I 5 tipi di macchine a vapore principali

Il diverso tipi di motori a vapore Hanno subito molti cambiamenti nel corso della storia e continuamente la tecnologia ha permesso loro di evolversi in modo notevole.

Essenzialmente, sono motori a combustione esterna che convertono l'energia termica del vapore acqueo in energia meccanica.

Sono stati utilizzati per azionare pompe, locomotive, navi e trattori, essendo al momento essenziali per la rivoluzione industriale. Attualmente sono utilizzati per la generazione di energia elettrica utilizzando 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 guidare altri macchinari.

La prima macchina a vapore fu ideata da Heron of Alexandria nel primo secolo e fu chiamata eolípila.

Consisteva in una sfera cava collegata a una caldaia a cui erano attaccati due tubi curvi. La sfera è stata riempita con acqua che stava bollendo, provocando l'espulsione del vapore attraverso i tubi ad alta velocità, facendo girare la palla.

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

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

Principali tipi di motori a vapore

1- Macchine a stantuffo

Le macchine a stantuffo utilizzano vapore pressurizzato. Attraverso pistoni a doppio effetto, il vapore pressurizzato entra alternativamente su ciascun lato mentre dall'altro viene rilasciato o inviato a un condensatore.

L'energia viene assorbita da una barra di scorrimento sigillata contro la fuoriuscita di vapore. Questa asta, 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 spostato di 90 gradi. Ciò garantisce che il motore funzioni sempre, indipendentemente dalla posizione in cui si trova la manovella.

2- Più motori di espansione

Un altro tipo di motore a vapore utilizza diversi cilindri a semplice effetto che aumentano progressivamente il suo diametro e il suo movimento.

Il vapore ad alta pressione della caldaia viene utilizzato per azionare il primo pistone di diametro inferiore verso il basso.

Nel movimento verso l'alto, il vapore parzialmente espanso viene spinto in un secondo cilindro che inizia il suo movimento verso il basso.

Ciò genera un'ulteriore espansione della pressione relativamente elevata rilasciata nella prima camera.

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

Lo sviluppo di questo tipo di motore era importante per il suo uso nelle navi a vapore, poiché il condensatore, quando recuperava un po 'di energia, convertiva il vapore in acqua per il suo riutilizzo nella caldaia.

I motori a vapore terrestri potevano esaurire gran parte del loro vapore ed essere riempiti con una torre d'acqua dolce, ma nel mare ciò non era possibile.

Prima e durante la seconda guerra mondiale, il motore di espansione era usato in veicoli marini che non avevano bisogno di andare ad alta velocità. Tuttavia, quando è stata richiesta una maggiore velocità, è stata sostituita dalla turbina a vapore.

3- Motore uniforme flusso uniflow

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

L'efficienza termica si ottiene con un gradiente di temperatura lungo il cilindro. Il vapore entra sempre attraverso le estremità calde del cilindro ed esce dalle aperture al centro del refrigeratore.

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

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

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

In un momento specifico del ritorno della manovella, il vapore entra e l'ingresso del tappo è chiuso, consentendo la continua espansione del vapore, attivando il pistone.

Alla fine del movimento, 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 rapido rilascio. 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 di tipo elica sul loro bordo esterno.

Questi dischi mobili o rotori si alternano con anelli fissi o statori, fissati 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 resistenti e richiedono meno manutenzione rispetto alle macchine a pistone. Producono anche forze di rotazione più morbide sul loro albero di uscita, il che contribuisce a ridurre i requisiti di manutenzione e la minore usura.

L'uso principale delle turbine a vapore è nelle stazioni di generazione di elettricità in cui la loro alta velocità di funzionamento è un vantaggio e il loro volume relativo non è uno svantaggio.

Sono anche utilizzati in applicazioni marine, aumentando le navi di grandi dimensioni 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 subacquea che utilizza vapore ad alta pressione per attingere acqua attraverso una presa nella parte anteriore ed espellerla ad alta velocità attraverso la parte posteriore.

Quando il vapore si condensa nell'acqua, viene creata un'onda d'urto che espelle l'acqua 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

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