Motor cu aburi

Un motor cu aburi este o mașină de acționare care transformă energia termică în energie mecanică prin intermediul vaporilor de apă . Căldura este în general produsă prin arderea unui combustibil fosil, fosil cărbune , lemn sau hidrocarbură gaz petrol, păcură , ci și deșeurile termice din procesele industriale.

Istorie

Primele experimente

De la elenism, s-a documentat prezența experimentelor pentru a exploata energia derivată din expansiunea compușilor datorită tranziției fazei lichid- gazoase a vaporilor de apă. Dintre acestea ne amintim de Eolipilul Eroului Alexandriei , o mașină formată dintr-o sferă de cupru goală umplută cu apă, cu brațe tangențiale opuse echipate cu o gaură de ieșire; prin aplicarea unei surse de căldură lângă recipientul care conține apa, apa s-a vaporizat și vaporii de apă au ieșit din găuri, determinând rotirea sferei în sine.

Ar trebui să ne amintim încercările lui Leonardo da Vinci de a folosi aburul cu mașina sa numită Archituonus și, în 1606, experimentele lui Giovanni Battista Della Porta, care a reușit să-l folosească ca forță motrice . Experimente similare cu cele ale Della Porta au fost efectuate și de inginerul Salomon de Caus , care în 1615 a publicat un tratat despre sistemul său care conținea o pompă de abur.

Pompa de abur a lui Thomas Savery

În vremuri mai recente, primele aplicații ale aburului pot fi urmărite în urma experimentelor lui Denis Papin și a aragazului său sub presiune din 1679 din care a început să conceapă idei despre cum să dezvolte utilizarea aburului. Aplicațiile ulterioare au avut loc la începutul secolului al XVIII-lea , în special pentru pomparea apei din mine, sistemul conceput în 1698 de Thomas Savery folosind vidul creat de condensarea aburului introdus într-un recipient (care a permis creșterea apei până la aproximativ 10 m înălțime), și mai târziu, datorită invenției sistemului cilindru-piston (probabil datorită lui Denis Papin), transformând energia aburului în mișcare mecanică, capabilă să genereze muncă. Primul exemplu de aplicare industrială a acestui concept este mașina Newcomen , din 1705 , care a fost totuși mare, nu foarte puternică, scumpă și, mai presus de toate, a implementat doar o mișcare alternativă, din acest motiv și ea a fost folosită în general doar pentru extracția apei din mine.

La început, motorul cu aburi funcționa la presiune scăzută: aburul a fost produs și a ieșit imediat din cazan în cilindru; aceste motoare erau, prin urmare, enorme comparativ cu puterea livrată; instalarea pe vehicule autopropulsate a necesitat, prin urmare, proiectarea unor motoare mai mici și mai ușoare, cu aceeași putere; din acest motiv, au fost create motoare de înaltă presiune, adică au acumulat presiunea în interiorul cazanului în loc să o expulzeze în cilindru pe măsură ce a fost produsă. Numai mai târziu, însă, datorită invenției condensatorului extern, distribuției sertarului și mecanismului bielă-manivelă (care a permis crearea unei mișcări rotative mai degrabă decât a unei alternative până acum), toate atribuite lui James Watt începând cu 1765 , a reușit să treacă de la aplicații sporadice la utilizarea generalizată în transporturi și industrie. Mașina Watt a redus costurile, dimensiunile și consumul și a crescut puterea disponibilă. În mai puțin de 20 de ani, primul model cu 4,4 k W a ajuns la locomotive de 0,4 M W.

Mașina cu aburi a lui Thomas Horn , expusă la Muzeul Național de Știință și Tehnologie Leonardo da Vinci din Milano.

Motorul cu aburi, permițând o putere mult mai mare decât cele disponibile până atunci (un cal alergător poate produce 8 kW pentru curse scurte, dar pentru a lucra o zi nu poate produce mai mult de 0,7 kW). Mașina cu aburi a jucat un rol fundamental în revoluția industrială : a facilitat extracția și transportul cărbunelui și, prin urmare, scăderea costului, care la rândul său a crescut potențialul mașinii cu aburi. A doua aplicație a motorului cu aburi a fost de a muta burduful în turnătorie pentru prima dată în 1776 , în timp ce din 1787 a fost folosit și în fabricile de filare din bumbac.

Impactul motorului cu aburi este evident: producția mondială de cărbune a trecut de la 6 T g în 1769 la 65 T g în 1819 ; fier (necesar pentru oțel) de la 40 G g în 1780 la 700 G g în 1830 . În 1830 , în Marea Britanie existau 15.000 de motoare cu aburi, inclusiv 315 de vapoare . Din 1860, un om de știință francez, Augustin Mouchot , a început să studieze diferite moduri, folosind energia solară , pentru a alimenta motoarele cu aburi.

Descriere

Motor cu aburi în acțiune

Diagrama care prezintă cele patru etape din cilindrul unui motor alternativ

Animația unui motor cu triplă expansiune. Aburul de înaltă presiune (roșu) intră în cazan, trece prin motor și este eliberat în condensator ca abur de joasă presiune (albastru).

O parte esențială a sistemului de motoare cu aburi este generatorul de abur, care furnizează energia termică mare necesară vaporizării vaporilor de apă și apoi trimisă la motor. Motorul poate fi: alternativ sau rotativ. Termenul de mașină cu aburi este utilizat de obicei numai pentru motorul alternativ , în timp ce pentru motorul rotativ este definit ca o turbină cu abur.

În cea alternativă, în general roata antrenată deplasează supapele care permit exploatarea celor două laturi ale fiecărui piston, deci în fiecare rotație a motorului există două faze active, în timp ce motorul cu ardere internă are în general o expansiune la fiecare 4 timpi. Începând din a doua jumătate a anilor 1800, aproape toate motoarele cu aburi foloseau doi, trei și chiar patru cilindri în serie, adică cu dublă expansiune și triplă expansiune (vezi animația ); diferitele etape funcționează cu presiuni scăzute ale aburului pentru a exploata mai bine presiunea evacuărilor din etapele anterioare, care conțin încă o anumită putere.

Soluția de triplă expansiune a fost cea adoptată de toate navele din a doua jumătate a secolului al XIX-lea și din primii ani ai secolului al XX-lea. De exemplu, linia oceanică Titanic a fost echipată cu două motoare cu aburi cu expansiune triplă, una pentru fiecare dintre cele două elice laterale cu patru cilindri, una la presiune ridicată, una la presiune intermediară și două la presiune scăzută. În schimb, elica centrală a fost conectată la o turbină cu abur, mișcată de aburul cu presiune foarte joasă descărcat de cele două motoare cu piston. Tocmai soluția de turbină, adoptată începând cu navele militare începând cu 1905, ar fi înlocuit motoarele alternative pe nave, înainte de a fi la rândul său înlocuită de motoarele cu combustie internă și turbine cu gaz în următoarele decenii. Turbinele cu abur rămân utilizate în principal în centralele electrice ca forță motrice pentru acționarea alternatoarelor trifazate.

În aplicațiile tradiționale, astăzi motorul cu aburi a fost aproape complet înlocuit de motorul cu ardere internă , care este mai compact și mai puternic și nu necesită faza de preîncălzire pentru a pune cazanul sub presiune, ceea ce are ca rezultat o întârziere înainte de a putea fi utilizat. motorul în sine.

Pe de altă parte, există dezvoltări recente pentru soluții izolate și pentru puteri mici (5-300 kW ), motoare cu abur alternative cu ciclu închis, cu adoptarea de materiale de înaltă tehnologie (ceramică, compozite, superaliaje) și utilizarea unor mase extrem de mici de fluid care acționează (și a asistenței la ciclul sistemelor informatice), se obțin vaporizări și condensări extrem de rapide și randamente apreciabile, cu un mecanism mecanic și fluidistic extrem de simplificat. Pentru a acoperi problema lubrifierii care poluează aburul, care a afectat întotdeauna toate tipurile de motoare cu aburi (uleiul emulsionează în abur), același ciclu de lichid (apă) este adoptat cu succes ca lubrifiant. Având în vedere compactitatea sistemului și flexibilitatea și versatilitatea excelente de utilizare (motorul nu este legat de un anumit combustibil), este posibil să-l utilizați pentru autovehicule.

Mașinile cu aburi ale lui Papin

Denis Papin a studiat medicina la Angers. La început lucrează cu Christian Huygens la Leiden , unde încearcă să dezvolte o pompă de aer. În 1679 a inventat oala sub presiune , depunând la acel moment, brevetul cu inscripția „„ digestorul ”de aici face digerabile multe cantități de alimente, inclusiv cele mai tari cărnuri”. Mai târziu a lucrat o vreme cu Robert Boyle , apoi s-a întors cu Huygens în 1680. După o ședere la Veneția ca director de practici la Academia Ambrosio Sarrotti și apoi la Royal Society din Londra, a fost numit profesor de matematică la Marburg . În acest moment, pornind de la experiența oalei sub presiune, Papin construiește prima sa mașină cu aburi: o barcă cu aburi în 1707. Dar această superbă invenție atrage multe controverse din partea barcilor care amenință să distrugă barca. Papin se întoarce în cele din urmă în Anglia, unde, în ciuda noilor cercetări, resursele sale scad.

Notă

Bibliografie

Salomon de Caus, La raison des forces mouvantes , ed. Jean Norton, Frankfurt, 1615 și Paris, 1624
Carlo Abate, Locomotiva cu aburi , Milano, Hoepli , 1924
Antonio Capetti, Motoare cu aburi , Torino, V. Giorgio, 1963
Carlo Bramanti, Mașina cu aburi , Albino, Sandit, 2009, ISBN 978-88-95990-25-5