Motore di rivoluzione: il vapore e sue applicazioni – il motore a vapore

S’ode in lontananza il suo rumore, come di un sommesso sbuffare unito a un continuo fischio di metallo che scorre contro metallo, grasso fuso e olio che sfrigolano, scatti e clangori di molle e valvole. Sporco, grigio come il fondo di un calderone e con fiamme che escono da una grata come un forno. È una bestia che divora e brucia, i muscoli di ferro e di acciaio muovono città e montagne.È portatore di rivoluzione, il motore a vapore, ma il prezzo della sua fame esigerà ben più di alberi e carbone.

Marty!! Il bussolotto rosso dovevi metterlo per ultimo!!

Popolo di Scrittevolmente e utenti random di ogni dove, bentrovati! Ancora una volta si torna a parlare di steampunk, fra realtà e finzione, con il proseguimento a Questo articolo, nel quale illustravo brevemente la storia del motore a vapore, con un piccolo glossario tecnico conclusivo. Perché il glossario? Perché oggi ci addentreremo nel mondo dei motori a vapore in modo tecnico, analizzando da vicino il loro funzionamento.

Una piccola premessa però, non analizzeremo ogni modello a partire dalla pompa Savery, partiremo direttamente dal modello di Watt e sue successive derivazioni.

Parte prima: come si genera il vapore? 

Domanda banale, ma chi lo sa, magari qualcuno si è dimenticato le lezioni di scienze alle scuole medie. La risposta è molto semplice: il vapore si genera portando della comune acqua alla temperatura di ebollizione, ossia 100 gradi celsius. Bisogna premettere che sulla superficie dell’acqua avviene sempre il fenomeno dell’evaporazione, fra 1 e 100°c, mentre a temperatura di ebollizione tutta la massa dell’acqua viene coinvolta in tale processo, non solo la superficie. Il gas generato dall’ebollizione dell’acqua è detto vapore, un gas comprimibile che possiede una discreta energia potenziale sfruttabile in un motore adeguato.

 Per rendervi conto molto banalmente della forza che possiede potete fare un esperimento casalingo: mettete sul piano cottura di casa vostra una pentola con dell’acqua e copritela con il coperchio. Una volta acceso il gas e portata ad ebollizione l’acqua noterete che il vapore cercherà di uscire, facendo saltellare il coperchio o sfiatando da qualche spiraglio.

Questo accade perché riscaldando l’acqua, questa passa dallo stato liquido a quello gassoso una volta giunta a temperatura di ebollizione. I legami delle molecole (la struttura stessa di cui è fatta, per intenderci) vengono indeboliti, facendo si che esse si allontanino più facilmente l’una dall’altra nel passaggio di stato, occupando più spazio. Questo aumento di volume in una pentola aperta non creerebbe nessun problema, ma una volta messo il coperchio cosa succede? L’aumento di volume prosegue fintanto che si applica calore all’acqua e la si fa evaporare, il vapore occupa tutto lo spazio disponibile, iniziando poi a spingere sul coperchio per trovare uno sfogo.

Alla base di questo principio sono state create le prime caldaie per i motori a vapore, grosse pentole molto elaborate per generare in modo efficiente vapore ad alta pressione. Bisogna però fare una distinzione fra i due mezzi, poiché differente è il tipo di vapore generato e utilizzato. Quello che comunemente si vede in casa da pentole e bollitori viene chiamato vapore saturo, ossia vapore in equilibrio fra lo stato gassoso e quello liquido, contenente ancora tracce di acqua sotto forma di minuscole gocce.

Nelle caldaie per motori, questo vapore avrebbe a lungo termine effetti negativi, primo fra tutti la scarsa efficienza, per questo viene utilizzato il cosiddetto vapore surriscaldato ( Superheated Steam in inglese, decisamente più fico); ossia vapore acqueo portato oltre la temperatura di vaporizzazione. Riscaldando il vapore oltre i 100°c tutta l’acqua residua presente in esso evapora, rendendolo quasi ideale dal punto di vista dell’efficienza, permettendo a parità di pressione di creare macchine più semplici senza perdite di potenza.

Una caldaia da locomotiva, evidenziato il sistema del surriscaldatore, il quale investito dai gas caldi della combustione porta il vapore oltre i 100°c

Ora che sappiamo qual’è lo scopo di una caldaia, non ci resta che approfondirne un poco il funzionamento! Esistono due tipi di caldaie, ognuna delle quali ha i propri vantaggi e svantaggi, come vedremo in breve. La sostanziale differenza fra le due tipologie sta nel metodo in cui viene stoccata e riscaldata l’acqua, qui sotto un immagine esplicativa.

Le due tipologie di caldaie a confronto

A sinistra possiamo vedere una caldaia classica, molto utilizzata nei treni a vapore per via della sua comodità. A sinistra abbiamo la fornace, alimentata a carbone o legna, la quale con una serie di tubazioni cilindriche si estende attraverso il serbatoio, per poi terminare nella canna fumaria. Le tubazioni che attraversano il serbatoio hanno lo scopo di espandere al massimo la superficie calda a contatto con l’acqua, in modo da poter mantenere un calore costante su tutta la massa d’acqua e non solo sul fondo, come accade scaldando della comune acqua in pentola. Lo svantaggio di questa caldaia sta nelle dimensioni, oltre che nella sicurezza. A seconda del volume del serbatoio si avrà una certa autonomia, andando a incidere però sul peso complessivo e sulla quantità di scambiatori necessari a mantenere calda l’acqua. In secondo, ma teoricamente primo luogo troviamo la sicurezza.

Come si può vedere nell’immagine in cima, questo tipo di caldaie se mal costruite o maneggiate da mani inesperte era incline alle esplosioni. Poiché il serbatoio dell’acqua funge anche in parte da serbatoio per il vapore ad alta pressione, il quale a pieno regime può raggiungere anche i 16 bar (16 volte la normale pressione atmosferica), significa che una eventuale esplosione della caldaia si tradurrebbe in un vero e proprio disastro di calore e shrapnel roventi.

Il secondo modello invece appare inverso a quello appena visto, come si può osservare nella parte destra dell’immagine. In questo modello la fornace circonda interamente una serie di tubazioni nelle quali viene pompata l’acqua da far evaporare. Come si può vedere questo sistema non prevede l’utilizzo di un enorme serbatoio sempre sotto pressione, riducendo i rischi di esplosione, necessitando però di un serbatoio esterno da cui l’acqua deve essere pompata costantemente, per non far rimanere le tubature vuote.

Ovviamente bisogna dire che qui entrambi i sistemi vengono spiegati in modo si esaustivo, ma anche scarno e semplificato, poiché negli anni l’efficienza e la sicurezza delle caldaie ha raggiunto livelli tecnologici molto alti, nonostante sia il motore caduto in disuso, questo per non appesantire troppo l’articolo e allungarlo oltremodo.

Parte seconda: il motore e sue applicazioni

Eccoci quindi giunti, dopo doverose premesse, al cuore dell’articolo, ovvero il motore a vapore in se e il suo funzionamento. Abbiamo visto la storia, abbiamo visto come viene generato il vapore e quali sono le sue forze, ora non ci resta che capire come questa energia viene sfruttata e imbrigliata per generare lavoro meccanico!

Due fasi del funzionamento di un motore a vapore monocilindrico, doppia espansione.

Nell’immagine qui sopra vediamo rappresentato un esempio molto comune di motore a vapore, derivato dal perfezionato modello Watt. In questa immagine viene mostrata la fase di espansione/scarico, in cui nel motore viene immesso il vapore ad alta pressione, il quale provvederà poi a muove tutto l’apparato. Andando con ordine, possiamo suddividere le due immagini in queste operazioni:

-Aspirazione: il pistone si trova a fine corsa, non può andare più avanti e l’inerzia dovuta alla rotazione del volano (supponendo che il motore non sia fermo) sta per far compiere la corsa al contrario al pistone. In questa posizione il sistema di distribuzione del vapore (il quale come il pistone si muove avanti e indietro, ma molto più lentamente e con molta meno corsa) fa affluire il vapore ad alta pressione sulla testa del pistone, premendo con forza e spingendolo verso il basso.

-Scarico: dall’altro lato del pistone invece abbiamo una camera a bassa pressione, in cui il vapore giunto alla massima espansione si prepara ad essere espulso. Qui la distribuzione chiude l’immissione del vapore ad alta pressione, creando invece un percorso che porta allo scarico (unico per entrambi i lati) del vapore, il quale potrà essere sfruttato in altri modi.

-Espansione: Ora il vapore sulla testa del pistone si sta espandendo, premendolo e facendolo scorrere verso il basso. Mentre da una parte si espande, dall’altra si comprime, ma siccome la valvola di scarico è aperta, il vapore a bassa pressione residuo fuoriesce fintantoché la valvola di scarico rimane aperta, impedendo una compressione prematura che porterebbe a un calo di prestazioni (se si chiudesse troppo presto rimarrebbe un residuo di vapore, il quale comprimendosi renderebbe più difficoltosa la discesa del pistone).

Questo per quanto riguarda la prima immagine, sostanzialmente nella seconda avvengono le stesse cose, all’opposto. La distribuzione si chiude poco prima che il pistone raggiunga il fine corsa posteriore, riaprendo allo stesso tempo l’immissione del vapore ad alta pressione, sul lato biella questa volta. Così facendo il vapore aiuta la risalita del pistone con la stessa forza con il quale lo ha spinto verso il basso, creando una doppia espansione.

Il termine doppia espansione deriva proprio da questo, sfruttare entrambi i lati del pistone con l’alta pressione per massimizzare le prestazioni e il rendimento, senza sprecare nulla. Per confronto, un normale motore a benzina per automobili può solo sfruttare l’espansione dei gas combusti da un lato, per pochi istanti per giunta, mentre nel motore a vapore la spinta è omogenea per tutta la durata della corsa, sin quando non inizia la fase di scarico.

Ecco nel dettaglio le fasi del motore nel loro ciclo

Nell’immagine qui sopra possiamo vedere più dettagliatamente le fasi, distribuite in quattro immagini, con tutto il ciclo di espansione e scarico. Sostanzialmente la base di ogni motore a vapore è questa, la tecnica di funzionamento non cambia, dai motori delle locomotive a vapore alle gigantesche pompe idrauliche, sino ai piccoli e sconosciuti motori per automobili.

Nelle immagini viste sopra la distribuzione è fissa, ma nelle macchine reali essa oltre a comandare l’immissione e il dosaggio del vapore nei cilindri, serve anche a regolarne il funzionamento e la velocità. Grazie ad un sistema complesso di leve, si può regolare quanto vapore viene immesso, come una sorta di acceleratore, quanto le valvole rimangono aperte e in quale senso farle funzionare, dando la possibilità di variare il senso di marcia.

Esistono vari tipi di distribuzione, troppe da citare tutte al momento, ma fra tutte possiamo citare la Walschaerts, Caprotti, Stephenson; diffuse per la loro semplicità, prestazioni e largo uso.

Detto questo non mi resta che tagliare corto e rimandarvi al prossimo appuntamento, in questo articolo abbiamo visto qual’è la base del funzionamento di tutte le macchine a vapore, l’argomento sarebbe molto più complesso ed elaborato, ma possiamo considerare questa infarinatura più che sufficiente.

Stay tuned per la terza e ultima parte in programma: le applicazioni pratiche dei motori a vapore e quelle “fantastiche”!