La forza espansiva del vapore  >>>  Forza motrice  

"FINE '400"
Verso la fine del XV secolo, il nostro grande Leonardo da Vinci dimostrò la potenza del vapore con "l'Archituono", costituito da un pentolone ben chiuso contenente un po' d'acqua.
Dopo un paio d'ore di buon fuoco l'espansione del liquido trasformato in vapore faceva esplodere il pentolone in migliaia di pezzi.



"ETA' MODERNA"
Nel 1606 gli esperimenti del napoletano Giovanni Battista Della Porta riuscirono ad utilizzare il vapore come forza motrice.
Egli riuscì ad estrarre la potenza del vapore con un apparecchio molto semplice, che faceva uscire dell'acqua dal suo contenitore con la sola pressione del vapore.
Con questo sistema gli "ingegneri" di Cosimo de' Medici, Granduca di Toscana, riuscirono a pompare dell'acqua da una miniera posta a 50 piedi sottoterra.

Il fuoco in E faceva evaporare l'acqua contenuta nel recipiente D: il vapore prodotto entrava sotto pressione nel recipiente B, sboccandovi sopra il livello dell'acqua ivi contenuta, che veniva forzata ad uscirne attraverso il tubo C, pescante nel liquido stesso.

Esperimenti analoghi a quelli del Della Porta vennero compiuti anche dall'ingegnere Salomon de Caus, che nel 1615 pubblicò "La raison des forces mouvantes avec diverses machines tant utiles que plaisantes", dove è prevista la possibilità di utilizzare la forza espansiva del vapore per produrre energia motrice ed è descritta una macchina munita di valvole per sollevare l'acqua sfruttando l'energia dei raggi solari.

In tempi più recenti, le prime applicazioni del vapore si possono far risalire agli esperimenti di Denis Papin ed alla sua "pentola a pressione" del 1679 da cui partì per concepire idee su come sviluppare l'utilizzo del vapore.
Le successive applicazioni si sono avute all'inizio del XVIII secolo, soprattutto per il pompaggio dell'acqua dalle miniere, con il sistema ideato nel 1698 da Thomas Savery; egli mise a punto una macchina a vapore senza stantuffo o elementi mobili che, con il semplice azionamento di tre valvole di intercettazione riusciva a svolgere un'azione di drenaggio acqua sollevandola ad un livello superiore (permetteva di sollevare acqua fino a circa 10 m di altezza).
Qui sotto è mostrato il funzionamento della "Macchina di Savery":

In seguito, grazie all'invenzione del sistema cilindro-pistone (probabilmente dovuta a Denis Papin), la forza espansiva del vapore veniva convertita in movimento meccanico e generava così "lavoro".
Il primo esempio di applicazione industriale di questo tipo è la "Macchina di Newcomen", del 1705, che era però grande, poco potente e costosa, quindi anch'essa veniva in genere usata solo per l'estrazione di acqua dalle miniere.

-Funzionamento della Macchina di Newcomen-

Solo più tardi però, grazie all'invenzione del condensatore esterno, della distribuzione a cassetti e del meccanismo biella-manovella, tutte attribuite a James Watt a partire dal 1765, si è potuti passare da applicazioni sporadiche ad un utilizzo generalizzato nei trasporti e nelle industrie.
In particolare, l'introduzione del condensatore portò a porre l'accento sulla differenza di temperatura caldaia-condensatore, e l'individuazione della fase espansiva senza riscaldamento, che migliorava il rendimento.
La "Macchina di Watt" riduceva costi, dimensioni e consumi, e aumentava la potenza disponibile.

-Funzionamento della Macchina di Watt-

Video esplicativo del movimento:

Dal primo modello con 6CV si è passati in meno di 20 anni a locomotive con 600CV.
Il motore a vapore, consentendo potenze assai maggiori di quelle fino ad allora disponibili ha svolto un ruolo importante nella rivoluzione industriale.
Lo sviluppo del motore a vapore ha facilitato l'estrazione ed il trasporto del carbone, che a sua volta ha aumentato le potenzialità del motore a vapore.
La seconda applicazione a cui fu usato il motore a vapore fu per muovere il mantice nelle fonderie nel 1776, mentre dal 1787 fu usato anche nelle cotonerie per filare.
Nel 1830 vi erano 15.000 motori a vapore in Inghilterra, tra cui 315 piroscafi.
Poiché il vapore d'acqua si ottiene somministrando calore all'acqua liquida, una parte essenziale del sistema che comprende il motore a vapore è il generatore di vapore, o caldaia. Il vapore viene poi inviato al motore, che può essere di due tipi fondamentali: alternativo o rotativo. Si usa di solito la locuzione motore a vapore per i soli motori alternativi, mentre quelli di tipo rotativo vengono definiti turbine ("turboespansori").
In quello alternativo (esempio: la macchina di Watt), in genere, la ruota azionata muove le valvole che consentono di sfruttare i due lati di ogni pistone, così in ogni singola rotazione del motore si hanno due fasi attive, mentre i motori a combustione interna hanno in genere un'espansione ogni 4 tempi.
A partire dalla seconda metà del 1800 la quasi totalità dei motori a vapore ha utilizzato due, tre e anche quattro cilindri in serie: motori a doppia espansione e tripla espansione;

-Motore a "doppia" espansione-

-Motore a "tripla" espansione-

-Esempi di motore a "doppia espansione" (azione):

-Esempi di motore a "tripla espansione" (azione):

i diversi stadi lavorano con pressioni di vapore decrescenti in modo da sfruttare meglio la pressione degli scarichi degli stadi precedenti, che contengono ancora una certa potenza.
La soluzione a tripla espansione fu adottata da tutte le navi della seconda metà dell' '800 e dei primi anni del '900. Come si può ben notare dal video qua sopra, il transatlantico Titanic era equipaggiato con due motori a vapore a tripla espansione uno per ciascuna delle due eliche laterali a quattro cilindri, uno ad alta pressione, uno a pressione intermedia e due a bassa pressione. Invece l'elica centrale era collegata ad una turbina a vapore mossa dal vapore a bassissima pressione scaricata dai due motori alternativi.
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La macchina di Woolf fu la prima a sfruttare l'espansione del vapore in un secondo cilindro per risparmiare carbone.
Dopo aver lavorato nel primo cilindro, il vapore alla pressione di circa 3 Kg/cm², si espande nel secondo dove spinge uno stantuffo collegato allo stesso albero motore del primo. Per aumentare il rendimento lo scarico viene fatto nel condensatore la cui pressione è inferiore a quella atmosferica.
Il secondo cilindro aveva il diametro di circa 1 metro.

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 Proprio la soluzione a turbina (adottata a cominciare dalle navi militari a partire dal 1905) avrebbe soppiantato completamente in campo marino i motori alternativi prima di essere a sua volta soppiantata dai motori a combustione interna e dalle turbine a gas.

-Spaccato di una tipica turbina a gas aeronautica (General Electric J85)-

Le turbine a vapore rimangono in uso soprattutto nelle centrali elettriche come forza motrice per azionare gli alternatori trifase.
Di fatto, nelle applicazioni tradizionali, oggi il motore a vapore è stato quasi completamente sostituito dal motore a combustione interna, che è più compatto e potente e non richiede la fase di preriscaldamento per mettere la caldaia in pressione, che si traduce in un ritardo prima di poter utilizzare il motore stesso.