempre nelle estremità calde del cilindro ed esce attraverso le aperture al centro del frigorifero.

Ciò si traduce in una riduzione del riscaldamento e raffreddamento relativi delle pareti del cilindro.

Nei motori uniflow, l'ingresso del vapore è solitamente controllato da valvole a fungo (che funzionano in modo simile a quelle utilizzate nei motori a combustione interna) che sono azionate da un albero a camme.

Le valvole di ingresso si aprono per far entrare il vapore quando viene raggiunto il volume di espansione minimo all'inizio del movimento.

In un preciso momento della rotazione della manovella, il vapore entra e l'ingresso del tappo si chiude, consentendo la continua espansione del vapore, azionando il pistone.

Alla fine della corsa, il pistone scoprirà un anello di fori di scarico attorno al centro del cilindro.

Questi fori sono collegati al condensatore, abbassando la pressione nella camera provocando un rilascio rapido. La rotazione continua della manovella è ciò che muove il pistone.

4- Turbine a vapore

Le turbine a vapore ad alta potenza utilizzano una serie di dischi rotanti che contengono una sorta di pale del tipo a elica sul bordo esterno. Questi dischi o rotori mobili si alternano ad anelli o statori fissi, attaccati alla struttura della turbina per reindirizzare il flusso di vapore.

A causa dell'elevata velocità di funzionamento, tali turbine sono normalmente collegate a un riduttore per azionare un altro meccanismo come l'elica di una nave.

Le turbine a vapore sono più durevoli e richiedono meno manutenzione rispetto alle macchine a pistoni. Producono anche forze di rotazione più uniformi sul loro albero di uscita, il che contribuisce a ridurre i requisiti di manutenzione e a ridurre l'usura.

L'impiego principale delle turbine a vapore è nelle centrali elettriche in cui la loro elevata velocità operativa è un vantaggio e il loro volume relativo non è uno svantaggio.

Sono anche utilizzati in applicazioni marine, alimentando grandi navi e sottomarini. Praticamente tutte le centrali nucleari generano elettricità riscaldando l'acqua e alimentando le turbine a vapore.

5- Motori di propulsione

C'è un motore a propulsione sottomarina che utilizza il vapore ad alta pressione per attingere l'acqua attraverso un'aspirazione nella parte anteriore ed espellerla ad alta velocità nella parte posteriore.

Quando il vapore si condensa sull'acqua, crea un'onda d'urto che spinge l'acqua fuori da dietro.

Per migliorare l'efficienza del motore, il motore aspira l'aria attraverso uno sfiato davanti al getto di vapore, che crea bolle d'aria e cambia il modo in cui il vapore si mescola con l'acqua.

Riferimenti

1. Marshall Brain (2017). "Come funzionano i motori a vapore". Estratto il 14 giugno 2017 da science.howstuffworks.com.
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3. SOS Children (2008-2009). "Motore a vapore". Estratto il 14 giugno 2017 su cs.mcgill.ca.
4. Woodford, Chris (2017). "Motori a vapore". Estratto il 14 giugno 2017 su Explinthatstuff.com.