giovedì 5 aprile 2012

Motori a vapore I

MOTORI E MACCHINE

Nel linguaggio comune i due termini vengono sovente usati in modo improprio.

Occorre specificare, in modo schematico che:

MACCHINA è un meccanismo capace di produrre lavoro utilizzando ENERGIA MOTRICE
Una leva, le forbici, lo schiaccianoci, la bicicletta, l'ascensore sono MACCHINE.

(la carrucola è una macchina semplice)

(questa è una macchina complessa - da Wikipedia)


In tecnologia (semplificando) IL LAVORO corrisponde allo spostamento o alla deformazione di un corpo.

MOTORE è un congegno, un meccanismo, capace di trasformare diverse forme di ENERGIA in ENERGIA MOTRICE.


E non esistono motori capaci di trasformare altre forme di energia in E.motrice? Per esempio l'energia luminosa? No! L'energia luminosa la possiamo trasformare in energia elettrica, con le celle fotovoltaiche, che poi forniamo ad  un motore elettrico.


Il termine "ENERGIA MOTRICE" indica energia di movimento (energia cinetica), ma questo movimento è  REGOLARE e CONTROLLATO.





Il motore fornisce ENERGIA MOTRICE sotto forma di movimento di ROTAZIONE dell'ALBERO MOTORE (cilindro sporgente). 
Noi forniamo energia al motore e il motore la trasforma in movimento dell'albero motore.


L'energia motrice del motore deve poi essere trasferita alle macchine per compiere il lavoro.


Fino al 1700 i motori costruiti dall'uomo erano in grado di utilizzare solamente l'energia cinetica dell'acqua e del vento (ruote a pale). Questi motori venivano usati per far funzionare le macine, i magli, le macchine di sollevamento e altri meccanismi artigianali. Avevano un grosso limite e cioè dovevano essere posizionati vicino ad un corso d'acqua regolare e continuo o in luogo dove il vento soffiava costantemente. Per questo motivo il loro sviluppo fu limitato e non furono in grado di determinare una rivoluzione tecnica.


Agli inizi del 1700 Denis Papin (1647-1714?), un medico di Parigi che si dedicò alle ricerche di fisica sotto la guida di C.Huygens, progettò un "digestore o marmitta" : un recipiente metallico, ermeticamente chiuso, munito di valvola di sicurezza (prima di pergamena e poi di cuoio), all'interno del quale l'acqua può bollire a temperatura superiore ai 100 °C.



Praticamente è un cilindro sigillato, all'interno del quale si mette un po' d'acqua e sotto si accende il fuoco. L'acqua si trasforma in vapore che non riesce ad espandersi perché le pareti del cilindro sono rigide, e perciò aumenta di pressione. Se si continua a scaldare, la pressione continua ad aumentare fino ad assumere valori pericolosi, tali da far scoppiare il cilindro.






Papin progetta una valvola di sicurezza: un meccanismo capace di scaricare all'esterno il vapore, quando la pressione interna supera un certo valore.




Se il cilindro ha un'apertura sporgente all'esterno  e su questa noi fissiamo una lamina di cuoio con una legatura di ferro, quando la pressione del vapore vince la resistenza del cuoio o della legatura, si scarica all'esterno.
Questa è una valvola di sicurezza. Una volta aperta, però, non è più possibile chiuderla per riportare il recipiente in pressione. 



Papin progetta una leva che preme su una punta conica che chiude un foro del cilindro in pressione. Sulla leva grava un peso che si può spostare a destra o a sinistra, aumentando o diminuendo la forza esercitata sul cono. Quando la pressione del vapore vince la resistenza del cono, sfiata all'esterno. Quando invece la pressione del cono è superiore alla pressione del vapore, il foro resta chiuso.
In questo modo, regolando la posizione del peso, si può regolare la pressione interna al cilindro.



Invece di una leva si può utilizzare la forza di compressione di una molla.
La molla preme sulla punta conica che chiude il foro del cilindro. Allo stesso modo, quando la pressione del vapore vince la resistenza della molla, sfiata all'esterno.
La leva superiore ha la funzione di sollevare, manualmente, la punta conica, per scaricare il vapore.




Questa stampa rappresenta il "digestore" di Papin. 
Il cilindro è chiuso da un coperchio (C) per mezzo della struttura F, e fermato da un meccanismo a vite D-E. La valvola di sicurezza è regolata dalla leva G sulla quale grava il peso W.
Il cilindro B è posizionato sul focolare A




Questo è un modello in bronzo del digestore di Papin (museocrescenzipacinotti.it)

Papin progettò poi una rudimentale macchina a vapore formata da un cilindro nel quale scorreva uno stantuffo che veniva sollevato dalla pressione del vapore.




L'asta dello stantuffo può essere collegata ad una leva, fissata ad una fune che scorre su una carrucola e agganciata ad un peso.
Il funzionamento di questo meccanismo può essere diviso in due fasi:


FASE 1: si scalda il cilindro. 
L'acqua si trasforma in vapore sotto pressione e spinge lo stantuffo alla sommità del cilindro. La leva trascina la fune che scorre sulla carrucola e solleva il peso.
Papin dimostra in questo modo che l'energia termica (calore) può produrre lavoro (peso che si alza).


FASE 2: si spegne il fuoco e si raffredda il cilindro.
Il vapore condensa; all'interno del cilindro si crea una depressione che tira lo stantuffo verso il basso. La leva si muove e il peso scende nella posizione iniziale. 
Anche questa fase produce un movimento del peso, ma interviene anche la forza di gravità.


Al termine delle due fasi il lavoro è zero, perché il peso si trova esattamente nella posizione di partenza.


Si potrebbe, però, fare in modo che il peso, al termine della fase 1, non scenda  e continui a salire al ripetersi di questa fase.
E' necessario prendere in considerazione un meccanismo formato da una ruota dentata particolare.




Questa ruota può girare solo in senso orario. Quando si cerca di farla girare in senso antiorario, il movimento viene bloccato dal fermo che una molla tiene  premuto contro i denti.




In questa illustrazione ci sono due ruote dentate con due fermi. Se la ruota interna viene fatta girare in senso orario, aggancia i fermi e trascina nel movimento la ruota esterna. 
Se la ruota interna gira in senso antiorario, scivola sui fermi e la ruota esterna viene tenuta in posizione dal fermo esterno.
Quindi la ruota esterna può girare solo in senso orario mentre quella interna può girare nei due sensi, ma solo quando gira in senso antiorario trascina la ruota esterna.
Questo meccanismo può funzionare con la macchina di Papin e far sì che il peso possa solamente salire (macchina perché è il meccanismo che produce lavoro).


Considera due cilindri: uno pieno A, l'altro cavo B. Il cilindro A entra esattamente nel B.


(B è disegnato "in sezione")

Appoggiamo A e B su due sostegni in modo che possano ruotare. 



Sul cilindro (albero rotante) A, incastriamo due ruote: una dentata C e una di bloccaggio D.
Sul cilindro (albero rotante) B, incastriamo una ruota di bloccaggio M e una ruota dentata H.




Sulla ruota dentata H ingrana una catena a cui è fissato un peso.
Se facciamo girare l'albero A, girano le ruote C e D, ma B, H e M restano ferme.


Incastriamo all'estremità di B, sulla ruota di bloccaggio D, una ruota cava E, con due bloccaggi regolati da molle.




Se D gira in senso orario, fa girare anche E e di conseguenza l'albero B con la ruota H e M.
Se D gira in senso antiorario, i fermi scorrono sulla ruota ed E non gira. Il bloccaggio M ha la funzione di fermare H (impedendo al peso di scendere).




Se fabbrichiamo l'asta dello stantuffo con una serie di denti (cremagliera) che ingranano nella ruota dentata C, quando lo stantuffo sale (fase 1), fa girare C e D in senso orario e di conseguenza il peso, trascinato da H, sale; quando lo stantuffo scende (fase 2), fa girare C in senso antiorario e H resta ferma perché bloccata da M.


Il motore di Papin, collegato al meccanismo di sollevamento descritto, è in grado di produrre un lavoro (peso agganciato alla catena che sale).




Praticamente non è utilizzabile perché bisogna continuamente accendere e spegnere il fuoco, spruzzare acqua fredda sul cilindro con enormi perdite di tempo e di energia per passare da una fase all'altra. 
Papin dimostrò, però, che l'energia termica poteva essere trasformata in energia motrice e produrre lavoro.




(Animazione del motore di Papin)


* * * * * * *


La storia dei motori a vapore, però, non comincia con Denis Papin.
Nel XV secolo, Leonardo da Vinci dimostrò la potenza del vapore con "L'ARCHITUONO", che era un pentolone ben chiuso e con un po' d'acqua dentro. Messo su "un buon fuoco", dopo un paio d'ore, esplodeva in migliaia di pezzi.


* * * * * * *


Nel 1629, Giovanni Branca (1571-1645), ingegnere e architetto, a Roma, pubblica un libro: "LE MACHINE", con 63 incisioni e con le descrizioni in latino e italiano. 




La tavola 25 rappresenta un recipiente chiuso (A), che produce vapore sotto pressione e un soffiatore, a forma di testa, che convoglia il getto di vapore contro le pale di una ruota orizzontale. La pressione del vapore fa girare la ruota (come una turbina moderna) e il movimento dell'albero motore viene trasmesso da E a diverse ruote dentate, l'ultima delle quali muove un cilindro con quattro sporgenze, che sollevano alternativamente due aste con due grossi pesi M alla base. I pesi cadono su due pietre concave e schiacciano il materiale contenuto, come in un mortaio.
Questo è il progetto un motore a vapore (turbina) collegato a una macchina che produce lavoro.


Così, Giovanni Branca, descrive il funzionamento della sua macchina.


Non so se il Branca abbia cercato di realizzare questo suo progetto e le altre macchine contenute nel suo volume. Lo storico Alex Keller scrive che "le sue macchine sembrano invenzioni studiate a tavolino che raramente hanno mai avuto una copia tridimensionale funzionante" (wikipedia).




Nello stesso volume si trova questa illustrazione, dove si osserva un recipiente chiuso (caldaia) posizionato sul focolare, con un becco che indirizza il vapore, sotto pressione, contro le pale, piatte, di una ruota. Anche in questo caso si tratta di un prototipo di una turbina a vapore (forse mai realizzato).
Il Branca suggerisce che l'apparato potrebbe essere utilizzato per l'alimentazione di pestelli e mortai, rettificatrici, per sollevare acqua e tagliare il legno.


* * * * * * *


Nel 1673 Christian Huygens progetta una specie di motore che produce movimento sfruttando il vuoto e la sottrazione di calore. Si tratta di un cilindro di metallo all'interno del quale introduce un po' di polvere da sparo. Lo scoppio violento espelle dal cilindro l'aria attraverso due aperture che poi si chiudono ermeticamente. All'interno del cilindro è posto uno stantuffo che, con la depressione interna, viene risucchiato verso il basso.




Il disegno, eseguito da Huygens, rappresenta il cilindro (tubo), due valvole di sfiato E-F, lo stantuffo D legato ad una corda che scorre sulla carrucola H e sostiene il peso G.




E' lo stesso Huygens che così descrive il funzionamento della sua invenzione, al fratello, in una lettera del 22 settembre 1673.


Questo motore non sfrutta il vapore ma l'energia termica prodotta dallo scoppio che ha la funzione di espellere tutta l'aria contenuta nel cilindro creando il vuoto. E' evidente che tutto il meccanismo si deteriora rapidamente, non funziona in modo continuo, impiega materiali molto pericolosi e non può essere utilizzato praticamente.


* * * * * *


Molto tempo prima, un ingegnere e matematico greco, Erone di Alessandria, inventò dei motori che funzionavano con il calore. I progetti sono riportati in un suo libro "La meccanica" di cui sono rimasti pochi frammenti. Fortunatamente, un certo numero di manoscritti ci tramandano l'intero testo in traduzione araba.
L'epoca nella quale visse è ancora un mistero: la sua collocazione cronologica oscilla fra il I secolo a.C. e il II secolo d.C. e persino la sua esistenza a volte è stata posta in dubbio.
Noi analizziamo un suo progetto che aveva lo scopo di chiudere e aprire le pesanti porte di un tempio.




Tutto il congegno era nascosto in un locale costruito sotto il tempio in modo che l'apertura o la chiusura delle porte avesse un grande impatto scenico e psicologico su chi osservava il movimento.




Sull'altare, posto all'esterno dell'edificio, si accende il fuoco e il calore si diffonde all'interno della camera 1 dove è arrotolato, a spirale, un grosso tubo di rame, chiuso ad una estremità e infilato, dall'altra, in un serbatoio 2 ermeticamente chiuso, contenente acqua. L'aumento di temperatura determina un aumento di pressione, all'interno del tubo e del serbatoio 2, che spinge l'acqua, attraverso il tubo 3, nel serbatoio 4. 
Il serbatoio 4 aumenta di peso e quando supera il valore del peso 7, si sposta verso il basso, trascinando la fune che scorre sulla carrucola 8 ed è avvolta al cilindro collegato alla porta. Il movimento del cilindro determina l'apertura o la chiusura della porta del tempio. (l'apertura o la chiusura dipendono dal modo in cui la corda è avvolta sul cilindro)
Basta un piccolo movimento del cilindro, 1/4 di giro, per chiudere o aprire completamente la porta, che poi si blocca.


Spegnendo il fuoco, l'aria si raffredda, la pressione nel tubo e nel serbatoio 1 diminuisce e risucchia l'acqua dal serbatoio 4. La diminuzione di peso di 4 fa sì che il peso 7 si abbassi e muova il cilindro che sostiene la porta (chiudendola o aprendola).


Il progetto dimostra la possibilità di trasformare l'energia termica (calore) in lavoro (movimento della porta). Non è un motore, ma l'applicazione di un principio fisico che, se sviluppato, può portare ad una evoluzione nel mondo della tecnica.


* * * * * * *


Un'altra invenzione di Erone è l'eolipila ((termine composto dalla parola greca "Αἴολος" e la parola latina pila e traducibile come sfera di Eolo): una specie di turbina a reazione.


Modellino da digilander.libero.it/ricciardi)


Una sfera di rame, cava internamente, può ruotare liberamente su due sostegni con basso attrito. Dalla sfera si dipartono due tubicini, diametralmente opposti, piegati ad angolo retto orientati in modo opposto (uno vero l'alto, uno verso il basso).
Nella sfera si mette un certo quantitativo d'acqua, da un apposito foro che poi si chiude ermeticamente, e sotto si accende il fuoco. Il vapore prodotto aumenta di pressione e fuoriesce dai due tubicini, quando la pressione è sufficientemente alta la sfera comincia a ruotare sempre più veloce.




(Modellino: fgfontana.eu.museo-virtuale)


L'eolipila fu utilizzata, all'inizio, come semplice attrazione senza che l'energia motrice avesse alcuna applicazione pratica. Nel XVIII secolo, il matematico Johann Andreas Segner studiò la realizzazione di un prototipo di turbina idraulica, ispirandosi al medesimo principio di reazione applicato nell'eolipila.
Nel 1978 l'eolipila fu ricostruita, per studio, dal ricercatore inglese John Landels. Il vapore fuoriuscito dai tubi permetteva di far girare la sfera ad una velocità approssimativa di 1500 giri al minuto.(da wikipedia)


L'alimentazione del vapore, in questo modello, è continua: l'acqua è contenuta in un serbatoio chiuso dal quale si dipartono, verso l'alto, due tubi che, piegati ad angolo retto, entrano nella sfera e portano il vapore sotto pressione.

Per sfruttare l'energia motrice è necessario utilizzare il movimento di rotazione dell'albero motore.


Occorre applicare sull'albero motore un meccanismo di trasmissione: per esempio una puleggia, che tramite cinghia trasmette il movimento rotatorio ad una macchina.


Nessun commento:

Posta un commento

Posta un commento