Motor cu aburi

Un motor cu aburi este o conducere mașină care transformă termic energie 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

Deoarece elenism, prezența experimentelor a fost documentată pentru a exploata energia care rezultă din extinderea compușilor datorită lichid gazos tranziția de fază de vapori de apă. Printre acestea ne amintim de Aeolipile de Erou al Alexandriei , o mașină de făcut dintr - o sferă de cupru gol la interior umplut cu apă, cu brațele tangențiale opuse echipate cu un orificiu de ieșire; prin aplicarea unei surse de căldură în apropierea containerului care conține apă, apa vaporizat și vaporii de apă a ieșit din găurile, provocând sfera în sine să se rotească.

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

Pompa de abur a lui Thomas Savery

În vremuri mai recente, primele aplicații de abur pot fi urmărite înapoi la experimentele lui Denis Papin și a lui oala sub presiune de 1679 de la care a început la idei conceapa cu privire la modul de a dezvolta 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. Abia mai târziu, cu toate acestea, datorită invenției condensatorului extern, distribuția sertar și mecanismul bielă-manivelă (care a permis crearea unei mișcări de rotație , mai degrabă decât doar o singură alternativă ca până atunci), toate atribuite lui James Watt pornind de la 1765 , au a fost în măsură să treacă de la aplicații sporadice la utilizarea generalizată în transport și industrie. Masina lui Watt redus costurile, dimensiunile și consumul, și a crescut disponibile putere . În mai puțin de 20 de ani, primul model cu 4.4 k W a dus la 0,4 M locomotive W.

Thomas Horn motor cu aburi, expus la Muzeul Național de Leonardo da Vinci de Știință și Tehnologie 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). Motorul cu aburi a jucat un rol fundamental în revoluția industrială : a facilitat extracția și transportul cărbunelui, și , prin urmare , scăderea costurilor, care , la rândul său , a crescut potențialul motorului cu aburi. A doua aplicație a motorului cu aburi a fost de a muta burdufului în turnătorie , pentru prima dată 1776 , în timp ce de la 1787 a fost , de asemenea , utilizat în fabricile de bumbac filare.

Impactul motorului cu abur este evidentă: producția de cărbune mondială a trecut de la 6 T g în anul 1769 acompaniat de 65 de ani T g în 1819 ; fier (necesar pentru oțel) de la 40 G g în anului 1780 acompaniat de la 700 G g în 1830 . In 1830 existau 15.000 de motoare cu aburi din Marea Britanie, inclusiv 315 vapoarele . Din 1860 un om de știință francez, Augustin Mouchot , a început să studieze diverse moduri, folosind energia solară , la motoarele cu alimentare 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 motor cu aburi este abur generatorului , care furnizează energia termică mare necesară pentru vaporizarea vaporilor de apă și apoi trimis la motor. Motorul poate fi: alternativ sau rotativ. Motorul Termenul de abur este de obicei folosit numai pentru motorul cu piston , 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. Pornind de la a doua jumătate a anilor 1800, aproape toate motoarele cu aburi utilizate două, trei sau chiar patru cilindri în serie, adică cu dublă de expansiune și expansiune triple (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, Titanic ocean de linie a fost echipat cu două motoare cu aburi triple-expansiune, câte unul pentru fiecare dintre cele două propulsoare laterale cu patru cilindri, unul la presiune înaltă, una la presiune intermediară și două la presiune joasă. 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 de lubrifiere care poluează cu abur, care a afectat întotdeauna toate tipurile de motoare cu aburi (uleiul emulsionează în abur), același fluid ciclu (apa) este adoptat cu succes ca un 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 în Angers. La început , el lucrează cu Christian Huygens din Leiden , în cazul în care el încearcă să dezvolte o pompă de aer. În 1679 el a inventat oala sub presiune , depunerea la momentul respectiv , brevetul cu inscripția „chiar aici de față«digestor»face mai multe cantități de alimente digerabile, inclusiv cele mai grele carne“. 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 forțele mouvantes, Jean Norton ed., Frankfurt, 1615, și Paris, 1624
Carlo Abate, Locomotiva cu aburi , Milano, Hoepli , 1924
Antonio Capetti, motoare cu aburi, Torino, V. Giorgio, 1963
Carlo Bramanti, motorul cu aburi, Albino, Sandit, 2009, ISBN 978-88-95990-25-5